凍土與群樁相互作用模型試驗(yàn)研究

(1. 江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院， 江蘇鎮(zhèn)江212013； 2. 東南大學(xué)成賢學(xué)院， 江蘇南京210088)

隨著我國(guó)“一帶一路”倡議發(fā)展主線的逐步開(kāi)展，圍繞陸上絲綢之路新經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的寒區(qū)交通運(yùn)輸工程必將陸續(xù)開(kāi)始建設(shè)，如新歐亞大陸橋、北京—莫斯科高速鐵路、中吉烏鐵路等工程。由于凍土在物理、熱學(xué)、力學(xué)性質(zhì)及動(dòng)力荷載等方面存在特殊性，因此在寒區(qū)的工程建設(shè)必須考慮凍土問(wèn)題[1]。1994年青藏地區(qū)凍害狀況調(diào)查顯示，我國(guó)青藏地區(qū)公路病害率為31.7%，1999年調(diào)查顯示東北多年凍土區(qū)鐵路病害率高達(dá)40%[2-3]。青藏鐵路通車(chē)不久后出現(xiàn)路面、路堤開(kāi)裂，以及路橋過(guò)渡段不均勻沉降變形等嚴(yán)重問(wèn)題[4]。寒區(qū)鐵路工程多采用“以橋代路”方案來(lái)減輕工程建設(shè)對(duì)凍土的擾動(dòng)和凍土對(duì)工程建設(shè)的影響，而橋梁基礎(chǔ)工程多采用樁基礎(chǔ)。在北方凍土地區(qū)，樁基礎(chǔ)與凍土?xí)l(fā)生凍融循環(huán)的損傷效應(yīng)等特殊巖土工程問(wèn)題[5]。馬巍等[6]指出，在凍土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)前，必須把工程凍土學(xué)理論和寒區(qū)工程建設(shè)時(shí)可能遇到的問(wèn)題研究透徹，以確保凍土區(qū)工程建筑物的安全性、適用性和耐久性。樁基礎(chǔ)與凍土之間的相互作用問(wèn)題正成為巖土工程的研究熱點(diǎn)。

目前，許多學(xué)者通過(guò)室內(nèi)凍土 -模型樁試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方法[7-8]，得出了凍區(qū)樁周平均側(cè)摩阻力與溫度、含水率及含鹽量等影響因素存在非線性關(guān)系的結(jié)論。Vyalov等[9]根據(jù)在相同地區(qū)的幾個(gè)模型或全尺寸樁的試驗(yàn)結(jié)果得到的典型凍土蠕變曲線，闡述了凍土地區(qū)樁的承載能力和凍土的長(zhǎng)期強(qiáng)度及其實(shí)質(zhì)。賴遠(yuǎn)明等[10]研究了凍土中樁基礎(chǔ)所受的切向凍脹力及其分布規(guī)律，并提出了樁基礎(chǔ)凍脹力三維問(wèn)題的積分方程。吳亞平等[11]考慮應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)三場(chǎng)耦合條件,建立了凍土區(qū)樁土相互作用的黏彈塑性非線性有限元分析計(jì)算模型，計(jì)算了單樁凍脹過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)，進(jìn)而研究單樁承載力在凍結(jié)過(guò)程中的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程，然后提出凍土區(qū)橋梁群樁基礎(chǔ)溫度場(chǎng)控制微分方程,將計(jì)算值與青藏鐵路凍土區(qū)某橋梁工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,并提出回凍率的概念。李永波等[12]進(jìn)行凍土 -樁動(dòng)力相互作用模型試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)施加水平方向動(dòng)力，得出了樁基的荷載 -位移曲線。郭春香等[13]研究了氣候變暖、太陽(yáng)日照等外在因素對(duì)寒區(qū)樁承載力的影響，通過(guò)數(shù)值方法計(jì)算了氣候異常時(shí)溫度場(chǎng)的變化對(duì)樁基承載力的影響。何汶含[14]建立多種工況下單樁和群樁的數(shù)值計(jì)算模型，分析了不同工況下多年凍土區(qū)單樁和群樁基礎(chǔ)的承載性狀。胡海東等[15]采用高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行單樁模型試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比有、無(wú)樁側(cè)水2種環(huán)境因素，分析了樁側(cè)水熱效應(yīng)對(duì)樁身應(yīng)變、樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力、樁土相對(duì)位移、樁基的極限承載力和樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力與樁頂位移的流變特性的影響。

值得指出的是，雖然目前對(duì)凍土和樁基礎(chǔ)的相互作用進(jìn)行了大量研究，但是針對(duì)土體凍脹過(guò)程中群樁的響應(yīng)、群樁對(duì)凍土凍結(jié)過(guò)程的影響，即群樁 -凍土的相互作用問(wèn)題及凍土中群樁效應(yīng)的研究較少，并且很少有研究考慮地下水補(bǔ)給和地下水熱效應(yīng)。本文中通過(guò)自行設(shè)計(jì)的室內(nèi)混凝土群樁 -凍土模型試驗(yàn)，采用高低溫交變?cè)囼?yàn)凍融箱作為冷凍源，制備粉質(zhì)黏土土樣和混凝土模型樁，模擬凍土地區(qū)地質(zhì)條件，并預(yù)放溫度計(jì)、位移計(jì)和應(yīng)變片，在不同凍結(jié)溫度時(shí)對(duì)有補(bǔ)給水源的凍土 -群樁系統(tǒng)的相互作用進(jìn)行模型試驗(yàn)， 研究在凍結(jié)過(guò)程中土樣溫度場(chǎng)的變化及不同位置樁的上拔位移、 樁側(cè)摩阻力變化、 樁-凍土系統(tǒng)中的群樁效應(yīng)等。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

本文中的試驗(yàn)為室內(nèi)模型試驗(yàn)，綜合考慮相似準(zhǔn)則三大定理和試驗(yàn)凍融箱尺寸，確定模型的幾何相似比為20，溫度相似比為1。試驗(yàn)由凍融系統(tǒng)、群樁 -凍土模型系統(tǒng)、補(bǔ)水裝置和數(shù)據(jù)采集儀4個(gè)部分組成。

1)冷凍源采用江蘇省蘇州東華試驗(yàn)儀器有限公司的GWD-150型高低溫交變?cè)囼?yàn)箱，控溫范圍為-40～150 ℃，可設(shè)置凍結(jié)溫度程序。試驗(yàn)箱的儀表盤(pán)可實(shí)時(shí)顯示箱內(nèi)實(shí)際溫度，在試驗(yàn)箱控溫范圍內(nèi)，該儀器能夠精確控制溫度的變化，誤差小于0.1 ℃。

2)選取外徑為25 cm、高度為25 cm的硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC)管作為放置凍土 -群樁模型試樣的填土箱，并在其外側(cè)包裹2層聚氨酯保溫板。樁土試樣整體放入定制保溫箱，其尺寸為50 cm×50 cm×40 cm(長(zhǎng)度×寬度×高度)，厚度為3 cm。該保溫箱能夠隔絕內(nèi)部樁土試樣系統(tǒng)四周及底部不受冷源影響，以模擬自然狀態(tài)下單向凍結(jié)。

3)補(bǔ)水裝置利用水泵將保溫箱底部的水循環(huán)抽吸到放置填土試驗(yàn)箱的托盤(pán)中，填土箱底部有透水石，托盤(pán)內(nèi)的水通過(guò)透水石向填土試驗(yàn)箱內(nèi)凍土土樣補(bǔ)水。

4)在凍結(jié)過(guò)程中，采集的數(shù)據(jù)包括樁周土體溫度、角樁和中心樁樁頂上拔位移及樁側(cè)應(yīng)變。采用T型熱電偶測(cè)量樁周土溫度場(chǎng)變化，誤差不大于0.01 ℃。 5G102型直線位移傳感器布置在樁頂測(cè)量樁頂上拔位移，量程為30 mm，誤差小于0.25%。采用BX120 -3AA型電阻式應(yīng)變片測(cè)量樁側(cè)應(yīng)變，電阻為120 Ω，靈敏度系數(shù)為(2.08±1)%。采用2臺(tái)有20個(gè)數(shù)據(jù)采集通道的DH3818-2型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀連接計(jì)算機(jī)后，設(shè)定相關(guān)參數(shù)，然后計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝的靜態(tài)信號(hào)測(cè)試與分析系統(tǒng)軟件將自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1所示為自行設(shè)計(jì)的凍融試驗(yàn)系統(tǒng)， 其中高低溫交變凍融箱中為保溫箱的剖面圖及各種傳感器的放置位置。 圖2所示為填土箱中5根樁的埋置方式。

圖1 凍脹試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

(a)保溫箱平面圖

(b)保溫箱實(shí)拍圖圖2 保溫箱布置圖

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.2.1 土樣的物理力學(xué)性質(zhì)

在同等條件下,大多數(shù)黏土和絕大多數(shù)粗砂、中砂、細(xì)砂和水礫石等砂的主要力學(xué)指標(biāo)單軸抗壓強(qiáng)度、三軸剪切強(qiáng)度、破壞應(yīng)變及本構(gòu)關(guān)系非常相近[16-17]。采用江蘇省鎮(zhèn)江市某建筑工地基坑挖取的粉質(zhì)黏土來(lái)制備重塑凍土樣，經(jīng)過(guò)烘干、粉碎及篩分等處理后，通過(guò)控制凍結(jié)溫度、土樣含水率、壓實(shí)度及級(jí)配等來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)地基條件。未凍土樣的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土樣粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)性質(zhì)

1.2.2 模型樁的制作

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，采用內(nèi)徑為22 mm的硬質(zhì)PVC管作為模具，采用C30型混凝土配合比配制混凝土，制作模型樁的粗骨料最大直徑不大于4 mm，細(xì)骨料采用級(jí)配合理的中砂，采用PO42.5型號(hào)的水泥，混凝土樁的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 混凝土樁的物理參數(shù)

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)前先在模型樁上粘貼應(yīng)變片，每隔3 cm粘貼1對(duì)應(yīng)變片。為了減小凍結(jié)過(guò)程中溫度對(duì)樁側(cè)應(yīng)變的影響，每對(duì)應(yīng)變片采用半橋式連接(見(jiàn)圖3)，第1片和最后1片分別距離樁身兩端約5、 1 cm，共粘貼8對(duì)應(yīng)變片，然后在應(yīng)變片表面涂抹防水硅橡膠，避免在凍結(jié)過(guò)程中土樣中的水損壞應(yīng)變片，以保證應(yīng)變片的存活率。

(a)粘貼方式(b)混凝土樁粘貼應(yīng)變圖3 應(yīng)變片粘貼

將配置好含水率的土樣填入試驗(yàn)箱， 第1層土厚度約為6 cm， 填好后夯實(shí)， 放入粘貼好應(yīng)變片的樁基礎(chǔ)， 在填土過(guò)程中確保5根樁始終都處于豎直狀態(tài)， 然后繼續(xù)每填土約5 cm夯實(shí)一次， 直至土樣與填土箱高度平齊， 群樁基礎(chǔ)埋深為25 cm。 然后在填土箱側(cè)面插入10根T型熱電偶來(lái)監(jiān)測(cè)凍結(jié)過(guò)程中樁周土溫度場(chǎng)變化， 埋深分別為0、 4.5、 6.5、 9.0、 11.5、 14.5、 17.5、 20.5、 23.5、 26.5 cm。 依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[18]， 凍土地下水溫度為0.5～0.7 ℃， 但是儀器誤差使得保溫箱底部水的溫度為1.0 ℃，并通過(guò)小水泵向承接填土箱的底部托盤(pán)內(nèi)抽水實(shí)現(xiàn)水源補(bǔ)給。將樁土模型系統(tǒng)放入保溫箱中，保溫箱可以隔絕填土箱四周和底部熱量的傳遞，模擬自然狀態(tài)下的單向凍結(jié)。 將保溫箱放入高低溫交變凍融箱， 利用磁鐵座固定直線位移傳感器， 并布置在中心樁和2根角樁樁頂來(lái)監(jiān)測(cè)凍結(jié)過(guò)程中樁頂?shù)纳习挝灰啤?將應(yīng)變片、 溫度傳感器和位移傳感器的導(dǎo)線接入DH-3818型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀， 在凍融箱觸控板設(shè)置試驗(yàn)溫度程序，冷端凍結(jié)溫度分別為-10、-15 ℃，開(kāi)始試驗(yàn)，每10 min采集一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集儀器如圖4所示。

(a)布置位移傳感器

(b)連接數(shù)據(jù)采集儀圖4 數(shù)據(jù)采集儀器

2 結(jié)果與分析

2.1 樁周土溫度 -時(shí)間變化曲線

溫度是影響凍土動(dòng)強(qiáng)度變化特性的主要因素之一[19-20]。 在凍結(jié)過(guò)程中， 土樣溫度的發(fā)展規(guī)律很復(fù)雜， 易受模型試驗(yàn)系統(tǒng)、 試驗(yàn)裝置及外部環(huán)境的影響。 對(duì)于凍土 -群樁模型試驗(yàn)的研究， 監(jiān)測(cè)凍結(jié)過(guò)程中不同深度土樣溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律是后續(xù)研究的重要前提。 圖5所示為凍結(jié)過(guò)程中樁周土體溫度隨時(shí)間的變化。 由圖可知， 在凍結(jié)過(guò)程中， 各深度土樣的溫度不同且變化幅度也不同，但是溫度變化趨勢(shì)基本一致。 在凍結(jié)初期0～10 h， 土樣各深度位置的溫度迅速下降， 之后溫度降低速率逐漸減小并在凍結(jié)25 h后趨于穩(wěn)定。 隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)， 土樣凍結(jié)鋒面不斷下移(凍結(jié)鋒面以上是已凍區(qū)，以下是未凍區(qū))， 當(dāng)冷端和暖端傳遞給土樣的熱量達(dá)到平衡時(shí)， 土樣溫度趨于穩(wěn)定。 在凍結(jié)溫度為-10 ℃時(shí)凍結(jié)39 h， 土樣凍結(jié)鋒面約為11.5 cm， 在凍結(jié)溫度-15 ℃時(shí)凍結(jié)39 h， 土樣凍結(jié)鋒面約為17.5 cm， 因此土樣凍結(jié)鋒面隨著冷端凍結(jié)溫度降低發(fā)展得越深。

(a)凍結(jié)溫度為-10 ℃

(b)凍結(jié)溫度為-15 ℃圖5 不同凍結(jié)溫度時(shí)樁周溫度隨時(shí)間的變化

根據(jù)圖5(b)中溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到土樣部分深度的溫度梯度，如表3所示。由表可知，在凍結(jié)過(guò)程中，平均溫度梯度隨著土樣深度的增大而減小。原因是隨著表層土樣溫度的變化，熱量在傳遞過(guò)程中逐漸被土樣吸收和耗散，熱量傳遞的時(shí)效性決定了下層土樣溫度改變的滯后性。另外，在相同凍結(jié)溫度的條件下，凍結(jié)鋒面以上的土樣溫度梯度較大，凍結(jié)鋒面以下土樣溫度梯度較小，有明顯的分界線，即凍結(jié)鋒面以上的土層受到冷凍源的影響明顯且差別較大，而凍結(jié)鋒面以下土層受冷凍源的影響較小且差別較小。這主要是由已凍土樣中的分凝冰改變了凍土局部區(qū)域的導(dǎo)熱系數(shù)而導(dǎo)致的結(jié)果。將凍結(jié)過(guò)程中土樣溫度發(fā)展規(guī)律曲線與文獻(xiàn)[21]中的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出本試驗(yàn)可以模擬自然狀態(tài)的土體單向凍結(jié)過(guò)程，進(jìn)而可以充分討論本模型試驗(yàn)中土樣凍結(jié)對(duì)群樁上拔位移和側(cè)摩阻力的影響。

表3 土樣的溫度梯度

2.2 不同位置樁的上拔位移

圖6所示為在凍結(jié)過(guò)程中中心樁和角樁上拔位移隨時(shí)間的變化。

(a)凍結(jié)溫度為-10 ℃(b)凍結(jié)溫度為-15 ℃圖6 不同凍結(jié)溫度時(shí)樁頂上拔位移隨時(shí)間的變化

通過(guò)圖6(a)、 (b)中虛線的標(biāo)記可以看出， 在凍結(jié)過(guò)程中樁頂上拔位移發(fā)展規(guī)律可以大致分為3個(gè)階段： 1)樁頂上拔位移迅速發(fā)展， 上拔位移在短時(shí)間內(nèi)突增， 角樁的上拔位移量約為中心樁的1.7倍。 因?yàn)樵囼?yàn)初期冷端土樣中孔隙水迅速原位凍結(jié)成冰， 土樣體積膨脹后對(duì)樁身施加切向凍脹力， 所以凍結(jié)初期樁上拔位移快速增大。 2)樁頂上拔位移發(fā)展均速， 角樁的上拔位移一直大于中心樁上拔位移， 與第1階段相比， 相同凍結(jié)時(shí)間上拔位移增量較小。 由圖5中的樁周溫度發(fā)展規(guī)律可知， 該階段凍結(jié)鋒面向下發(fā)展變慢。 因?yàn)閮鐾羺^(qū)土樣產(chǎn)生不連續(xù)的微量分凝冰， 所以對(duì)樁身施加的切向凍脹力緩慢變大。 3)不同凍結(jié)溫度凍結(jié)15 h左右， 樁頂上拔位移達(dá)到試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的最大值， 原因是凍結(jié)鋒面向下發(fā)展趨于穩(wěn)定、 分凝冰發(fā)展完成。

當(dāng)凍結(jié)溫度為-10 ℃時(shí),中心樁最終上拔位移為2.1 mm，角樁最終上拔位移為2.9 mm；當(dāng)凍結(jié)溫度為-15 ℃時(shí)，中心樁最終上拔位移為2.9 mm，角樁最終上拔位移為3.8 mm。不同凍結(jié)溫度時(shí)，最終角樁的上拔位移比中心樁大，并且凍結(jié)溫度越低，樁最終上拔位移越大。

2.3 樁身應(yīng)變和樁側(cè)凍結(jié)應(yīng)力

由于樁基礎(chǔ)無(wú)上部荷載作用，因此在凍結(jié)過(guò)程中，樁基礎(chǔ)主要受樁周土體膨脹所產(chǎn)生的側(cè)摩阻力作用，樁所受的側(cè)摩阻力可以利用應(yīng)變儀采集到樁側(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算得到。樁側(cè)摩阻力[22-23]為

(1)

其中

Ni=EAei

，

(2)

式中：fi為第i(1≤i≤9)段樁的樁側(cè)摩阻力，向上為正；Ni、Ni+1分別為第i段樁的頂部和底部的軸力；d為樁截面外徑；ΔL為相鄰應(yīng)變片垂直中心距；E為樁的彈性模量；A為樁的截面面積；ei為第i個(gè)軸向應(yīng)變，由靜態(tài)應(yīng)變分析儀采集得到。

在不同凍結(jié)溫度時(shí)， 中心樁和角樁埋深為1.5、 4.5、 7.5、 10.5、 13.5、 16.5、 19.5 cm處的側(cè)摩阻力變化如圖7、 8所示。 從圖中可以看出， 當(dāng)凍結(jié)溫度為-10 ℃時(shí)，中心樁的樁身側(cè)摩阻力絕對(duì)值最大為123.6 kPa，出現(xiàn)在埋深為4.5 cm處，角樁側(cè)模阻力絕對(duì)值最大為250.8 kPa，出現(xiàn)在埋深為13.5 cm處；當(dāng)凍結(jié)溫度為-15 ℃時(shí)，中心樁的樁身側(cè)摩阻力絕對(duì)值最大，為166.6 kPa，出現(xiàn)在埋深為7.5 cm處，角樁側(cè)模阻力的絕對(duì)值最大，為312.3 kPa，出現(xiàn)在埋深為16.5 cm處。

(a)中心樁(b)角樁圖7 凍結(jié)溫度為-10 ℃時(shí)凍結(jié)群樁側(cè)摩阻力隨埋深的變化

(a)中心樁(b)角樁圖8 凍結(jié)溫度為-15 ℃時(shí)凍結(jié)群樁側(cè)摩阻力隨埋深的變化

在不同凍結(jié)溫度的條件下， 相同位置樁的側(cè)摩阻力變化規(guī)律相似， 沿著樁身呈正、 負(fù)摩阻力交替變化， 側(cè)摩阻力絕對(duì)值最大值出現(xiàn)的位置大致相同。 凍結(jié)溫度越低， 樁身的側(cè)摩阻力最大絕對(duì)值越大。 當(dāng)凍結(jié)溫度相同時(shí)， 角樁的側(cè)摩阻力絕對(duì)值最大值比中心樁的大， 并且最大值出現(xiàn)的位置不同， 表明在只有凍脹荷載的作用下， 群樁效應(yīng)仍然顯著。

3 結(jié)論

本文中進(jìn)行了凍土 -群樁模型試驗(yàn)，研究?jī)雒涍^(guò)程中群樁與凍土的一些關(guān)鍵變量隨時(shí)間變化規(guī)律。以溫度作為主要影響因素，系統(tǒng)研究了凍脹過(guò)程中樁周土體溫度變化、樁頂上拔位移規(guī)律及樁側(cè)摩阻力變化規(guī)律。根據(jù)相似第三定理的表述，相似準(zhǔn)則為不變量且單值條件相似，則模型試驗(yàn)?zāi)軌蛘_模擬原型，與原型物理現(xiàn)象相似。本文中的分析即為凍土 -群樁相互作用機(jī)理的真實(shí)反映，在原型中以相似規(guī)律存在，因此可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)單向凍結(jié)過(guò)程中，凍結(jié)鋒面隨著凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)緩慢下移，凍結(jié)溫度越低，則凍結(jié)鋒面位置越深；溫度梯度隨著土樣深度的增大而減小，與凍結(jié)鋒面以下的土樣相比，凍結(jié)鋒面以上土樣的溫度梯度明顯較大。

2)在凍結(jié)過(guò)程中，群樁基礎(chǔ)上拔位移發(fā)展大致分為3個(gè)階段，即迅速增長(zhǎng)階段、穩(wěn)定增長(zhǎng)階段和平穩(wěn)階段。凍結(jié)溫度越低，則樁上拔位移越大，角樁上拔位移明顯大于中心樁。

3)在單向凍結(jié)條件下，不同凍結(jié)溫度時(shí)，相同位置樁的側(cè)摩阻力變化規(guī)律相似，沿著樁身呈正、負(fù)摩阻力交替變化，基本平衡。當(dāng)凍結(jié)溫度相同時(shí)，角樁的側(cè)摩阻力絕對(duì)值最大值比中心樁的大，并且最大值出現(xiàn)的位置不同，顯示出樁-凍土系統(tǒng)中的群樁效應(yīng)。