單向凍結(jié)條件下擴(kuò)底樁抗凍拔能力試驗(yàn)研究

黃旭斌，盛 煜，黃 龍，彭爾興，曹 偉，張璽彥，何彬彬

(1.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

中國(guó)約有一半以上的國(guó)土面積處于季節(jié)凍土區(qū)。近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，季節(jié)凍土區(qū)的工程建設(shè)規(guī)模迅速增大，工程等級(jí)逐漸增高，樁基礎(chǔ)的應(yīng)用十分廣泛。在季節(jié)凍土地區(qū)，地基土體的凍脹是各種工程建筑物產(chǎn)生凍害的主要原因[1]。埋設(shè)于凍脹敏感性土中的樁在凍脹作用下可能會(huì)發(fā)生凍拔破壞，造成上部建筑物出現(xiàn)安全隱患。例如：輸電線塔基的凍拔導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的傾斜、光伏發(fā)電系統(tǒng)螺旋樁的凍拔破壞及樁基凍拔造成建筑物墻面的破裂等[2-4]。因此，在季節(jié)凍土區(qū)的工程建設(shè)中，樁基的抗凍拔研究是保障上部建筑物安全的先行條件，也是寒區(qū)工程的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

樁在凍拔作用下常表現(xiàn)出整體拔出和樁身局部拔斷的現(xiàn)象。為防止樁的凍拔破壞，寒區(qū)工程中常采用的方法有：將樁側(cè)凍脹敏感性土換填為弱凍脹或不凍脹的巖土材料，控制季節(jié)凍土區(qū)樁周溫度場(chǎng)[5]，將樁基表面處理光滑以減小樁身受到的凍拔力[6]，以及使用錐形樁、螺旋樁及擴(kuò)大式樁基礎(chǔ)[7-9]等具有錨固效果等形式的樁以防止樁凍拔。其中，采用擴(kuò)底形式的樁可以有效抵抗凍拔力對(duì)樁穩(wěn)定性的影響。相比于普通直樁，在上拔荷載作用下擴(kuò)底樁能夠很大幅度地提高其上拔承載力[10]，保證樁的抗拔穩(wěn)定性。樁土破壞機(jī)理為擴(kuò)底樁的上拔可導(dǎo)致樁周土的減壓軟化和損傷軟化，從而引起漸進(jìn)性破壞[11]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)擴(kuò)底樁的抗拔性能做了大量試驗(yàn)研究、理論分析及數(shù)值模擬研究。

Dickin等[12-13]通過(guò)離心試驗(yàn)研究了不同埋深與擴(kuò)底直徑比、擴(kuò)底直徑、回填土密度、擴(kuò)底直徑與樁身直徑比及擴(kuò)角等影響因素下擴(kuò)底樁的抗拔性能，同時(shí)進(jìn)行了相同條件下等截面直樁的研究；結(jié)果表明，擴(kuò)底樁的抗拔能力隨著埋深與擴(kuò)底直徑的比值及回填土密度的增大而增大，隨著擴(kuò)角的增大而降低。陳仁朋等[14]采用大比例尺模型試驗(yàn)研究了擴(kuò)底樁在不同土體飽和度下的抗拔能力，結(jié)果表明土體飽和度從49%增加至100%時(shí)，擴(kuò)底樁的極限上拔承載力降低至原來(lái)的30%～50%。Sego等[15]將擴(kuò)底樁的應(yīng)用研究引入到多年凍土區(qū)，通過(guò)理論方法預(yù)測(cè)了擴(kuò)底樁在富冰多年凍土區(qū)的承載性能。王曉黎[16]通過(guò)靜載試驗(yàn)，比較了擴(kuò)底樁與直孔樁的抗拔能力，結(jié)果表明擴(kuò)底樁的抗拔能力要高于直孔樁。酈建俊[17]、Lin[18]等采用極限平衡法，假定擴(kuò)底樁-土破壞面形式，推導(dǎo)得到擴(kuò)底樁極限上拔力的理論解。Zhang等[19]改進(jìn)了擴(kuò)底樁承載力計(jì)算模型，將抗拔樁的樁土相互作用歸結(jié)為1階常微分方程組在特定邊界條件約束下的定解問(wèn)題，求解得出樁身內(nèi)力及變形值。吳江斌等[20]建立了等截面樁與擴(kuò)底樁的抗拔分析有限元模型，研究了上拔過(guò)程中軸力、側(cè)摩阻力的大小與分布，以及樁身與擴(kuò)大頭附近土體變形與塑性區(qū)的發(fā)展規(guī)律。常林越等[21]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)擴(kuò)底樁的抗拔承載特性、破壞模式和受力機(jī)制開展了分析研究。

樁-土界面的凍結(jié)條件、土體凍脹性能、凍脹過(guò)程中各力的變化情況等因素對(duì)普通樁基和擴(kuò)底樁凍拔性能同樣重要。但和普通樁基不同的是，擴(kuò)底樁在凍拔力作用下擴(kuò)大頭可擠壓其上部土體而形成錨固作用，因此擴(kuò)底樁有著結(jié)構(gòu)性的優(yōu)勢(shì)抵抗樁的凍拔。然而，目前擴(kuò)底樁的研究多集中于非凍土區(qū)或多年凍土區(qū)的抗拔承載性能，季節(jié)凍土區(qū)擴(kuò)底樁受到土體凍脹導(dǎo)致凍拔問(wèn)題的研究非常有限。本文通過(guò)在相同土質(zhì)和凍結(jié)條件下進(jìn)行不同樁型擴(kuò)底樁抗凍拔室內(nèi)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)土體內(nèi)部溫度及樁和樁周土位移變化規(guī)律，研究有無(wú)擴(kuò)底對(duì)樁凍拔性能的影響規(guī)律，以及不同擴(kuò)角、埋深及擴(kuò)底直徑擴(kuò)底樁凍拔過(guò)程的抗凍拔性能；基于此，對(duì)擴(kuò)底樁的抗凍拔性能及其影響因素進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)概況及方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)土樣基本性質(zhì)

試驗(yàn)土樣取自黑龍江省黑河市郊區(qū)，土樣天然干密度為1 540 kg/m3，液限含水率（WL）和塑限含水率（WP）分別為35.1%和22.8%，塑性指數(shù)（IP）為12.3，根據(jù)文獻(xiàn)[22]規(guī)定，土樣為粉質(zhì)黏土。通過(guò)土樣顆粒級(jí)配曲線（圖1）可以看出，由于試驗(yàn)土樣粉粒（0.050～0.005 mm）含量占32.1%，細(xì)顆粒含量較多，是一種凍脹敏感性土[23]。為更好地測(cè)試擴(kuò)底樁的抗凍拔性能，試驗(yàn)土樣含水率設(shè)定為34%。通過(guò)對(duì)不同含水率下的土樣進(jìn)行凍結(jié)溫度試驗(yàn)（圖2），得到試驗(yàn)土樣在含水率為34%時(shí)的凍結(jié)溫度約為-0.19℃。

圖1 土樣顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grading curve of test soil

圖2 凍結(jié)溫度隨含水率的關(guān)系Fig.2 Freezing temperaturevaring with water content

1.2 擴(kuò)底樁模型及樁幾何參數(shù)

模型樁采用混凝土預(yù)制而成，強(qiáng)度等級(jí)為C30。模型樁具體參數(shù)見表1。

表1 樁幾何參數(shù)Tab.1 Geometrical parametersof piles

為方便描述，將不同擴(kuò)角、埋深和直徑的擴(kuò)底樁代號(hào)分別用KJ、MS和KD表示，Z表示直樁，如擴(kuò)角為60°的樁用KJ60表示。采用單因子試驗(yàn)，僅對(duì)某一試驗(yàn)條件改變，如：不同擴(kuò)角擴(kuò)底樁試驗(yàn)采用的擴(kuò)角分別為45°、60°、70°，嚴(yán)格控制模型樁的埋深和擴(kuò)底直徑均相同。由于試驗(yàn)外部條件（溫度和含水率）相同，不同埋深和直徑擴(kuò)底樁兩組試驗(yàn)不再設(shè)直樁對(duì)比。

1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試元件布設(shè)方式

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)系統(tǒng)由小型模型試驗(yàn)箱、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和觀測(cè)系統(tǒng)組成（圖3）。其中：小型模型試驗(yàn)箱內(nèi)部尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為70 cm×70 cm×40 cm，箱體內(nèi)部自帶5 cm保溫層以減小凍結(jié)過(guò)程中溫度對(duì)試驗(yàn)箱側(cè)的影響。溫度控制系統(tǒng)包括兩臺(tái)制冷循環(huán)機(jī)和控制面板，可通過(guò)控制面板調(diào)節(jié)模型試驗(yàn)箱內(nèi)環(huán)境溫度，通過(guò)循環(huán)冷風(fēng)對(duì)小模型試驗(yàn)箱內(nèi)部空間進(jìn)行整體降溫，控溫范圍為-40～100℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由各種測(cè)試元件及其相應(yīng)的采集儀器共同組成，測(cè)試元件包括實(shí)驗(yàn)室自制溫度傳感器，控溫精度為±0.01℃；位移傳感器型號(hào)為NS-WY02，測(cè)量精度為±0.01 mm，對(duì)應(yīng)的數(shù)采儀分別選用DT80和CR3000。觀測(cè)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)采儀將溫度及位移的數(shù)據(jù)以信號(hào)的方式傳輸至電腦，進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并分析。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test system

樁及測(cè)試元件的平面布設(shè)方式如圖4（a）、（b）所示。樁的布設(shè)為等間距放置在試驗(yàn)箱內(nèi)，由于樁中心間距均大于3倍的平均樁底直徑，可忽略由群樁效應(yīng)帶來(lái)的影響[24]，故本文中所有樁均可按照單樁進(jìn)行分析。如圖4（c）所示：溫度傳感器沿深度方向每隔5 cm布設(shè)于每組試驗(yàn)擴(kuò)底樁樁側(cè)約4 cm的位置，試驗(yàn)箱外部放置一個(gè)溫度探頭測(cè)量降溫過(guò)程；位移傳感器分別布置在各樁樁頂及各樁樁側(cè)3、7、12 cm處，用以測(cè)量?jī)鼋Y(jié)過(guò)程中樁及樁側(cè)土的凍脹變化過(guò)程。

圖4 測(cè)試元件布置圖Fig.4 Arrangement diagram of test cells

1.4 試驗(yàn)步驟

1）試驗(yàn)準(zhǔn)備：首先，曬干并碾碎土樣，加水?dāng)嚢璩珊蕿?4%的濕土；然后，將足量的土體靜置48 h左右，以保證試驗(yàn)水樣分布均勻。在填土之前，將凡士林均勻涂抹在試驗(yàn)箱內(nèi)壁，盡可能減小凍結(jié)過(guò)程中土體與箱內(nèi)壁的摩擦。

2）填土：以天然干密度為填土質(zhì)量控制因素進(jìn)行分層。首先，鋪設(shè)約為6 cm的密實(shí)砂，以盡量減小樁在試驗(yàn)過(guò)程中的沉降，并在砂層上鋪設(shè)防水布。然后，將樁放置在預(yù)定位置后進(jìn)行填土，并布設(shè)測(cè)試元件，各層填土高度按照溫度傳感器的位置控制。頂層填筑完之后，在土體表層覆蓋塑料薄膜，以減少試驗(yàn)過(guò)程中土層表面的水分損失（圖5）。

圖5 填土及傳感器完成安裝圖Fig.5 Completion diagram of filling soils and installing sensor

3）測(cè)試過(guò)程：關(guān)閉測(cè)試驗(yàn)箱，并打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱內(nèi)部溫度至-15℃進(jìn)行凍結(jié)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程每5 min采集一次。

4）試驗(yàn)后處理：當(dāng)凍結(jié)深度至預(yù)期值（20 cm）時(shí)，關(guān)閉溫度控制系統(tǒng)，沿深度方向?qū)ν翗舆M(jìn)行含水量測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)束后，將打開試驗(yàn)箱門，讓土體在室溫環(huán)境下（約18℃）進(jìn)行融化。待土體完全融化后，將土體移除并觀測(cè)模型樁，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)底樁及直樁均未被拔斷。值得注意的是，第2、3組試驗(yàn)在進(jìn)行約40 h時(shí)，箱體內(nèi)部溫度出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，試驗(yàn)被迫中止。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 凍結(jié)過(guò)程

由于本文主要是基于擴(kuò)底樁的抗凍拔研究，因此，在溫度數(shù)據(jù)處理時(shí)僅考慮了凍結(jié)過(guò)程中的變化。將溫度數(shù)據(jù)以試驗(yàn)調(diào)節(jié)至-15℃時(shí)作為計(jì)算的初始值，基于溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到樁側(cè)各土層溫度隨時(shí)間及深度的關(guān)系（圖6）。如圖6所示，3組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的各土層溫度隨時(shí)間和深度的變化規(guī)律基本相似。隨著深度的增大，土層降溫幅度呈減小趨勢(shì)。隨著時(shí)間增大，土體內(nèi)部溫度整體降低；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，地表溫度可達(dá)-8℃左右，未凍結(jié)區(qū)的溫度接近0。

為確定3組試驗(yàn)凍結(jié)深度隨時(shí)間的變化規(guī)律，以各層探頭位置處的開始凍結(jié)時(shí)間為控制點(diǎn)，分別對(duì)3組試驗(yàn)各個(gè)時(shí)刻兩層土之間的凍結(jié)深度進(jìn)行線性插值，公式如下：

式中，hf為凍結(jié)深度，ha、hb分別為相鄰兩層溫度探頭埋深，Ta、Tb分別為兩探頭所對(duì)應(yīng)的溫度，Tf為凍結(jié)的溫度。

圖6 土層溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Temperature of each soil layer varying with time

圖7為凍結(jié)深度插值結(jié)果和計(jì)算得到的凍結(jié)速率隨時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，3組試驗(yàn)最終凍結(jié)深度分別為19.51、14.36、14.80 cm。凍結(jié)深度隨著時(shí)間呈階梯型發(fā)展，主要是由于冰透鏡體的形成是不連續(xù)的，在形成一層冰透鏡體后，一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)的土顆粒間不能形成冰透鏡體。此外，隨著距離的增加，上一層分凝冰壓密效應(yīng)減弱，孔隙比的改變量減小，冰晶能輕松分離土顆粒，沒有形成隔水層，水分大量遷移到此處，形成下一層的分凝冰[25]，故土樣的凍結(jié)速率呈多峰值發(fā)展規(guī)律。

圖7 凍結(jié)深度及凍結(jié)速率隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.7 Frozen depth and freezing ratevarying with time

2.2 樁頂凍拔量

采用樁頂無(wú)荷載形式，僅研究在凍拔作用下直樁和不同幾何尺寸樁的抗凍拔效果。樁的凍拔過(guò)程可以分為兩個(gè)階段：第1階段為無(wú)明顯凍拔階段，樁-凍土相互作用產(chǎn)生的切向凍脹力小于樁的自重、樁-未凍土間的摩阻力及擴(kuò)大頭錨固力3種力的合力。第2階段為穩(wěn)定凍拔階段，切向凍脹力大于上述3種力的合力而表現(xiàn)出樁發(fā)生明顯的凍拔現(xiàn)象。樁的凍拔量隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖8所示。第1組試驗(yàn)（圖8（a））中，不同擴(kuò)角對(duì)樁的影響較小，且3根樁的最終凍拔量基本無(wú)差別；比較擴(kuò)底樁和直樁的凍拔量隨時(shí)間的變化規(guī)律，擴(kuò)底樁起始凍拔所需時(shí)間長(zhǎng)，且凍拔幅度明顯小，其最終凍拔量?jī)H為直樁凍拔量的28.3%，說(shuō)明在整個(gè)凍拔階段擴(kuò)大頭均起到很重要的抗凍拔作用。第2組試驗(yàn)（圖8（b））中，由于埋深較淺、自重較輕，MS240和MS290樁相繼出現(xiàn)凍拔現(xiàn)象，兩樁的凍拔幅度基本一致；MS340最后出現(xiàn)凍拔，在穩(wěn)定凍拔階段，MS340的凍拔幅度略小于埋深較淺的兩樁；3根樁的埋深差量相同，但埋深較淺的兩樁的凍拔量差距較小，且遠(yuǎn)大于（相對(duì)）埋深最大樁的凍拔量，說(shuō)明隨著樁的埋深等比例減小，其凍拔量并非按照等比例增大，埋深較淺的兩樁擴(kuò)底的錨固性能發(fā)揮相當(dāng)。第3組試驗(yàn)（圖8（c））中，與第2組試驗(yàn)凍拔量隨著埋深變化的規(guī)律不一致，隨著擴(kuò)底直徑等比例增大，穩(wěn)定凍拔階段內(nèi)樁的凍拔量基本為等比例增大；當(dāng)擴(kuò)底直徑達(dá)到114 cm時(shí)，樁的凍拔量及其增幅均很小。

圖8 樁凍拔量隨時(shí)間的變化Fig.8 Frost jacking amount of pilevarying with time

圖9為樁凍拔量隨凍結(jié)深度及凍結(jié)速率的變化規(guī)律。從圖9可以看出：樁的凍拔量變幅隨土凍結(jié)深度的增大呈階梯型增大，且凍拔幅度在各階梯段不一致。樁在起始凍拔階段的凍拔幅度明顯大于后期階梯段對(duì)應(yīng)的凍拔幅度；隨著凍深的繼續(xù)增大，樁的凍拔幅度呈減小趨勢(shì)（圖9（a）、（b））。對(duì)于第3組試驗(yàn)（圖9（c）），由于樁出現(xiàn)凍拔較晚，這種關(guān)系并不明顯。3組試驗(yàn)中，樁的凍拔量隨土的凍結(jié)速率變化均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且存在明顯的拐點(diǎn)，主要是由凍結(jié)過(guò)程中冰透鏡體的不連續(xù)形成而導(dǎo)致的。在凍結(jié)過(guò)程中，土體的凍結(jié)速率較快時(shí)，水分遷移速率較慢，形成少量不連續(xù)的分凝冰，不利于凍脹的發(fā)生，此時(shí)作用于樁身上的切向凍脹力較小，樁的凍拔幅度較緩；相反，凍結(jié)速率較慢時(shí)，未凍區(qū)的水分有充足的時(shí)間遷移至凍結(jié)鋒面而發(fā)生凍結(jié)膨脹，促使末冰透鏡體快速生長(zhǎng)[26]，此時(shí)作用于樁身上的切向凍脹力較大，加大了樁的凍拔。

圖10給出了各組試驗(yàn)樁的凍拔速率隨凍結(jié)深度的變化過(guò)程。3組試驗(yàn)表現(xiàn)出的規(guī)律基本相同：凍拔初期，各樁凍拔速率隨著凍深的增大而快速增大；隨著凍結(jié)深度的繼續(xù)增大，凍拔速率不同程度減小。比較直樁和擴(kuò)底樁的凍拔速率沿凍結(jié)深度的分布情況由圖10（a）可以看出：直樁的凍拔速率始終比擴(kuò)底樁的大，隨著凍結(jié)深度的增大，直樁的凍拔速率率先增大到峰值，然后明顯減小，說(shuō)明作用在直樁樁身上的切向凍脹力先增大后逐漸趨于穩(wěn)定；對(duì)于擴(kuò)底樁，其凍拔速率在達(dá)到峰值后緩慢減小，說(shuō)明在凍拔過(guò)程中，作用在樁身上的切向凍脹力和擴(kuò)底產(chǎn)生的錨固力形成對(duì)撞，但切向凍脹力始終占據(jù)主導(dǎo)作用力，因此擴(kuò)底樁的凍拔速率在峰值后呈緩慢減小的趨勢(shì)。對(duì)于第2、3組試驗(yàn)（圖10（b）、（c）），由于不同埋深和擴(kuò)底直徑，以及試驗(yàn)過(guò)程中其他因素的干擾，凍拔速率峰值出現(xiàn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的凍結(jié)深度也不一致，但隨著凍拔深度增大，呈現(xiàn)出的規(guī)律較為一致。

圖9 樁凍拔量隨凍結(jié)深度及凍結(jié)速率的變化Fig.9 Frost jacking amount of pile varying with frozen depth and freezing rate

2.3 樁側(cè)土體凍脹變形

圖10 樁的凍拔速率隨凍深的變化Fig.10 Fr ost jacking r ate of pile var ying with fr ozen depth

在沒有任何約束的情況下，土體的凍脹為自由凍脹。由于樁和土的材料性質(zhì)不同，樁的存在對(duì)土的凍脹形成約束，稱為約束凍脹[27]，其表現(xiàn)形式為樁-凍土界面的凍脹往往很小，隨著距離樁越遠(yuǎn)，土的凍脹越接近自由凍脹。產(chǎn)生約束凍脹的原因是凍拔作用產(chǎn)生的切向凍脹力超過(guò)凍結(jié)力時(shí)，靠近樁基的土層產(chǎn)生向上位移，但由于凍結(jié)力的作用，位移量要比不受此限制的較遠(yuǎn)土層小得多[28]。由于篇幅關(guān)系，本文僅給出Z和KJ60樁周土的凍脹量隨時(shí)間的規(guī)律（圖11（a）、（b）），其余樁周土發(fā)展規(guī)律類似。由圖11（a）可以看出：直樁在穩(wěn)定凍拔階段的凍脹變化規(guī)律和樁周土的凍脹變化規(guī)律較為一致；直樁樁側(cè)3 cm位置的凍脹量較7和12 cm位置處小，但7和12 cm位置處的凍脹變形在幅度和大小上均保持一致。由圖11（b）可知，擴(kuò)底樁樁側(cè)3 cm土表在樁的約束下，凍脹幅度比7和12 cm處的土體凍脹幅度緩慢，7 cm處的凍脹幅度略小于12 cm處的凍脹幅度。相比于直樁，擴(kuò)底樁對(duì)樁周土的凍脹約束大于直樁，且約束的范圍更大。

圖11 樁側(cè)土凍脹量隨時(shí)間變化曲線Fig.11 Frost heaving amount of soil adjacent to pile varying with time

基于上述分析，假定樁-凍土接觸界面在凍拔穩(wěn)定階段沒有相對(duì)滑動(dòng)，樁側(cè)土的最終凍脹變形隨樁側(cè)距離的變化規(guī)律如圖12所示。由圖12可知：樁對(duì)樁側(cè)土的約束凍脹主要表現(xiàn)在其對(duì)樁側(cè)土的凍脹量大小的影響，約束越大，凍脹量越?。徽w上，樁側(cè)土在樁的約束下形成“漏斗狀”，隨著樁側(cè)距離的增大，約束減小。因此，可將樁側(cè)土的約束凍脹分為兩個(gè)區(qū)域：1）強(qiáng)約束區(qū)。這個(gè)區(qū)域內(nèi)土的凍脹量隨著樁側(cè)距離增大而較大幅度增大。2）弱約束區(qū)。此區(qū)域內(nèi)土的凍脹量隨著樁側(cè)距離的增大，凍脹增幅較小或不變。第1組試驗(yàn)結(jié)果表明（圖12（a））：樁側(cè)距離7 cm內(nèi)，土的凍脹幅度明顯較大；樁側(cè)距離大于7 cm時(shí)，土的凍脹增幅減小。3根擴(kuò)底樁對(duì)樁側(cè)土的凍脹約束規(guī)律基本一致。比較擴(kuò)底樁和直樁，強(qiáng)約束區(qū)內(nèi)擴(kuò)底樁較直樁對(duì)樁側(cè)土的約束大，弱約束區(qū)內(nèi)擴(kuò)底樁和直樁對(duì)樁側(cè)土的凍脹約束相當(dāng)。第2組試驗(yàn)表明（圖12（b））：凍脹約束兩個(gè)區(qū)的交點(diǎn)仍在7 cm處；整體而言，隨著樁的埋深增大，樁對(duì)樁側(cè)土的凍脹約束影響增大。第3組試驗(yàn)表明（圖12（c））：凍脹約束兩個(gè)區(qū)的交點(diǎn)在5 cm左右；整體而言，隨著擴(kuò)底直徑的增大，樁對(duì)樁側(cè)土的凍脹約束影響同樣增大。

圖12 樁側(cè)土最終凍脹量隨距離的變化規(guī)律Fig.12 Ultimate frost heaving amount of soil adjacent to pile varying with distance to pile

3 擴(kuò)底樁抗凍拔性能及其影響因素分析

影響樁凍拔的因素不僅是樁型，還應(yīng)考慮土的凍結(jié)深度及凍結(jié)速率的變化對(duì)樁凍拔的影響。樁的凍拔幅度隨著凍結(jié)深度的變化呈階梯型關(guān)系，隨著凍結(jié)速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。試驗(yàn)過(guò)程中，很難把控每組試驗(yàn)土的凍結(jié)速率的一致性，可能導(dǎo)致不同組土體的凍脹規(guī)律和樁的凍拔規(guī)律出現(xiàn)差異。為了盡可能消除這種差異，定義樁的凍拔量增量和樁側(cè)土的凍結(jié)速率比在凍結(jié)時(shí)間內(nèi)的平均值為抗凍拔因子，用以描述樁的抗凍拔性能，公式如下：

式中，N為抗凍拔因子，tf為樁起始凍拔至結(jié)束的時(shí)間，ΔVft和Δh分別為兩相鄰時(shí)刻之間土的平均凍結(jié)速率和樁凍拔量的增量。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 樁抗凍拔因子Tab.2 Anti-frost jacking factors of piles

計(jì)算結(jié)果表明抗凍拔因子越小，樁的抗凍拔效果越好，當(dāng)抗凍拔因子為0時(shí)，樁為全錨固狀態(tài)，不會(huì)隨著土的凍脹而凍拔。對(duì)于第1組試驗(yàn)：計(jì)算得到的直樁抗凍拔因子最大，因此直樁的抗凍拔效果比擴(kuò)底樁差；隨著擴(kuò)底樁擴(kuò)角增大，3個(gè)不同擴(kuò)角的抗凍拔效果接近，因此在3個(gè)樁的埋深及擴(kuò)底直徑相同情況下，擴(kuò)角的變化并不能明顯改變樁的抗凍拔性能。對(duì)于第2組試驗(yàn)，隨著埋深的增大，擴(kuò)底樁的抗凍拔能力增強(qiáng)，但埋深240和290 mm擴(kuò)底樁的抗凍拔能力相近?？赡苁怯捎诼裆?40 mm的擴(kuò)底樁更接近凍結(jié)深度，擴(kuò)底的錨固效果發(fā)揮得更明顯。對(duì)于第3組試驗(yàn)，擴(kuò)底直徑的增大直接增大了擴(kuò)底上表面與土的接觸面積，因此隨著擴(kuò)底直徑增大，擴(kuò)底樁的抗凍拔能力明顯增大；當(dāng)擴(kuò)底直徑為114 mm時(shí)，擴(kuò)底樁幾乎能達(dá)到完全錨固狀態(tài)。綜合比較每個(gè)樁的抗凍拔因子，影響擴(kuò)底樁抗凍拔性能最主要的因素為擴(kuò)底直徑，其次為樁的埋深，影響最小的為樁擴(kuò)角。

4 結(jié) 論

在季節(jié)凍土區(qū)，負(fù)溫條件下樁基常會(huì)受到凍拔破壞。本文將非凍土區(qū)常用的擴(kuò)底樁應(yīng)用到季節(jié)凍土區(qū)，并進(jìn)行了影響擴(kuò)底樁抗凍拔穩(wěn)定性因素的試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與分析，得到以下結(jié)論：

1）相比于直樁，擴(kuò)底樁初始凍拔時(shí)間晚，凍拔幅度小，且最終凍拔量?jī)H為直樁的28.3%，說(shuō)明季節(jié)凍土區(qū)使用擴(kuò)底樁能夠有效抵抗凍拔帶來(lái)的不利影響。

2）直樁對(duì)樁側(cè)土的凍脹約束小于擴(kuò)底樁，間接說(shuō)明了擴(kuò)底樁的抗凍拔能力優(yōu)于直樁。擴(kuò)角對(duì)樁側(cè)土的約束凍脹影響較小，隨著埋深及擴(kuò)底直徑的增大，樁對(duì)樁側(cè)土的凍脹約束也增大。

3）樁的凍拔量隨凍結(jié)速率的增大而變化緩慢，據(jù)此定義了評(píng)估樁抗凍拔性能的抗凍拔因子。結(jié)果表明，擴(kuò)角對(duì)樁的抗凍拔能力影響較小，埋深和擴(kuò)底直徑的增大可提高樁的抗凍拔能力。