深水船台“升降”规律探析

深水船台“升降”规律探析

孙洪伟

(长春工程学院土木工程学院，长春130012)

主要研究土木工程施工。

摘要：据寒期观测采集的临湖岸深水船台的升降位移数据建立的升降位移曲线的变化形态，分析多时段气温条件下，气温对湖冰冻融状态、船台桩基土含水状况等因素的影响。揭示各温度时段诸因素变化时船台的升降规律。

关键词：临湖岸深水船台；升降位移；冻拔位移；切向冻胀应力；升降规律

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.001

收稿日期：2015-08-06

基金项目：吉林省教育厅资助项目(吉教科合字第277号)

作者简介：孙洪伟(1963-)，男(汉)，吉林，副教授

中图分类号：TU445献标志码：A

0前言

所谓的临湖岸深水船台，为靠近湖岸且船台基础桩长期有较厚浸水深度的船台，如图1所示。实验观测的长春公园临湖岸1#船台即属深水船台，基础桩浸水深度为1.8 m。寒期内，船台下湖水冻结至一定厚度时，冰层下仍有未冻水。未冻水的保温绝热作用，使湖底基土在寒期内始终为融土。如对长春公园临湖岸1#深水船台破冰检验测得：2个寒期湖面冰冻层厚在1～1.1 m左右、冰冻层下未动水深0.7～0.8 m。湖底基土为高含水率的融土。对由2个寒期原位观测的长春公园1#船台升降位移数据建立的升降位移曲线(以下简称为船台的升降位移曲线)进行状态分析发现：寒期内船台发生了先期上升、中期下降和后期又上升的周期性变化。研究也发现船台的升降和寒期不同时段气温对湖水的冻融状况、融土的水环境等因素密切相关，并呈现特有的规律性。本文将就船台的升降位移曲线状态研究其升降机理和规律。

图1　临湖岸深水船台冻胀机理、升降位移图

1临湖岸深水船台升降位移曲线

据长春公园1#临湖岸深水船台实测升降位移值，建立2个寒期的升降位移曲线和同期气温变化曲线，分别如图2～3所示。如：图2(a)中的每条曲线是据船台上单个升降位移观测点(如图1)在整个寒期的不同观测日测得的升降位移值，建立的船台上升—下降—上升位移曲线，位移单位为mm。由1#船台上的4个观测点[1]采集的寒期升降位移值建立的同类位移曲线集合成图示的曲线组。虚线为各观测点位移的回归线，代表升降位移平均水平。图2(b)中的“频谱型”曲线是据寒期日最高气温和最低气温绘制的同期气温变化曲线，图中虚线表示回归的日平均气温曲线。寒期是针对船台升降规律研究确定的实验研究期，是为了能够全面客观地反应船台升降位移全貌而选定的期限。本课题选定的寒期为每年的11月中下旬至次年的4月中下旬。图3的含义同上。

图2　第1寒期长春公园1 #临湖岸深水船台升降位移曲线和同期气温变化曲线

图3　第2寒期长春公园1 #临湖岸深水船台升降位移曲线和同期气温变化曲线

2临湖岸深水船台升降规律探析

观察1#临湖岸深水船台升降位移曲线，如图2～3所示。2个寒期的共同特点是：船台升降位移变化形态相同，正负值区域的位移曲线以寒期为周期均呈“似正弦曲线型”波动走势，同时各上升和下降段相应升降位移近似呈线性变化。正值区域位移曲线的上升段表明船台发生持续增大的上升位移。研究发现：此上升位移为湖冰冻胀推动船台基础桩使船台产生的“冻拔位移”[1](如下第1时段中的分析)；船台上升到最大冻拔位移后开始连续下降至最低位置；其后又产生了有限的上升，至寒期末上升至低于寒期前的初始位置的某一高度时终止，残留了“剩余下降位移”。此剩余下降位移为船台经历一个寒期的净下降量。说明临湖岸深水船台经历寒期后出现了下降现象。如：2寒期的正值区域的最大冻拔位移值(峰值位移)分别为3.5 mm和4.5 mm，平均冻拔位移分别为3.5 mm和3 mm，发生在次年的1月下旬；负值区域的最低下降位移分别为7.5 mm和8.5 mm,平均下降位移分别为5.5 mm和7.5 mm，发生在次年的3月中下旬。而在寒期末，一般为次年的4月中下旬，船台的剩余下降位移分别为2.5 mm和3.5 mm，随气候进入夏季，下降位移不再发展。其中，冻拔上升速度约0.044 mm/d,下降速度约0.163 mm/d，冻拔上升速度仅为下降速度的1/4左右，即冻拔上升速度较慢。可见，上升(冻拔)和下降的最大位移(峰值位移)不大且发展速度趋缓，位移曲线形态“扁平”。

寒期现场勘查和对位移状态的深入研究发现：船台发生以上位移状态和寒期不同气温时段湖冰的冻融形态和强度、基土的含水状况等密切相关，表现在“似正弦曲线型”的升降位移曲线呈4个温度时段变化。各温度时段位移变化原因分析和规律探析如下：

第1时段：降温后长持续低温时段——每年的11月初至次年的1月中旬，约70～80 d。2个寒期此时段的平均气温分别为-14 ℃和-7 ℃。此时段内，船台升降位移曲线近似线性增加，表明船台发生了持续的上升位移。对湖冰的冻胀机理分析可知，该上升位移为湖面冰层冻胀推动船台基础桩产生的“冻拔”位移。如图2～3所示。原因是随大气持续降温，湖面结冰并冻凝至一定厚度，形成连续冰冻层，冰冻层不断凝冰增厚，体积膨胀。冰膨胀力作用在船台基础桩表面的向上的切向冻胀应力τ′(如图1)开始向上推动船台基础桩，当切向冻胀应力τ′增大到超过桩和船台自重G和湖底融土层对桩的摩擦力f之和,即τ′≥G+f时[2],基础桩和船台整体开始产生向上的冻拔位移,如图1所示。增长的厚冰层对低温变化极其敏感，随后期长时间的持续低温,冰层冻结强度逐渐增大，冰和船台基础桩表面的冻结强度[3]也随之持续加大，作用在基础桩表面的切向冻胀应力持续增强，推动基础桩继续产生冻拔位移(即上升位移)。由于冰的密实性和匀质性远高于冻土[4]，产生的切向冻胀应力接近线性作用于船台基础桩表面。反应出此时段船台的冻拔位移呈现近似线性增大的特征。最大冻拔位移发生在时段的末期。如两寒期船台的实测最大冻拔位移的平均值分别为3.5 mm和3 mm，发生在每年的2月中旬左右。

第2时段：低温内升温时段——次年的1月下旬至2月上旬或中旬(约20～30 d左右)。2个寒期该时段的平均气温分别为-11 ℃和-5 ℃。该时段气温在低(负)温内升高，区段末升高明显，但气温仍在零度下。该时段内船台的冻拔位移曲线呈近似线性减小趋势，如图2～3所示。位移减小的原因如下：1)昼夜温差过大使湖面冰层频遭“热胀冷缩”而开裂，并在持续升温时段频繁发生。冰冻层开裂使作用在船台基础桩上的冰切向冻胀应力得到部分释放，意味着作用在桩表面的有效切向冻胀应力随之逐渐减小，船台和基础桩在自重作用下整体会逐渐下降。2)该时段冰的流变特征[4]开始显现，表现出冰的后期强度降低，作用在基础桩表面的切向冻胀应力也随之降低，船台和基础桩在自重作用下也将产生整体下降。这是船台下降，冻拔位移减小的另一因素。3)湖面冰层冻胀对桩基础的长期挤压能使接触面上的冰融化并起到润滑作用[4]，破坏了冰与桩之间的冻结强度，相对减小了切向冻胀应力，对船台下降又起到辅助作用。足见，以上各衰减因素的综合作用，减少了作用在船台基础桩表面的切向冻胀应力，降低了约束作用，船台和基础桩因约束力减小而整体下降是必然的。在负温内持续升温的末期，船台下降至寒期前的初始位置，冻拔位移减小至零。因此时冰冻层对船台基础桩的切向冻胀应力最小并接近消失，船台在自重作用下继续下沉。该时段内船台冻拔位移曲线接近线性下降，这表明是以上各因素作用的综合效应。

第3时段：正低(负)温波动时段——次年的2月中旬至3月中旬，约30 d左右。2个寒期该时段的平均气温分别为-6 ℃和-3 ℃。该时段内的位移曲线近似线性减小。表明船台继续产生下降位移，在位移曲线上显示产生的是“负”位移，呈负增长趋势，如图2～3所示。时段内气温在正负温间频繁波动，湖面冰层表面吸收大气升温热量开始融化，冰层底部也从冰水结合处向上融化。冰冻层的切向冻胀应力随冰融化逐渐消失，船台和基础桩整体在自重作用下继续下降，船台升降曲线反映出该时段沉降位移呈线性“负”增长。直至时段末，船台下沉到最大位移(达6mm左右，如图2～3所示)，沉降终止。此时，船台和基础桩的重量和湖底融土层的摩擦阻力达到新的平衡。显然，此时段的下降位移非因冰的冻胀作用产生，而是因湖冰切向冻胀应力消失，船台和基础桩靠自重下降的结果。

第4时段：正温时段——次年3月下旬至4月中下旬，约20～30 d。2个寒期该时段的平均气温分别为3 ℃和7 ℃，如图2～3所示。此时段湖面冰冻层吸收大气正温融化完成。船台基础桩周围的基土吸水处于饱和状态，饱和土浮力逐渐增大。船台基础桩在水和饱和基土的浮力[5]共同作用下上浮，产生上升位移。这个上升位移是随着解冻后湖面水位升高和基土向饱和过渡而逐渐发生的。正温时段船台上升位移曲线接近线性增加说明了这一点。如图2～3所示。比较而言，水和饱和基土的浮力对船台基础桩的上浮作用有限，船台的上升也是有限的。如：2个寒期正温时段船台上升(上浮)到一定高度后即终止，表明此时的浮力和船台结构自重相平衡，上升终止。且终止时船台上升的高度低于寒期前船台的初始高度，二者的高差即为经历一个寒期的冻融循环后船台产生的最终下降位移。如：2个寒期末船台的剩余下降平均位移分别为2.5 mm和3.5 mm。此外，在正温升温时段船台板混凝土吸热膨胀也会表现出船台上升。

可见，正温时段船台发生上升位移是由水土浮力和船台热膨胀引起的。但其根本原因是湖冰冻胀使船台冻拔引起基土松动，松动后的融土吸收融化水再固结和浮力增强造成的。

3结语

寒期临湖岸深水船台的升降规律可描述如下：据寒期实测船台升降位移建立的升降位移曲线表现出升降位移“似正弦曲线”形态发展，并由4个温度时段的升降位移变化构成，其中各时段的升降位移近似线性变化。各时段升降位移规律简述如下：

1)降温后长持续低温时段：受湖面冰层持续增长的切向冻胀应力推动基础桩和船台整体上升的位移为冻拔位移，呈近似线性增长规律。

2)低温内升温时段：低温内的升温波动引起的湖面冰热胀冷缩、冰长期持荷产生流变、冰受长期挤压的融化引起冻结强度降低等因素的综合效应，使作用在船台基础桩上的切向冻胀应力近似线性减小，船台和基础桩在自重作用下整体下降。表现出船台冻拔位移接近线性减小，该时段的船台升降位移曲线反映出线性下降的规律。时段末期，船台下降至寒期前的初始位置。

3)正低(负)温波动时段：正负温波动加快了湖冰融化，作用于船台基础桩上的切向冻胀应力继续减小，船台在自重作用下继续下降。此时段的船台升降位移曲线继续表现出近似线性下降的规律。时段末期，船台下降到最低不再发展。此时段阻碍船台下降的力是吸收融化湖水而重新固结的基土产生的持续增长的摩擦力。

4)正温时段：持续正温使湖冰完全融化，船台基础桩周围的基土逐渐过渡至过饱和状态。过饱和状态的基土和深水层的浮力使基础桩和船台整体逐渐产生上浮，表现在船台的升降位移曲线上产生了持续增长的上升位移。至船台和基础桩的自重与浮力和基土的摩擦力相平衡时，船台的上升停止。剩余的下降位移为一个寒期的下降总量。

概言之，寒期临湖岸深水船台的升降受寒期气温冷暖[6]影响显示出多温度时段的变化规律。

参考文献

[1] 孙洪伟.季节性冻土地区人工湖岸桩基础“冻拔”现象的观测[J].长春工程学院学报：自然科学版,2007(4)：1-4.

[2] 孙洪伟.人工湖岸船台桩基础“冻拔”防治措施的提出和实验[J]. 长春工程学院学报：自然科学版,2008(1)：4-7.

[3] 陈尚柏，王雅清.土的冻结作用与地基[M].北京：科学出版社，2006：254-496.

[4] 孙洪伟.关于冻土的不稳定性研究[J].长春工程学院学报：自然科学版,2014(1)：9-12.

[5] 周幼吾.中国冻土[M].北京：科学出版社，2000：10-216.

[6] 孙洪伟.对MiLLer 和Beskow冻土理论的研究[J].长春工程学院学报：自然科学版,2014(2)：16-19.

The analysis of up-down laws of the deepwater berth

SUN Hong-wei

(SchoolofCivilEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：According the collect data of the lakeshore deepwater berths up-down displacement during the frosty period, the change curve of the displacement has been created with the influential facts to frost-thawing situations by different periods temperature conditions, and soil moisture of the berth piles. Finally, the berth up-down laws affected by different temperature periods conditions have been revealed.

Key words：lakeshore deepwater berths; up-down displacement; freezing-pulling displacement; shear stress of frost-heaving; up-down laws