寒區(qū)凍土層退化條件下樁基礎穩(wěn)定性劣化評價方法

王若林，朱道佩，劉小燕，司馬軍

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寒區(qū)凍土層退化條件下樁基礎穩(wěn)定性劣化評價方法

王若林，朱道佩，劉小燕，司馬軍

(武漢大學土木建筑工程學院，湖北武漢，430072)

在寒區(qū)凍土層季節(jié)性退化演變過程和未凍土層存在的情況下，對發(fā)生典型凍拔破壞的樁基礎進行受力分析，得到季節(jié)凍融循環(huán)演化過程中各土層樁側摩阻力的計算公式，并在此基礎上，對樁基礎抗拔穩(wěn)定性劣化進行研究，建立寒區(qū)深層凍土退化、土體出現未凍土層狀況下樁基礎發(fā)生凍拔破壞的臨界承載力數值模型。以工程實例對樁基礎的各個土層狀況進行分析，在假設土的干容重、凍土的總含水量、地中熱流值、凍土的導熱系數不變，季節(jié)凍融層為強凍脹土條件下，分析樁長范圍內各層土厚度隨時間的變化以及最大凍深處截面應力隨未凍土層厚度與樁長之比的關系，對季節(jié)循環(huán)演變中土體的凍拔力和樁側摩阻力進行計算、比較，并對群樁基礎的抗凍拔穩(wěn)定性驗算方法進行討論。研究結果表明：部分多年凍土層退化為未凍土層，將導致樁基礎的總抗拔力和臨界失穩(wěn)凍結深度減小。樁側未凍土層厚度與樁長的比值和臨界比值的比較結果可作為樁凍拔穩(wěn)定性的判斷標準。得到的臨界承載力模型可以為寒區(qū)凍土層演化過程中樁基礎穩(wěn)定性評估提供數值分析依據。

凍土；季節(jié)凍融；凍拔；樁基礎穩(wěn)定性；未凍土

在多年凍土區(qū)，建筑和橋梁經常采用樁基礎，不可避免地受到季節(jié)凍融層中土的凍脹影響。齊吉琳 等[1]對多年凍土區(qū)凍土的力學特性及研究現狀進行了闡述；方麗莉等[2]研究了凍融作用對土結構性及其強度的影響；WANG等[3]利用有限元法對非凍土區(qū)樁抗拔承載力及其影響因素進行了數值模擬；FAN[4]對非凍土區(qū)擴底樁的抗拔承載力與位移的關系進行了模擬和計算，這些為后續(xù)對凍土區(qū)樁凍拔失穩(wěn)問題中樁土相互作用的研究提供了參考。在季節(jié)凍土區(qū)，當樁周土的凍脹力大于樁的極限抗拔力時，樁將被整體拔起；當樁身某個界面的應力大于該界面內受拉鋼筋的抗拉應力時，樁身可能被拉斷[5]。所以，在多年凍土區(qū)修建的建筑和橋梁都必須考慮樁基的抗拔穩(wěn)定性。多年凍土區(qū)的樁基礎常常由于樁的抗拔承載力不夠而發(fā)生失穩(wěn)現象，很少發(fā)生常溫地區(qū)的典型破壞。凍土地區(qū)樁的抗拔問題引起了越來越多的關注，很多專家開展了大量的研究，如：王國尚等[6]對多年凍土地區(qū)的輸電線路基礎凍拔破壞進行了研究，并提出對基礎應進行抗凍拔設計；李蘭勇[7]對抗拔樁樁土之間的荷載傳遞機理進行了研究；孫學先等[8]結合青藏鐵路試驗段工程對多年凍土區(qū)灌注樁的豎向抗拔承載力進行了試驗研究，為類似環(huán)境下的抗凍拔樁基礎設計與施工提供了參考；汪仁和等[9?10]對凍土地區(qū)單樁抗拔承載力進行了試驗研究，得出了單樁豎向抗拔承載力、樁身軸力和樁土間凍結力與凍土溫度的關系。王經環(huán)等[5]對季節(jié)凍土區(qū)樁基礎的抗凍拔穩(wěn)定進行了研究，并提出了計算方法和抗凍拔措施；劉麗紅[11]對季節(jié)凍土區(qū)樁基礎的破壞形式及受力情況進行了分析，并對其抗凍拔穩(wěn)定性進行了驗算；唐麗云等[12]針對多年凍土區(qū)樁基豎向承載力變化規(guī)律進行了研究，對季節(jié)凍融層和多年凍土層的厚度進行了計算，并建立了樁土相互作用的模型。隨著全球變暖的影響，多年凍土層的厚度逐年減小，在多年凍土層上部出現未凍土層。由于多年凍土層退化，未凍土層不斷發(fā)展，厚度增加，樁側摩阻力不斷減小，導致樁的抗凍拔能力逐年減小。在冬天，當季節(jié)凍融層中的凍土層達到一定厚度時，樁在切向凍脹力的作用下將會被拔起或局部被拔斷，從而發(fā)生凍拔失穩(wěn)，并且隨著多年凍土的逐年退化和未凍土層的增厚，該凍拔失穩(wěn)的發(fā)生將越來越嚴重。因此，研究多年凍土區(qū)樁的抗凍拔穩(wěn)定性很有意義。為此，本文作者針對寒區(qū)凍土層季節(jié)性退化演變過程中未凍土層存在的情況下，對發(fā)生典型凍拔破壞的樁基礎進行受力分析，對樁基礎抗拔穩(wěn)定性的監(jiān)測評估方法進行研究。

1 樁土相互作用模型及分析

1.1 樁基凍脹破壞形式

季節(jié)凍融層中的土在凍結過程中，一方面，由于土體中的水凍結相變成為冰，使土體體積膨脹；另一方面，凍結過程總是從土體表面開始，周邊地下水會向成冰層的凍結鋒面[13]遷移，導致表層土體凍結層越來越厚，相應土體膨脹變形加劇。凍結過程導致的土體膨脹變形在樁基礎處受到限制，在樁基礎表面產生切向凍脹力，對樁體產生凍拔破壞作用。多年凍土地區(qū)的樁基礎凍拔破壞有2種形式：整體上拔和局部拔斷。在冬季，隨著季節(jié)凍融層凍結深度的加大，樁周的切向凍脹力會逐漸變大，當切向凍脹力大于上部荷載、樁自重與總摩阻力之和時，樁基將會發(fā)生整體上拔，見圖 1(a)。當樁基埋入的深度較深或者采用擴底樁時，總摩阻力較大。在冬季，當凍結深度較大時，在切向凍脹力的作用下樁基可能會由于抗拉強度不足而被拔斷，見圖 1(b)。

(a) 整體凍拔；(b) 局部拔斷

通過對多年凍土區(qū)樁基礎凍拔破壞及其受力情況的分析，為了保證上部建筑物的穩(wěn)定，樁基礎應同時滿足以下2個抗凍拔穩(wěn)定條件[14]：

式中：F為作用在樁頂上的豎向結構自重(kN)；G為樁身自重(kN)，對于水位以下且樁底為透水土時取浮重度；Q為樁在凍結線以下各土層的摩阻力標準值之和；Q為樁基礎周邊與多年凍土層的凍結力標準值(kN)；為樁基礎驗算截面的應力；為凍脹力修正系數(砌筑或架設上部結構之前，取1.1；砌筑或架設上部結構之后，對外靜定結構，取1.2；對外超靜定結構，取1.3)；T為樁的切向凍脹力標準值(kN)；1為驗算截面以上樁自重；Q1為驗算截面至凍結線之間樁與未凍土層的摩阻力(當驗算截面位于季節(jié)凍融層時，取0 kN)；為驗算截面的面積，對于鋼筋混凝土結構，為縱向受力鋼筋截面積之和；[f]為驗算截面樁體材料的設計抗拉強度，對于鋼筋混凝土結構，則為受力鋼筋的設計抗拉強度。

1.2 季節(jié)凍結深度確定

由于季節(jié)凍融層的厚度直接影響切向凍脹力，進而影響樁的凍拔穩(wěn)定性。季節(jié)凍結深度的計算公式如下[15]：

1.3 多年凍土厚度的計算

多年凍土區(qū)樁基礎的抗凍拔力主要由多年凍土層中的凍結摩阻力決定，故多年凍土層的厚度直接影響到樁基礎的抗凍拔穩(wěn)定性。多年凍土層厚度的計算公式為[17]

式中：s為地面溫度(℃)；為凍土的導熱系數，按照規(guī)范JGJ 118—2011[16]取值；g為多年凍土區(qū)域的熱流值(W/m2)，按規(guī)范JGJ 118—2011[16]取值。

1.4 未凍土層厚度的計算

由于氣候變暖的影響，多年凍土層和季節(jié)凍融層的厚度都在減小，導致出現未凍土層。假設凍土的導熱系數、相變潛熱和多年凍土區(qū)域的熱流不隨時間的變化而變化，未凍土層厚度的計算公式為

1.5 切向凍脹力的計算

在多年凍土區(qū)，為了保證樁基礎具有足夠的抗凍拔力，一般必須穿過一定厚度的多年凍土層。在凍結過程中，季節(jié)凍融層中的樁周土會在樁體表面產生切向凍脹力。切向凍脹力的計算公式為[18]

式中：d為設計凍深(m)；當基礎埋置深度小于d時，d取為；為季節(jié)性凍土切向凍脹力標準值(kPa)，與土的類別、凍前天然含水率及凍前地下水位至地表距離有關；為樁身周長(m)。

1.6 樁側摩阻力的計算

當切向凍脹力大于恒載和樁自重之和時，未凍土層的樁與樁周土之間的摩阻力起抗拔作用，其大小與土的類別、樁的材質和樁表面的粗糙度有關。未凍土層樁側抗拔摩阻力的計算公式為[18]

式中：為樁身周長；q為凍結線以下各層土的摩阻力標準值(kPa)，無實測資料時，對黏性土可采用20~30 kPa，對砂土及碎石土可采用30~40 kPa；l-為凍結線以下各層土的厚度(m)。

1.7 凍結力的計算

多年凍土與樁基礎表面通過冰晶膠結在一起，這種膠結力稱為凍結力。凍結力的作用方向總是與外荷載的總作用方向相反。當樁周的切向凍脹力較大時，位于多年凍土中的樁側面的凍結力起抗凍脹的錨固作用；當凍脹力較小時，凍結力起抗下沉的承載作用。凍結力Q的計算公式為[18]

式中：q為多年凍土層中各層土與樁基礎側面的凍結力標準值(kPa)；為多年凍土層中各層土的厚度(m)。

2 多年凍土層退化后樁基凍拔承載力分析

假設第年后，季節(jié)凍土層、未凍土層和多年凍土層的厚度分別為，和，未凍土層和多年凍土層分別有和層土，并且樁端落在多年凍土中，如圖2所示。未凍土層和多年凍土層中各層土與樁側的摩阻力標準值的加權平均值分別為1n和2n，其計算分析如下：

令1n，2n和3n分別為季節(jié)凍土層、未凍土層和多年凍土層的厚度與樁長的比值，即

由于

令其值為1n，則；

令其值為2n，則。

第年，季節(jié)融化層回凍時，若凍脹力大于樁的上部豎向荷載和樁自重之和即

則樁有被拔起的趨勢，凍結力和樁側摩阻力的方向隨之確定，由此得到第年樁基發(fā)生凍拔的臨界承載力R：

同時，第年樁基受到的切向凍脹力為

當T-＞R時，樁基將發(fā)生凍拔失穩(wěn)。

3 凍拔穩(wěn)定性的計算實例

由以上分析及推導，以青藏鐵路工程[19]位于可可西里段凍土工程為例進行計算。該地區(qū)某樁為鋼筋混凝土預制摩擦型樁，直徑=0.55 m，樁長=8.0 m，自由長度為0.42 m，上部荷載和樁自重分別為250 kN和200 kN，地質剖面圖如圖3所示。第1年年平均地面溫度為?7.5 ℃。假設此處年平均地面溫度上升值為 0.3 ℃/(10 a)，凍土的導熱系數為1.3 W/(m·℃)，當地地中熱流為0.139 2 W/m2，第1年的凍結指數為139.5。同時，假定土的干容重、凍土的總含水量、地中熱流、凍土的導熱系數不變，季節(jié)凍融層為強凍脹土。

圖3 柱狀地質剖面

3.1 樁基整體上拔的驗算

根據上述數據，由式(3)，(4)和(5)分別計算得到樁側季節(jié)凍結深度、多年凍土層厚度和未凍土層厚度在50 a內的變化規(guī)律，如圖4所示。從圖4可見：樁長范圍內的多年凍土層在34 a后全部退化為未凍土層，此時，季節(jié)凍結層厚度由最初的2.681 m變?yōu)?.243 m，未凍土層由最初的0 m變?yōu)?.757 m。從第34年到第50年，季節(jié)凍結層厚度由2.243 m變?yōu)?.996 m，未凍土層厚度由5.757 m變?yōu)?.004 m。由此可知：季節(jié)凍結層厚度在整個過程中的變化不明顯，未凍土層厚度和季節(jié)凍結深度在前34 a內變化較大，而在后16 a內變化趨于平緩。

1—季節(jié)凍結層；2—未凍土層；3—多年凍土層。

通過比較樁基的抗拔承載力和切向凍脹力來預測樁基的凍拔失穩(wěn)，簡單易行，但是不利于快速監(jiān)測。由于未凍土層的厚度與抗凍拔力和切向凍脹力有一一對應關系，本文利用未凍土層的厚度與樁長之比來判斷樁基是否會發(fā)生凍拔失穩(wěn)。通過計算，發(fā)現第31年時，樁側未凍土層、季節(jié)凍結層和多年凍土層的厚度分別為5.369，2.286和0.345 m，即當未凍土層厚度與樁長之比為0.671時(如圖5所示)，樁側的切向凍脹力由最初的694.905 kPa變?yōu)?92.497 kPa，抗凍拔力由最初的719.900 kPa變?yōu)?91.961 kPa；由于 592.497 kPa(切向凍脹力)大于591.961 kPa(抗凍拔力)，樁基將發(fā)生凍拔失穩(wěn)。也就是說，本例樁的未凍土層厚度與樁長的臨界比值為0.671，當未凍土層厚度與樁長之比超過此值時，樁將發(fā)生凍拔失穩(wěn)。

1—抗凍拔力；2—切向凍脹力。

3.2 樁基局部強度的驗算

由截面應力的計算公式可知最大拉應力發(fā)生在最大凍深處, 因此，以該界面為驗算截面。最大凍深處截面應力隨未凍土層厚度與樁長之比的關系如圖6所示。

圖6 截面應力隨未凍土層厚度的變化

由圖6可知：只要該樁截面允許的最大拉應力大于最大凍深處應力，該樁在最大凍深處就不會被拔斷。然而，還應驗算該樁沿樁全長所有受力鋼筋截面變化處斷面的凍拔情況，由于資料有限，本文沒有對此進行驗算。

4 結論

1) 隨著多年凍土層在氣候變暖大環(huán)境下逐年退化，未凍土層的厚度逐年增大，而季節(jié)性地表凍融層深度逐年減小。由于部分多年凍土層退化為未凍土層，導致凍土與樁側的摩阻力減小，導致樁基礎總的抗拔力減小，即樁的臨界失穩(wěn)凍結深度減小。

2) 溫度影響樁周土的物理力學參數，進而影響樁周土的抗拔穩(wěn)定性。

3) 將樁側未凍土層厚度與樁長的比值與其臨界比值進行比較，可判斷樁是否發(fā)生凍拔失穩(wěn)，這可以作為工程實踐中樁基穩(wěn)定性的監(jiān)測評估依據。

4) 對于群樁的抗拔穩(wěn)定性驗算，需要考慮群樁效應。季節(jié)凍融層樁側切向凍脹力和多年凍土層樁側凍結力主要與土的類別、凍前天然含水率及凍前地下水位至地表距離有關，在凍結過程中，樁與樁之間的相互作業(yè)會導致土體的性質發(fā)生變化，進而影響水分的遷移，故群樁下切向凍脹力和凍結力的取值應在單樁下取值的基礎上乘以折減系數，它的取值與群樁的樁數、樁長徑比和樁間距有關；未凍土層樁側的摩阻力也會隨著土體性質的變化而變化，它的取值及其與群樁的樁數、樁長徑比和樁間距的關系可由經驗公式或邊界單元法得到。

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Assessment method of degradation of pile stability for frozen soil decreasing in cold region

WANG Ruolin, ZHU Daopei, LIU Xiaoyan, SIMA Jun

(School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

In the evolution process of deterioration of the permafrost layer, the force analysis of pile foundation which has a typical frost heaving damage was carried out with the presence of unfrozen soil layer. In the evolution process of seasonal freezing and thawing cycle, the calculation formulas of lateral friction resistance of pile foundation of each layer were proposed. Based on this, the degradation mechanism of uplift pile foundation stability was studied, then the numerical model of the critical bearing capacity of pile foundation in frost heaving damage was established with the existence of the unfrozen layer and the degradation of the permafrost layer. Based on the suppositions that factors such as the unit dry weight of the soil, total water content of frozen soil, thermal current in the earth, thermal conductivity of frozen soil were kept constant and the seasonal freeze-thaw soil was strong frost heaving soil, soil condition of the pile foundation of an engineering example was analyzed and thickness of each layer soil that changed over time within the scope of the pile length was established. Also the uplift and tangential frost heaving force change with the thickness of the unfrozen layer ratio to the length of the pile was analyzed. In the evolution process of seasonal freezing-thawing cycle, the frost heaving force and lateral friction resistance of pile foundation were calculated and compared. The calculation method of the uplift pile group foundation stability was discussed. The results show that the degradation of part of permafrost layer will decrease the total uplift force and critical freezing depth of pile foundation. The comparison results of unfrozen soil layer beside pile and length of pile ratio and critical ratio can be used as the criterion of pile frost heaving stability. The critical capacity model provides the basis of numerical analysis for the stability estimation in the evolution process of the permafrost layer.

permafrost; seasonal freeze-thaw; frost heaving; pile foundation stability; unfrozen soil

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.032

TU45

A

1672?7207(2016)09?3148?06

2015?09?22；

2015?11?23

國家自然科學基金資助項目(51278387) (Project(51278387) supported by the National Natural Science Foundation of China)

王若林，博士，副教授，從事結構工程、結構健康監(jiān)測、防災減災、結構新材料、新工藝研究；E-mail: rl.wang@whu.edu.cn

(編輯 陳燦華)