冻土与群桩相互作用模型试验研究

(1. 江苏大学土木工程与力学学院， 江苏镇江212013； 2. 东南大学成贤学院， 江苏南京210088)

随着我国“一带一路”倡议发展主线的逐步开展，围绕陆上丝绸之路新经济带建设的寒区交通运输工程必将陆续开始建设，如新欧亚大陆桥、北京—莫斯科高速铁路、中吉乌铁路等工程。由于冻土在物理、热学、力学性质及动力荷载等方面存在特殊性，因此在寒区的工程建设必须考虑冻土问题[1]。1994年青藏地区冻害状况调查显示，我国青藏地区公路病害率为31.7%，1999年调查显示东北多年冻土区铁路病害率高达40%[2-3]。青藏铁路通车不久后出现路面、路堤开裂，以及路桥过渡段不均匀沉降变形等严重问题[4]。寒区铁路工程多采用“以桥代路”方案来减轻工程建设对冻土的扰动和冻土对工程建设的影响，而桥梁基础工程多采用桩基础。在北方冻土地区，桩基础与冻土会发生冻融循环的损伤效应等特殊岩土工程问题[5]。马巍等[6]指出，在冻土地区进行工程建设前，必须把工程冻土学理论和寒区工程建设时可能遇到的问题研究透彻，以确保冻土区工程建筑物的安全性、适用性和耐久性。桩基础与冻土之间的相互作用问题正成为岩土工程的研究热点。

目前，许多学者通过室内冻土 -模型桩试验、现场实测试验及数值模拟等方法[7-8]，得出了冻区桩周平均侧摩阻力与温度、含水率及含盐量等影响因素存在非线性关系的结论。Vyalov等[9]根据在相同地区的几个模型或全尺寸桩的试验结果得到的典型冻土蠕变曲线，阐述了冻土地区桩的承载能力和冻土的长期强度及其实质。赖远明等[10]研究了冻土中桩基础所受的切向冻胀力及其分布规律，并提出了桩基础冻胀力三维问题的积分方程。吴亚平等[11]考虑应力场、温度场和水分场三场耦合条件,建立了冻土区桩土相互作用的黏弹塑性非线性有限元分析计算模型，计算了单桩冻胀过程中的应力场及位移场，进而研究单桩承载力在冻结过程中的发生与发展过程，然后提出冻土区桥梁群桩基础温度场控制微分方程,将计算值与青藏铁路冻土区某桥梁工程实测数据进行对比,并提出回冻率的概念。李永波等[12]进行冻土 -桩动力相互作用模型试验，对试验模型系统施加水平方向动力，得出了桩基的荷载 -位移曲线。郭春香等[13]研究了气候变暖、太阳日照等外在因素对寒区桩承载力的影响，通过数值方法计算了气候异常时温度场的变化对桩基承载力的影响。何汶含[14]建立多种工况下单桩和群桩的数值计算模型，分析了不同工况下多年冻土区单桩和群桩基础的承载性状。胡海东等[15]采用高低温试验箱进行单桩模型试验，通过对比有、无桩侧水2种环境因素，分析了桩侧水热效应对桩身应变、桩侧冻结应力、桩土相对位移、桩基的极限承载力和桩侧冻结应力与桩顶位移的流变特性的影响。

值得指出的是，虽然目前对冻土和桩基础的相互作用进行了大量研究，但是针对土体冻胀过程中群桩的响应、群桩对冻土冻结过程的影响，即群桩 -冻土的相互作用问题及冻土中群桩效应的研究较少，并且很少有研究考虑地下水补给和地下水热效应。本文中通过自行设计的室内混凝土群桩 -冻土模型试验，采用高低温交变试验冻融箱作为冷冻源，制备粉质黏土土样和混凝土模型桩，模拟冻土地区地质条件，并预放温度计、位移计和应变片，在不同冻结温度时对有补给水源的冻土 -群桩系统的相互作用进行模型试验， 研究在冻结过程中土样温度场的变化及不同位置桩的上拔位移、 桩侧摩阻力变化、 桩-冻土系统中的群桩效应等。

1 模型试验

1.1 试验方案

本文中的试验为室内模型试验，综合考虑相似准则三大定理和试验冻融箱尺寸，确定模型的几何相似比为20，温度相似比为1。试验由冻融系统、群桩 -冻土模型系统、补水装置和数据采集仪4个部分组成。

1)冷冻源采用江苏省苏州东华试验仪器有限公司的GWD-150型高低温交变试验箱，控温范围为-40～150 ℃，可设置冻结温度程序。试验箱的仪表盘可实时显示箱内实际温度，在试验箱控温范围内，该仪器能够精确控制温度的变化，误差小于0.1 ℃。

2)选取外径为25 cm、高度为25 cm的硬质聚氯乙烯(PVC)管作为放置冻土 -群桩模型试样的填土箱，并在其外侧包裹2层聚氨酯保温板。桩土试样整体放入定制保温箱，其尺寸为50 cm×50 cm×40 cm(长度×宽度×高度)，厚度为3 cm。该保温箱能够隔绝内部桩土试样系统四周及底部不受冷源影响，以模拟自然状态下单向冻结。

3)补水装置利用水泵将保温箱底部的水循环抽吸到放置填土试验箱的托盘中，填土箱底部有透水石，托盘内的水通过透水石向填土试验箱内冻土土样补水。

4)在冻结过程中，采集的数据包括桩周土体温度、角桩和中心桩桩顶上拔位移及桩侧应变。采用T型热电偶测量桩周土温度场变化，误差不大于0.01 ℃。 5G102型直线位移传感器布置在桩顶测量桩顶上拔位移，量程为30 mm，误差小于0.25%。采用BX120 -3AA型电阻式应变片测量桩侧应变，电阻为120 Ω，灵敏度系数为(2.08±1)%。采用2台有20个数据采集通道的DH3818-2型静态应变测试仪进行数据采集。静态应变测试仪连接计算机后，设定相关参数，然后计算机内安装的静态信号测试与分析系统软件将自动采集试验数据。

图1所示为自行设计的冻融试验系统， 其中高低温交变冻融箱中为保温箱的剖面图及各种传感器的放置位置。 图2所示为填土箱中5根桩的埋置方式。

图1 冻胀试验系统简图

(a)保温箱平面图

(b)保温箱实拍图图2 保温箱布置图

1.2 试验准备

1.2.1 土样的物理力学性质

在同等条件下,大多数黏土和绝大多数粗砂、中砂、细砂和水砾石等砂的主要力学指标单轴抗压强度、三轴剪切强度、破坏应变及本构关系非常相近[16-17]。采用江苏省镇江市某建筑工地基坑挖取的粉质黏土来制备重塑冻土样，经过烘干、粉碎及筛分等处理后，通过控制冻结温度、土样含水率、压实度及级配等来模拟现场地基条件。未冻土样的物理力学参数如表1所示。

表1 土样粉质黏土的物理力学性质

1.2.2 模型桩的制作

根据实验要求，采用内径为22 mm的硬质PVC管作为模具，采用C30型混凝土配合比配制混凝土，制作模型桩的粗骨料最大直径不大于4 mm，细骨料采用级配合理的中砂，采用PO42.5型号的水泥，混凝土桩的物理力学参数如表2所示。

表2 混凝土桩的物理参数

1.3 试验过程

试验前先在模型桩上粘贴应变片，每隔3 cm粘贴1对应变片。为了减小冻结过程中温度对桩侧应变的影响，每对应变片采用半桥式连接(见图3)，第1片和最后1片分别距离桩身两端约5、 1 cm，共粘贴8对应变片，然后在应变片表面涂抹防水硅橡胶，避免在冻结过程中土样中的水损坏应变片，以保证应变片的存活率。

(a)粘贴方式(b)混凝土桩粘贴应变图3 应变片粘贴

将配置好含水率的土样填入试验箱， 第1层土厚度约为6 cm， 填好后夯实， 放入粘贴好应变片的桩基础， 在填土过程中确保5根桩始终都处于竖直状态， 然后继续每填土约5 cm夯实一次， 直至土样与填土箱高度平齐， 群桩基础埋深为25 cm。 然后在填土箱侧面插入10根T型热电偶来监测冻结过程中桩周土温度场变化， 埋深分别为0、 4.5、 6.5、 9.0、 11.5、 14.5、 17.5、 20.5、 23.5、 26.5 cm。 依据现场实测数据[18]， 冻土地下水温度为0.5～0.7 ℃， 但是仪器误差使得保温箱底部水的温度为1.0 ℃，并通过小水泵向承接填土箱的底部托盘内抽水实现水源补给。将桩土模型系统放入保温箱中，保温箱可以隔绝填土箱四周和底部热量的传递，模拟自然状态下的单向冻结。 将保温箱放入高低温交变冻融箱， 利用磁铁座固定直线位移传感器， 并布置在中心桩和2根角桩桩顶来监测冻结过程中桩顶的上拔位移。 将应变片、 温度传感器和位移传感器的导线接入DH-3818型静态应变测试仪， 在冻融箱触控板设置试验温度程序，冷端冻结温度分别为-10、-15 ℃，开始试验，每10 min采集一次数据，数据采集仪器如图4所示。

(a)布置位移传感器

(b)连接数据采集仪图4 数据采集仪器

2 结果与分析

2.1 桩周土温度 -时间变化曲线

温度是影响冻土动强度变化特性的主要因素之一[19-20]。 在冻结过程中， 土样温度的发展规律很复杂， 易受模型试验系统、 试验装置及外部环境的影响。 对于冻土 -群桩模型试验的研究， 监测冻结过程中不同深度土样温度随时间的变化规律是后续研究的重要前提。 图5所示为冻结过程中桩周土体温度随时间的变化。 由图可知， 在冻结过程中， 各深度土样的温度不同且变化幅度也不同，但是温度变化趋势基本一致。 在冻结初期0～10 h， 土样各深度位置的温度迅速下降， 之后温度降低速率逐渐减小并在冻结25 h后趋于稳定。 随着冻结时间的延长， 土样冻结锋面不断下移(冻结锋面以上是已冻区，以下是未冻区)， 当冷端和暖端传递给土样的热量达到平衡时， 土样温度趋于稳定。 在冻结温度为-10 ℃时冻结39 h， 土样冻结锋面约为11.5 cm， 在冻结温度-15 ℃时冻结39 h， 土样冻结锋面约为17.5 cm， 因此土样冻结锋面随着冷端冻结温度降低发展得越深。

(a)冻结温度为-10 ℃

(b)冻结温度为-15 ℃图5 不同冻结温度时桩周温度随时间的变化

根据图5(b)中温度场数据，计算得到土样部分深度的温度梯度，如表3所示。由表可知，在冻结过程中，平均温度梯度随着土样深度的增大而减小。原因是随着表层土样温度的变化，热量在传递过程中逐渐被土样吸收和耗散，热量传递的时效性决定了下层土样温度改变的滞后性。另外，在相同冻结温度的条件下，冻结锋面以上的土样温度梯度较大，冻结锋面以下土样温度梯度较小，有明显的分界线，即冻结锋面以上的土层受到冷冻源的影响明显且差别较大，而冻结锋面以下土层受冷冻源的影响较小且差别较小。这主要是由已冻土样中的分凝冰改变了冻土局部区域的导热系数而导致的结果。将冻结过程中土样温度发展规律曲线与文献[21]中的结果进行对比，得出本试验可以模拟自然状态的土体单向冻结过程，进而可以充分讨论本模型试验中土样冻结对群桩上拔位移和侧摩阻力的影响。

表3 土样的温度梯度

2.2 不同位置桩的上拔位移

图6所示为在冻结过程中中心桩和角桩上拔位移随时间的变化。

(a)冻结温度为-10 ℃(b)冻结温度为-15 ℃图6 不同冻结温度时桩顶上拔位移随时间的变化

通过图6(a)、 (b)中虚线的标记可以看出， 在冻结过程中桩顶上拔位移发展规律可以大致分为3个阶段： 1)桩顶上拔位移迅速发展， 上拔位移在短时间内突增， 角桩的上拔位移量约为中心桩的1.7倍。 因为试验初期冷端土样中孔隙水迅速原位冻结成冰， 土样体积膨胀后对桩身施加切向冻胀力， 所以冻结初期桩上拔位移快速增大。 2)桩顶上拔位移发展均速， 角桩的上拔位移一直大于中心桩上拔位移， 与第1阶段相比， 相同冻结时间上拔位移增量较小。 由图5中的桩周温度发展规律可知， 该阶段冻结锋面向下发展变慢。 因为冻土区土样产生不连续的微量分凝冰， 所以对桩身施加的切向冻胀力缓慢变大。 3)不同冻结温度冻结15 h左右， 桩顶上拔位移达到试验时间内的最大值， 原因是冻结锋面向下发展趋于稳定、 分凝冰发展完成。

当冻结温度为-10 ℃时,中心桩最终上拔位移为2.1 mm，角桩最终上拔位移为2.9 mm；当冻结温度为-15 ℃时，中心桩最终上拔位移为2.9 mm，角桩最终上拔位移为3.8 mm。不同冻结温度时，最终角桩的上拔位移比中心桩大，并且冻结温度越低，桩最终上拔位移越大。

2.3 桩身应变和桩侧冻结应力

由于桩基础无上部荷载作用，因此在冻结过程中，桩基础主要受桩周土体膨胀所产生的侧摩阻力作用，桩所受的侧摩阻力可以利用应变仪采集到桩侧应变数据计算得到。桩侧摩阻力[22-23]为

(1)

其中

Ni=EAei

，

(2)

式中：fi为第i(1≤i≤9)段桩的桩侧摩阻力，向上为正；Ni、Ni+1分别为第i段桩的顶部和底部的轴力；d为桩截面外径；ΔL为相邻应变片垂直中心距；E为桩的弹性模量；A为桩的截面面积；ei为第i个轴向应变，由静态应变分析仪采集得到。

在不同冻结温度时， 中心桩和角桩埋深为1.5、 4.5、 7.5、 10.5、 13.5、 16.5、 19.5 cm处的侧摩阻力变化如图7、 8所示。 从图中可以看出， 当冻结温度为-10 ℃时，中心桩的桩身侧摩阻力绝对值最大为123.6 kPa，出现在埋深为4.5 cm处，角桩侧模阻力绝对值最大为250.8 kPa，出现在埋深为13.5 cm处；当冻结温度为-15 ℃时，中心桩的桩身侧摩阻力绝对值最大，为166.6 kPa，出现在埋深为7.5 cm处，角桩侧模阻力的绝对值最大，为312.3 kPa，出现在埋深为16.5 cm处。

(a)中心桩(b)角桩图7 冻结温度为-10 ℃时冻结群桩侧摩阻力随埋深的变化

(a)中心桩(b)角桩图8 冻结温度为-15 ℃时冻结群桩侧摩阻力随埋深的变化

在不同冻结温度的条件下， 相同位置桩的侧摩阻力变化规律相似， 沿着桩身呈正、 负摩阻力交替变化， 侧摩阻力绝对值最大值出现的位置大致相同。 冻结温度越低， 桩身的侧摩阻力最大绝对值越大。 当冻结温度相同时， 角桩的侧摩阻力绝对值最大值比中心桩的大， 并且最大值出现的位置不同， 表明在只有冻胀荷载的作用下， 群桩效应仍然显著。

3 结论

本文中进行了冻土 -群桩模型试验，研究冻胀过程中群桩与冻土的一些关键变量随时间变化规律。以温度作为主要影响因素，系统研究了冻胀过程中桩周土体温度变化、桩顶上拔位移规律及桩侧摩阻力变化规律。根据相似第三定理的表述，相似准则为不变量且单值条件相似，则模型试验能够正确模拟原型，与原型物理现象相似。本文中的分析即为冻土 -群桩相互作用机理的真实反映，在原型中以相似规律存在，因此可以得到以下几点结论：

1)单向冻结过程中，冻结锋面随着冻结时间延长缓慢下移，冻结温度越低，则冻结锋面位置越深；温度梯度随着土样深度的增大而减小，与冻结锋面以下的土样相比，冻结锋面以上土样的温度梯度明显较大。

2)在冻结过程中，群桩基础上拔位移发展大致分为3个阶段，即迅速增长阶段、稳定增长阶段和平稳阶段。冻结温度越低，则桩上拔位移越大，角桩上拔位移明显大于中心桩。

3)在单向冻结条件下，不同冻结温度时，相同位置桩的侧摩阻力变化规律相似，沿着桩身呈正、负摩阻力交替变化，基本平衡。当冻结温度相同时，角桩的侧摩阻力绝对值最大值比中心桩的大，并且最大值出现的位置不同，显示出桩-冻土系统中的群桩效应。