考慮非對稱凍結(jié)的塔桿基礎(chǔ)模型實(shí)驗(yàn)研究

熊維林，葛洪林，富海鷹

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

諸如高速鐵路、公路等線路網(wǎng)在穿越季凍區(qū)時，由于地基土受到持續(xù)多年凍結(jié)作用，導(dǎo)致這些地區(qū)的主要電力線路的塔桿基礎(chǔ)存在嚴(yán)重的凍拔問題。特別地，對于存在斜坡的非對稱凍結(jié)情況，電線桿不僅會發(fā)生向上拔起的現(xiàn)象還會發(fā)生轉(zhuǎn)動傾斜現(xiàn)象，如圖1所示典型工程。由于塔桿樁基位于路基邊坡頂部，在常年季凍條件下不僅存在拔起，還逐漸表現(xiàn)出明顯的向坡面傾斜的位移趨勢。該案例揭示了一種由凍拔力和水平凍脹力疊加作用導(dǎo)致的變形模式(變形簡化力學(xué)機(jī)理示意圖如圖1)。凍拔是由于負(fù)溫的影響，凍土與樁身膠結(jié)在一起，形成一定凍結(jié)強(qiáng)度，緊接著隨土體凍脹，產(chǎn)生的切向凍脹力驅(qū)動樁克服自重、上部荷載以及樁土間摩擦力向上拔起。而側(cè)向傾斜則是由于斜坡的土體受到凍結(jié)作用發(fā)生體積膨脹對樁側(cè)存在擠壓效果進(jìn)而產(chǎn)生了水平力，該水平力作用于樁側(cè)朝向遠(yuǎn)離坡面，使得樁發(fā)生了側(cè)向傾斜。因此，該變形模式存在2類位移，此類變形模式會進(jìn)一步導(dǎo)致拉線崩斷以及拉線受力不均勻造成桿塔傾斜甚至傾覆等病害，不僅導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失還會引發(fā)安全問題。因此，研究存在斜坡的非對稱凍結(jié)情況的樁基變形特性以及其力學(xué)機(jī)理，對輸電塔工程的安全和維護(hù)具有工程價(jià)值。多年來，國內(nèi)外學(xué)者通過模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論解析等方法，對樁基凍脹做了大量的研究，得出了豐富的成果。早在1985年，PCHELINTSEV等[1-2]就研究了如何測定季凍區(qū)樁基的切向凍脹力和法向凍脹力，并提出切向凍脹力和法向凍脹力具有聯(lián)合響應(yīng)，同時建議，為了防止冬季在凍脹土壤上建造的樁基發(fā)生故障，有必要在規(guī)范中考慮分析作用在樁上的凍脹力超過其斷裂強(qiáng)度的情況。針對輸電線路塔桿基礎(chǔ)，LYAZGIN等[3?5]考慮了在不利的自然和氣候條件下，控制決定結(jié)構(gòu)柱基運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的主要因素的方法，使得塔桿樁基免受凍脹的危害。近年來，國內(nèi)外學(xué)者，基于實(shí)測數(shù)據(jù)或理論方法集中討論了穿越多年凍土區(qū)的鐵路輸電線路塔樁基礎(chǔ)受凍拔的影響，以及路基凍脹變形規(guī)律，研究結(jié)論推動了提高凍土區(qū)鐵路輸電線路塔樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性的發(fā)展[6?10]。也有學(xué)者以理論為基礎(chǔ)，首次導(dǎo)出了凍脹力的三維時空分布，并且揭示了寒區(qū)凍土層退化后，樁基趨于不穩(wěn)定[11?12]。TONG等[13]通過試驗(yàn)測出了在凍結(jié)過程中作用于樁基側(cè)面的土體水平凍脹力，而且還從實(shí)驗(yàn)中得出影響水平凍脹力的2個主要因素是溫度和含水量。隨著工程技術(shù)的進(jìn)步，為減輕凍脹對路基以及樁基的病害，涌現(xiàn)大量的抗凍技術(shù)。部分學(xué)者提出以螺旋桿樁抵抗凍拔，并研究了不同類型以及工況下螺旋桿樁的抗凍拔效應(yīng)，還設(shè)計(jì)了新型的多年凍土保護(hù)裝置[14?15]。在理論研究方面，也有學(xué)者開始討論更加完善的樁基凍脹計(jì)算模型以及預(yù)測凍脹量的方法，利用提出的計(jì)算方法所得結(jié)果與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬以及工程算例吻合較好[16?17]。

圖1 典型塔桿變形與其簡化力學(xué)機(jī)理示意圖Fig.1 Diagram of typical column deformation and its simplified mechanical mechanism

上述研究較為系統(tǒng)地提出了凍脹樁基的研究方法，以及解決凍脹樁基病害問題的方案，研究結(jié)果極大地促進(jìn)了凍脹樁基的穩(wěn)定性發(fā)展。需要指出的是，雖然學(xué)者們已經(jīng)研究出相較其他基礎(chǔ)有明顯抗凍拔優(yōu)勢的樁基，但大多基于對稱凍結(jié)條件研究凍脹作用，對于非對稱凍結(jié)條件下路基以及樁基特性的討論仍不夠充分，這將影響實(shí)際工況下抗凍拔措施的決策。因此，本文通過模型實(shí)驗(yàn)對路基邊坡坡頂設(shè)有樁基的模型進(jìn)行連續(xù)非對稱凍結(jié)，同時監(jiān)測樁的凍拔位移、側(cè)向位移以及溫度場的發(fā)展規(guī)律，并且發(fā)明和試驗(yàn)了一種非對稱擴(kuò)底錐形樁，對季節(jié)性凍土區(qū)樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)與防凍害措施具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 土樣性質(zhì)與實(shí)驗(yàn)原理

本文選用的凍脹實(shí)驗(yàn)土樣為易凍結(jié)土，取土點(diǎn)位于高海拔凍土區(qū)青藏鐵路西格段項(xiàng)目施工現(xiàn)場，經(jīng)過處理后，僅留下小于等于0.075 mm的細(xì)顆粒部分，為重塑土。土顆粒最大干密度1.652 5 g/cm3，最優(yōu)含水率20.225%，液塑限分別為31.51%與20.03%，土體在最優(yōu)含水率狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)土的工程分類指標(biāo)，該土定義為粉質(zhì)黏土。同時，為了估算凍深，對土樣進(jìn)行凍結(jié)溫度實(shí)驗(yàn)，得到該土樣在最優(yōu)含水率時的凍結(jié)溫度為?0.12℃[18]。依據(jù)圖1的典型工程案例所簡化的力學(xué)作用機(jī)理，本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的室內(nèi)模型試驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)材料主要包含帶邊坡的填土路基，樁，以及冷板，樁的布置位置設(shè)置于路基邊坡坡頂。實(shí)驗(yàn)方案簡化的示意圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental scheme

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)施及過程

試驗(yàn)采用臥式冰箱作為試驗(yàn)箱(圖3)，其內(nèi)部幾何尺寸為1 750 mm×680 mm×650 mm。為保證二維凍結(jié)同時滿足模型尺寸，四周采用保溫板鑲嵌，模型樁垂直埋設(shè)于試驗(yàn)箱中，并從頂板1個孔中穿出(圖4)。頂板分為2塊，路基表面頂板水平放置于填土表面，路基邊坡頂板貼合坡面放置，2個冷浴循環(huán)機(jī)(如圖3，溫度波動范圍：?20～1 00℃，精度：±0.05℃)與之相連，以持續(xù)提供負(fù)溫條件。試驗(yàn)箱的頂部覆蓋隔熱材料，使箱中形成穩(wěn)定的凍結(jié)溫度場。實(shí)驗(yàn)開始前將2塊頂板溫度調(diào)為5.5℃，持續(xù)96 h，使土體的初始溫度穩(wěn)定在5.5℃左右。實(shí)驗(yàn)開始后分別調(diào)整頂板溫度至?10，?15和?20℃進(jìn)行試驗(yàn)，同時，打開冰柜開始運(yùn)行以達(dá)到保持環(huán)境溫度的效果。該方法相比自然環(huán)境溫度易于控制且更加穩(wěn)定(溫度控制在?3℃～?1.5℃，并且實(shí)驗(yàn)期間一直控制冰柜在該溫度范圍)。在上一個溫度加載條件下，土體溫度穩(wěn)定后緊接著進(jìn)行下一個溫度加載條件試驗(yàn)，期間讀取凍拔位移、側(cè)向位移以及溫度數(shù)據(jù)。

圖3 主要實(shí)驗(yàn)儀器Fig.3 Main experimental instruments

圖4 冰箱頂部俯視示意圖Fig.4 Top view of refrigerator

在本次室內(nèi)模型試驗(yàn)中，選用按10:1等比例縮小的土體模型以及模型樁進(jìn)行分析，包括2種類型的樁(圖5)。模型樁的相關(guān)尺寸參數(shù)見表1，其中D為直徑，h為樁長，R為底盤半徑。

表1 模型樁參數(shù)Table 1 Model pile parameters

圖5 2種模型樁Fig.5 Two kinds of model piles

1.3 實(shí)驗(yàn)方案與儀器布置

試驗(yàn)箱中的傳感器布設(shè)見圖6。使用靈敏度高的№溫控電阻傳感器測量溫度，精度±0.1Ω，然后通過計(jì)算公式轉(zhuǎn)換間接計(jì)算溫度。電阻傳感器共分2列，埋設(shè)于樁身附近，2列與樁身間距分別為8 cm和16 cm，每列傳感器上下間隔5 cm，底層傳感器與樁頭齊平，一共12個，分別連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DT80G)。在凍結(jié)試驗(yàn)進(jìn)行時，凍拔位移與側(cè)向位移分別使用一個固定于樁頂?shù)呢Q向位移百分表和一個固定于樁側(cè)的側(cè)向位移百分表測量(圖6)，試驗(yàn)方案見表2?？紤]3種頂板溫度加載條件連續(xù)下降，凍拔位移與側(cè)向位移同時測量。

圖6 溫度傳感器布置圖Fig.6 Layout of temperature sensor

表2 實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental scheme

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度場

如圖8所示，本文采用階段加載設(shè)置的方式對溫度進(jìn)行加載，具體分為3個加載階段，且3個階段連續(xù)加載。其中，第1階段采用?10℃的負(fù)溫條件加載，第2和第3加載階段分別采用?15℃和?20℃加載。圖9為工況1各個加載階段的2列溫度?時間曲線。整體而言，3種負(fù)溫度條件下的溫度場?時間曲線分布規(guī)律不同，土體溫度隨時間變化呈階梯型。最終土體溫度在距離樁身16 cm處動態(tài)平穩(wěn)在?9.5～?10.3℃范圍內(nèi)，平均下降15～15.8℃，而距離土體8 cm處則動態(tài)平穩(wěn)于?10.1～?11.6℃范圍內(nèi)，平均下降15.6～17.1℃。加載過程中，初始試驗(yàn)時，土體達(dá)到溫度穩(wěn)定所需時間較長，達(dá)225 h，2列數(shù)據(jù)皆穩(wěn)定在?4～?7℃的范圍，平均下降9.5～12.5℃。但達(dá)到冰點(diǎn)后土體溫度穩(wěn)定所需時間僅為初始試驗(yàn)時的一半，并且下降溫度相對值較小，僅為2～2.5℃。

圖8 溫度加載曲線Fig.8 Temperature loading curve

圖9 工況1溫度?時間曲線Fig.9 Temperature-time curves of working condition 1

數(shù)據(jù)顯示，達(dá)到穩(wěn)定階段時，遠(yuǎn)離樁身(即近模型邊界處)的溫度略微低于近距離樁身(即趨近于模型中心處)溫度。這說明在持續(xù)非對稱凍結(jié)條件下樁周的溫度場分布不均勻，并且模型邊界處的土體更容易凍結(jié)。具體的，對于頂板溫度條件在?10℃時，整個土體溫度場的變化規(guī)律在埋深較大處大概分為4個階段：初始溫度下降最快且持續(xù)時間較短，然后出現(xiàn)溫度“平臺”，緊接著下降率開始逐步增加并且呈現(xiàn)下降速率平穩(wěn)的階段，這個階段持續(xù)時間最長，最后迅速趨于平穩(wěn)狀態(tài)階段。而深度較淺的土體則不存在溫度“平臺”。

將頂板溫度降低為?15℃后，此時，土體溫度數(shù)據(jù)變化規(guī)律與初始不同，顯示為5個階段：首先快速下降到某一低溫，存在這樣的階段變化，是由于土體的過冷溫度所致。緊接著發(fā)生短暫的溫度上升階段，上升到某一溫度同樣是短暫的平穩(wěn)，然后開始逐漸下降，最終隨時間演化達(dá)到動態(tài)平衡。然而，頂板溫度降低到?20℃后，溫度變化規(guī)律則縮減為3個階段，相比前一溫度條件數(shù)據(jù)，維持平穩(wěn)階段消失，這與土體含水率緊密相關(guān)。由于在土體經(jīng)過了前2個負(fù)溫條件凍結(jié)后，含水率大大降低，再次降低溫度凍結(jié)量降低，僅少部分自由水可凍結(jié)，在?20℃的凍結(jié)溫度下，很快開始下降。

圖10為溫度隨深度的分布曲線，由圖10可知，土體在頂板溫度為?10℃的條件下，凍深就已超過30 cm，即樁底至路基表面土體完全凍結(jié)。具體的，距樁身8 cm處，在144 h后樁底以上土體基本完全凍結(jié)，凍結(jié)后的土體溫度呈線性降低，未凍結(jié)層呈對數(shù)降低，且104 h后路基面以下10 cm厚的土層溫度相同。而距樁身16 cm處，在128 h后樁底以上土體就已經(jīng)基本完全凍結(jié)，凍結(jié)后的土層和未凍結(jié)層溫度皆呈對數(shù)降低。隨著頂板溫度條件的不斷下降，樁底溫度也不斷下降，土體凍深逐漸增大。

圖10 溫度-深度曲線Fig.10 Temperature-depth curves

由于工況2除改變模型樁以外其他一切條件皆與工況1相同，因此，實(shí)驗(yàn)所得溫度場數(shù)據(jù)與工況1規(guī)律相同。

2.2 位移分析

2.2.1 工況1結(jié)果分析

圖11為工況1位移?時間曲線，豎向位移百分表和側(cè)向位移百分表布置見圖7。

圖7 位移測量示意圖Fig.7 Schematic diagram of displacement measurement

圖11 工況1位移-時間曲線Fig.11 Displacement time curves of working condition 1

在分階段非對稱凍結(jié)條件下，2類位移都在土體溫度穩(wěn)定后逐漸趨于穩(wěn)定。在初始負(fù)溫的作用下，樁基凍拔量以及側(cè)向偏移量10 h左右開始出現(xiàn)。穩(wěn)定后的量值都較大，達(dá)0.53 mm和0.2 mm。土體達(dá)到冰點(diǎn)后，即降低凍結(jié)溫度至?15℃和?20℃后的實(shí)驗(yàn)，樁的凍拔以及側(cè)向位移增量減小。對于?15℃的條件，凍拔和側(cè)向位移增量僅0.24 mm和0.043 mm，占初始位移的48%和21.5%。而頂板溫度條件再次降低到?20℃后，樁基凍拔和側(cè)向位移增量為0.125 mm和0.02 mm，僅占初始數(shù)據(jù)的23.58%和10%。整體凍拔量最終達(dá)到了0.826 mm，側(cè)向位移為0.263 mm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不斷進(jìn)行負(fù)溫加載，對土體進(jìn)行連續(xù)凍結(jié)后，樁基凍拔量以及側(cè)向位移增量逐漸減小。這是因?yàn)橥馏w中大部分水分已經(jīng)凍結(jié)，再持續(xù)降低溫度凍結(jié)增量減小，凍脹量減小，凍深也維持穩(wěn)定。

對比各階段凍拔位移與側(cè)向位移規(guī)律：初始時，凍拔位移以及側(cè)向位移隨時間呈單調(diào)上升的趨勢。后續(xù)加載階段，則隨時間變化存在位移曲線平臺，具體表現(xiàn)在加載初期以及加載結(jié)束的一段時間內(nèi)。存在這樣的現(xiàn)象主要是歸結(jié)于土體凍深的改變。初始時，土體水分含量較多，可凍結(jié)量較大，凍脹率大，凍深改變較快，因此幾乎不存在位移曲線平臺。而后續(xù)加載階段中，由于初始溫度的加載使得土體溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，凍深也達(dá)到穩(wěn)定，因此2類位移隨即達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)位移平臺，在下一溫度加載條件開始時，由于凍深還未及時改變，位移平臺會穩(wěn)定一定時間，而新的加載條件下位移同樣會達(dá)到穩(wěn)定而出現(xiàn)平臺。

最后從位移隨溫度的變化規(guī)律看，樁基產(chǎn)生位移的原因可以歸結(jié)于凍結(jié)完成時，由于體積膨脹作用，凍深范圍以內(nèi)的土體體積膨脹，對樁身形成豎向以及水平擠壓、豎向拉拔作用，同時產(chǎn)生切向和法向凍脹力，且切向凍脹力對抗拔樁影響較大，因此凍拔位移較大。數(shù)據(jù)顯示溫度下降越快，2類位移的增加越明顯，后逐漸趨于穩(wěn)定。分析認(rèn)為，該種變化形式主要與土體的凍脹量隨溫度的變化規(guī)律有關(guān)，凍脹溫度越低凍脹越明顯，凍脹深度越深，凍脹作用越明顯，樁頂水平豎向位移越大，土體溫度穩(wěn)定后該溫度下的凍結(jié)全部完成，位移隨之穩(wěn)定。但當(dāng)樁身完全處于凍深范圍內(nèi)時，凍脹量逐漸減小。分析認(rèn)為，當(dāng)凍深超過一定范圍，整體凍脹量增長速率減緩，對樁結(jié)構(gòu)的切向凍脹力以及法向凍脹力增長速率也減緩。

圖12 非對稱擴(kuò)底錐形樁示意圖Fig.12 Schematic diagram of asymmetric belled tapered pile

為減小凍拔量以及測向偏移，本文發(fā)明了一種非對稱擴(kuò)底錐形樁。設(shè)計(jì)樁示意圖如圖11所示，該樁的作用原理是：樁底凸臺抵抗切向凍脹力，減小樁的凍拔量，遠(yuǎn)離斜坡的凸臺相對靠近斜坡凸臺多余的部分抵抗轉(zhuǎn)動傾斜力，減小樁的側(cè)向位移。本實(shí)驗(yàn)采用圖5的2號模型樁模擬該樁作用效果。

2.2.2 工況2結(jié)果分析

圖13為采用非對稱擴(kuò)底錐形樁試驗(yàn)所得結(jié)果。與原不做任何措施的光滑樁比較，凍拔位移與側(cè)向位移都有明顯的減小。在連續(xù)凍結(jié)下，凍拔量最終穩(wěn)定在0.355 mm，側(cè)向位移僅為0.076 mm，總體量值減少率分別為57.02%和71.1%，樁基作用效果顯著。

圖13 工況2位移-時間曲線Fig.13 Displacement time curves of working condition 2

初始試驗(yàn)條件下，樁出現(xiàn)側(cè)向偏移量的時間則相比工況1晚了近15 h。2類位移量值也大為減小，凍拔位移從原有的0.53 mm迅速遞減為0.35 mm，而側(cè)向位移也同時從0.2 mm減小為0.051 mm，側(cè)向位移減少率達(dá)77.3%。?15℃溫度條件所導(dǎo)致的樁基凍拔量以及側(cè)向偏移量皆不足0.01 mm，量值增加極小。在凍結(jié)溫度下降到?20℃后，側(cè)向位移有個較大的增量，達(dá)0.022 mm，增長率為40.74%，而凍拔位移則幾乎無增量。相比較采用完全光滑樁在凍結(jié)溫度下降到?20℃后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，凍拔位移大大降低，側(cè)向位移增量相當(dāng)。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新型樁在前面加載階段的作用后凍結(jié)溫度下降至?20℃再次加載時抵抗側(cè)向偏移能力有所減弱，抗拔能力則依舊滿足，說明該樁型抗拔能力高于抗側(cè)向偏移能力。究其原因，在前期2類凍結(jié)溫度的疊加作用下，土體中水分遷移至凍深附近，但此時凍深已經(jīng)十分接近甚至超過樁底，再次將凍結(jié)溫度至?20℃后，由于在樁底上下范圍內(nèi)的水分含量較多，在該溫度加載條件下土體內(nèi)的水分凍結(jié)量增大，并且在?20℃的側(cè)向冷板溫度作用下路基邊坡凍深增大，法向凍脹力有所增加，此時本文采取的措施尺寸已經(jīng)無法滿足抵抗側(cè)向偏移的能力，因此側(cè)向位移會出現(xiàn)與常規(guī)樁幾乎相同的增量。

3 結(jié)論

1)溫度方面，分階段加載凍結(jié)溫度條件下，土體溫度呈階梯型下降，初始實(shí)驗(yàn)溫度隨時間的變化規(guī)律與后續(xù)加載階段的溫度場變化規(guī)律不同，并且初始實(shí)驗(yàn)溫度穩(wěn)定時間大約為后續(xù)階段的2倍，后續(xù)溫度加載條件下的土體溫度穩(wěn)定所需時間相同，樁周溫度場分布非均勻。

2)位移方面，季節(jié)凍土區(qū)塔桿基礎(chǔ)受土體凍脹影響，樁基整體呈現(xiàn)上拔、外傾趨勢，位移量與路基凍深呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。凍結(jié)過程中，凍拔位移與側(cè)向位移隨時間的變化規(guī)律類似，初始溫度加載階段2類位移隨時間穩(wěn)定增長，后續(xù)階段的溫度加載則顯示出位移曲線平臺，2類位移在初始加載階段量值皆最大，且光滑樁總位移遠(yuǎn)大于非對稱擴(kuò)底錐形樁。

3)對于非對稱擴(kuò)底錐形樁，在?10℃和降低至?15℃的凍結(jié)溫度條件下，抗凍拔以及抵抗側(cè)向偏移的能力滿足要求，但在凍結(jié)溫度下調(diào)至?20℃后，由于前期2類溫度的疊加作用，此時抵抗側(cè)向位移的能力近似于普通光滑樁，抗拔效果仍優(yōu)于普通光滑樁。