單向凍結過程中樁土相互作用試驗研究

陸建飛，帥 軍,劉金鑫

(江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮江212013)

單向凍結過程中樁土相互作用試驗研究

陸建飛，帥 軍,劉金鑫

(江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮江212013)

采用自行設計的單樁-正凍土模型試驗裝置，對單向正凍土和樁的相互作用進行了模擬試驗。試驗研究了相同含水率下，凍結溫度分別為-5、-10、-15 ℃時，正凍土中的樁周土體溫度場，樁頂上拔位移和樁基側摩阻力的變化趨勢。試驗結果表明：在單向凍結過程中，樁周土體溫度呈漸變趨勢，且與凍結溫度相關；樁頂位移經歷3個階段，即凍結初期無明顯位移階段、迅速增長階段及逐漸平穩階段，且凍結溫度越低，樁頂上拔位移越大；不同凍結溫度的樁周摩阻力沿樁身變化趨勢類似，即摩阻力呈現正、負交替分布的狀態。

巖土工程；正凍土；單向凍結；樁；側摩阻力；上拔位移

0 引 言

從全國范圍來看，我國多年凍土與季節性凍土分布面積超過全國總面積的一半[1]；國家對西部的發展投資力度逐年加大，在凍土地區進行基礎設施建設已十分常見[2]。樁基礎的高承載力、以及在凍土中的較好穩定性使其成為寒區工程最常用的基礎形式。在寒區進行樁基礎設計和施工無法避免樁基礎和凍土的相互作用問題。在凍土地區，存在由于設計中忽略凍土和樁基礎相互作用的影響，而導致樁基礎大幅沉降，建筑物傾斜開裂甚至無法使用的案例[3]。因此，樁基礎和凍土的相互作用問題引起了國內外各界的高度重視，尤其是凍土工程界。眾多學者通過進行室內樁與凍土模型試驗以及現場實測[4-5]得出了冷區樁周平均摩阻力與溫度、水分等因素的關系是非線性的結論。賴遠明等[6]在理論上對切向凍脹力的大小和其沿著樁側的分布規律進行了探索，導出了樁基凍脹力三維問題的積分方程。舒春生等[7]模擬了在凍結過程中，樁與凍土相互作用模型試驗，得出了樁土相對位移和樁周凍結力隨凍結時間的發展趨勢；王旭等[8]對樁與凍土相互作用進行了現場試驗，根據所采集的實地溫度與施加的靜荷載，得出了在再次凍結過程中樁基礎的豎向承載力和樁周凍結力的分布規律；孫學先等[9]對青藏高原地區的兩種樁基礎進行了現場拉拔試驗，試驗分析了不同的樁型在相同的溫度場和地質條件下，樁基礎的豎向位移和抗拔承載力的變化規律；張軍偉等[10]對風火山地區灌注樁進行了現場靜力試驗，得出了高溫凍土地區受擾動后樁基礎的極限承載力和變形規律；張向東等[11]對融化過程中樁周總摩阻力進行了試驗研究，得出了樁側摩阻力與沉降位移的關系；李永波等[12]利用自行設計的儀器，對凍土-樁模型進行水平方向動力試驗，得出了樁基的荷載-位移曲線。

值得指出的是，上述研究對樁-凍土的相互作用問題的研究具有重要意義，但目前對土體凍結過程中樁-土系統的一些關鍵變量隨時間的變化仍需進行系統研究。因此，筆者采用鎮江地區黏土和模型樁，以高低溫交變試驗箱作為冷源，來進行季節性凍土-樁的相互作用試驗，將凍結溫度作為主要因素，系統研究在凍結過程中樁周土體溫度的變化、樁頂上拔位移以及樁側摩阻力隨時間的變化規律。

1 室內模擬試驗概況

1.1 試驗準備

1)樁周土試樣制備及其物理力學性質

試驗采用鎮江某工地的黏土，將采集后的土體經過暴曬風干碾碎過2 mm篩，取約25 kg土試樣根據土工試驗方法配置含水率為30%的土樣，凍結前粉質黏土物理力學性質為：液限WL為34.6，塑限WP為21.4，塑性指數IP為13.2，滲透系數為5.4×10-6cm/s,-5、-10、-15 ℃的實配含水率分別為28.7%、28.1%、29.4%。

2)模型樁的制備

由于試驗空間的限制，選取無縫鋼管作為模型樁基礎，鋼管截面為圓環形，其外徑為10 mm，壁厚2 mm，長度280 mm，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。

1.2 試驗裝置與數據采集

在古希臘，城邦就是人開啟公共生活的公共空間，人以此為契機在一個公共、開放的環境中交流與行動，人的文化和精神訴求得到滿足，人的意識和肉體發展在城邦的孕育下呈現勃勃生機。亞里士多德稱：“人是天生的城邦動物”。人的生命存在離不開社會活動的參與，人的生存發展始終與城邦緊密相連。人在城邦生活中自由地發表言論，積極追求至善的德性。在古希臘，長期的戰爭環境要求每一個公民必須具備強健的體魄，能加入到保衛城邦的戰爭中，斯巴達的兒童從七歲起就由國家撫養，每一個人都進行體育教育和軍事訓練。也正因如此，公民意志得以凝結成強大的力量，保護自身，保護家園，人的日常生活得以有序地進行。

凍結試驗系統由溫度控制系統、樁土試樣模型系統、數據采集系統等組成。

1)溫度控制系統采用蘇州東華儀器公司所研制的GWD-150高低溫交變試驗箱，該儀器制冷溫度最低可達到-40 ℃，最高可達到150 ℃。在試驗箱的儀表盤上能夠實時顯示預期溫度值和實際溫度值；在試驗箱量程允許范圍內該儀器能夠精確控制溫度的變化，其誤差不大于0.1 ℃。

2)樁土試樣模型系統中的填土容器采用直徑為25 cm的PVC水管，高度為25 cm，周圍裹一層聚氨酯保溫板，樁土試樣整體放入定制的保溫箱內，保溫箱的總體尺寸為49 cm×46 cm×33 cm，保溫箱內部能夠讓土樣四周及底部不受負溫的影響，以此來實現單向凍結。

3)數據采集系統采用DH3818-2靜態應變測試儀，該測試儀有20通道，能夠采集溫度、位移和應變等數據，計算機能自動存儲所采集的數據。樁周土溫度分布采用T型熱電偶測得，精確度為0.01 ℃。樁頂上拔位移用5G102直線位移傳感器測得，其量程為25 mm，誤差小于0.25%。樁側應變片采用BX120-3AA電阻式應變片，該應變片電阻值為120 Ω，靈敏度系數為2.08±1%，采用DH3818-2靜態應變測試分析儀連接計算機自動采集數據。本試驗采集的數據包括：樁周土的溫度、凍結過程中樁頂的上拔位移及樁側應變。

1.3 試驗過程

試驗前在樁周按順序沿著樁頂往樁底方向粘貼應變片，應變片導線沿樁身延長接到DH3818-2數據采集儀上。樁身每隔2 cm間隔布置一對應變片，為了消除凍結過程中溫度的影響，采用對稱橫豎貼片方式，一側拉伸，另一側壓縮，抵消溫度的影響，第1對應變片距離樁頂10 cm，共布置9對，最后一對距離樁底約2 cm，應變片外表面用704防水膠進行包裹，防止在凍結過程中水分對其造成影響和損壞應變片。樁基礎應變片布置如圖1。

圖1 樁身貼片示意Fig. 1 Distribution of strain gauge on pile

將配置好的土體分層填入試驗箱中，每填5 cm用木槌夯實，第1層土厚大約5 cm，安放粘貼好應變片的樁基礎，填土過程中確保樁基礎始終呈豎直狀態，繼續填土至與PVC管平齊，埋入土中的樁基礎長度為20 cm。為監測樁周土溫度的變化，在樁周布置9根T型熱電偶，實際埋深分別為：0、4.5、6.5、9.0、11.5、14.5、17.5、20.5、23.5 cm。準備完成后，將樁土模型整個系統移入高低溫試驗箱。在試樁頂部布置一個直線位移傳感器，用于測量凍結過程中樁頂上拔的位移量。將應變片、溫度傳感器和位移傳感器延長線接入DH-3818數據采集儀，設置至試驗溫度，開始試驗，每隔10 min采集一次數據，整個試驗過程中無水源補給。

2 試驗結果與分析

2.1 樁周土溫度場變化趨勢

正凍土中的樁基礎與其他常規土體中的樁基礎有著本質區別，隨著凍融箱內溫度下降到0 ℃以下(試驗前多次測驗得該土體的凍結溫度大概在-0.5 ℃)，土體中部分液態水發生相變凍結成固態冰并與樁基礎側面緊緊的膠結成一體形成凍結力，樁基礎承載能力顯著增強。文獻[13-15]表明，溫度是影響凍土強度特性的主要因素之一，因此，對樁體附近溫度的監測非常重要，也是后續研究的前提。為了能清楚地觀察土體中溫度場的變化規律，將數據進行處理，不同凍結溫度下的溫度場分布曲線如圖2、圖3。以土體表面與樁交點為原點，樁埋深方向為正方向。

圖2 不同凍結溫度下樁周溫度隨深度變化Fig.2 Pile temperature changing with the depth at different freezing temperatures

圖3 不同凍結溫度下樁周溫度隨時間變化Fig.3 Pile temperature changing with the time at different freezing temperatures

2.1.1 不同時間溫度隨土體深度發展規律

由前述可知，樁周附近共布置有9組溫度傳感器，圖2給出了凍結過程中每隔5 h，即時間為0、5、15、20、25、30及35 h時，樁周土體溫度沿深度的變化趨勢。由圖2可以看出，在不同凍結溫度下，土體中溫度變化規律基本相似，圖2(a)、(b)和(c)中溫度總體變化都是隨時間呈下降趨勢，從劇烈凍結進入到穩定凍結。溫度沿土體深度方向變化存在一個溫度差，這符合單向凍結條件下樁周溫度場的變化趨勢。在負溫的直接作用下土體上半段(0～12 cm)溫度變化較快，曲線傾斜較明顯，在土體表面處，10 h之內達到了最低溫度；在土體下半段(12～25 cm)曲線變化逐漸平緩，溫度變化較為緩慢；在凍結過程中，凍結鋒面不斷下移，在不同的凍結溫度下，凍結鋒面最終到達的位置不一樣，圖2(a)中凍結鋒面位置大致在9 cm處，圖2(b)中凍結鋒面位置大概在14 cm處，圖2(c)中凍結鋒面位置大概在17 cm處。

2.1.2 不同深度溫度隨時間變化

由圖3可以看出，0～10 h，曲線斜率較大，溫度迅速下降，土體4.5 cm處溫度從初始溫度21 ℃下降到0 ℃左右，負溫直接作用在土體表面，土體上半段開始劇烈凍結；從10～35 h，曲線逐漸平緩，溫度緩慢降低，土體在穩定凍結；對于不同的凍結溫度，凍結溫度越低，凍結鋒面不斷向土體下部移動，且到達凍結鋒面所需的時間相對越來越長，-5、-10、-15 ℃凍結時，分別在15、20、23 h后到達，且溫度穩定的區域逐漸往下移，圖3(a)中，土體4.5 cm處溫度與土體表面溫差較大，其后溫度逐漸穩定，溫度梯度很小，圖3(b)中，溫度梯度相差小的區域位于6.5 cm處，圖3(c)中，土體溫度相差很小的區域位于9 cm以后。

2.2 無荷載條件下凍結過程中樁頂位移與時間的關系

試樣系統在-5、-10和-15 ℃溫度下凍結時,凍結過程中樁頂上拔位移與時間關系曲線如圖4。

圖4 不同凍結溫度下樁頂上拔位移隨時間變化Fig.4 Uplift displacement of pile top changing with the time at different freezing temperatures

由圖4可以得出，在不同溫度下凍結，樁頂會產生上拔位移且具有相似的變化規律。隨著高低溫交變試驗箱內溫度逐漸降低，土樣開始凍結，樁頂產生上拔位移。整個曲線可以分為3個部分：無明顯位移階段(可以看出具有向上運動的趨勢)、位移快速增長階段和逐漸穩定階段。在-5 ℃溫度下凍結時，在0～15 h階段，樁基礎無明顯位移，在15～30 h階段，樁頂開始向上產生位移，且速度較快，在30～35 h階段，位移增長緩慢，最終上拔位移量為0.95 mm。在-10、-15 ℃溫度下凍結時，樁基礎無明顯位移階段所延續的時間幾乎接近，都在0～10 h左右，-10 ℃中稍有后移，在快速增長階段，-15 ℃中曲線斜率始終大于-10、-5 ℃中，表明凍結溫度越低，樁基礎上拔進程加快。在逐漸穩定階段，-15 ℃位移始終大于-5、-10 ℃，凍結35 h后，3者最終上拔位移量分別為0.95、1.83和2.14 mm，可見溫度從-10 ℃降低到-15 ℃，樁基礎上拔位移增長較小。

2.3 凍結過程中樁側摩阻力沿樁身的變化趨勢

樁側摩阻力的大小不能像溫度、位移一樣直接讀取，只能利用應變儀采集到的數據進行轉換處理而得到。凍結過程中，樁基礎主要受膠結力作用。根據文獻[16-17]，樁側摩阻力fi可以表達如下：

Ni=EAεii=1,2,…,9

(1)

(2)

式中：fi為第i段樁側摩阻力，向上為正；Ni和Ni+1分別為第i段樁的頂部和底部的軸力；εi為第i個軸向應變,其由靜態應變分析儀直接采集得到；d為樁截面外徑，m；ΔL為相鄰應變片垂直中心距，m。

在-5、-10和-15 ℃溫度下凍結時，1、3、5、7、9、11、13和15 cm處樁側摩阻力隨時間的變化規律如圖5。由圖5可知，不同溫度下凍結時，樁周摩阻力沿樁身的變化規律相似，樁周側摩阻力沿樁身均呈正負摩阻力交替變化，具有多個極值點。在凍結初期，土體還未凍結，此時摩阻力較小，隨著土體凍結，樁基礎開始上拔，導致摩阻力開始增加，在0～15 h內，側摩阻力增長較快，其后20 h側摩阻力只有小幅增長，側摩阻力極大值大概出現在5～9 cm深度處，凍結35 h后，3種溫度下的極大值的絕對值分別為107.3、143.5和160.6 kPa。此外，在整個凍結過程中，樁基礎的正負摩阻力大致平衡。

圖5 不同凍結溫度下側摩阻力隨埋深變化Fig.5 Side friction changing with the depth at different freezing temperatures

3 結 論

通過凍土與樁基礎相互作用試驗研究，可以得出如下關于樁土系統的溫度、樁頂位移和側摩阻力的一些結論：

1)在單向凍結過程中，熱量向上傳遞需要一個過程，因此，土體上半段溫度場波動較大，下半段變化較為緩慢，土體中存在溫度差，符合單向凍結的理論，且凍結溫度越來越低，相同時刻凍結鋒面的垂直位置越深。

2)在凍結過程中，樁基礎會產生向上的位移，整個上拔過程可分為3個階段：無明顯位移階段、位移迅速增長階段和逐漸平穩階段。溫度越低樁基礎開始上拔時間越早，-5、-10、-15 ℃三種溫度所對應的上拔時間分別為12、9和7 h；溫度越低樁基礎的上拔位移量越大，3種溫度下最終上拔量分別為0.95、1.83和2.14 mm；-10 ℃后，樁基礎上拔位移隨溫度的降低增長不明顯。

3)在單向凍結條件下，凍結初期側摩阻力增加明顯，其后變化不大，樁側摩阻力沿樁身呈正負交替分布，摩阻力大致滿足樁身的平衡條件。

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ExperimentalStudyontheInteractionbetweenPileandSoilduringtheUnidirectionalFreezing

LU Jianfei, SHUAI Jun, LIU Jinxin

(Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, P.R.China)

Based on the self-developed single pile-freezing soil model test device, the simulation experiment about the interaction between unidirectional freezing soil and pile was conducted. With the same water content, the variation trend of the temperature field of the soil around the pile, the uplift displacement at the pile top and the lateral friction at the pile base in the freezing soil were studied when the freezing temperature was -5℃, -10℃, and -15℃ respectively. The experiment results show that during the unidirectional freezing process, the temperature of the soil around the pile is changed gradually and is related to the freezing temperature; the uplift displacement at the pile top undergoes three stages, i.e., early freezing stage without obvious displacement, rapid growth stage and gradually steady stage; and the lower the freezing temperature, the larger the uplift displacement at the pile top; the distributions of the pile side friction with different freezing temperatures exhibit the similar law that the positive and negative frictions occur alternatively.

geotechnical engineering; freezing soil; unidirectional freezing; pile; side friction; uplift displacement

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.11

2016-09-21；

2017-03-15

國家自然科學基金項目(11272137)

陸建飛(1967—)，男，江蘇南通人，教授，博士生導師，主要從事巖土工程、固體力學等方面的研究。E-mail：ljfdoctor@sina.com。

帥 軍(1991—)，男，安徽安慶人，碩士，主要從事樁基礎與凍土相互作用方面的研究。E-mail：1518461690@qq.com。

TU446

A

1674-0696(2017)11-056-05

(責任編輯：譚緒凱)