地下水對多年凍土區樁基承載性能的影響研究

唐麗云,楊柳君,賈海梁,申艷軍,白苗苗,張慧梅

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院,西安 710054； 2.西安科技大學地質與環境學院,西安 710054；3.西安科技大學理學院,西安 710054)

引言

在多年凍土區基礎工程中，樁基礎因其錨固長度大且對土體溫度場的擾動小等特點而被廣泛推廣應用于寒區的工程建設中[1]，更是為保障“以橋代路”工程等各種保護多年凍土工程設施的安全運營發揮了重要作用。凍土區的水文對氣候變化高度敏感，多年凍土更是對其有著強烈的響應[2]。在全球氣溫上升的背景下[3]，青藏高原作為全球變暖的放大器[4]，導致凍土區的水文過程將發生較大的變化，同時加劇凍土退化[5-6]及降水量的增加[7]，并引起水文地質狀況和地下水動態顯著變化的一系列反饋效應[8]。因此，從根本上改變了流域尺度上水文循環和水資源的多年分布格局[9]，增加地下水的儲水空間，改變地下水的運移條件[10]，并導致地下水的特征發生顯著的變化[11]，同時極大地增加地下水出現的可能性。由于地下水產生的對流熱，使得凍土層原本封閉狀態的熱平衡被打破，使得相鄰一定范圍內的凍土升溫甚至融化[12]，嚴重影響著多年凍土的賦存。在凍土區樁基工程中，處于地下水發育地段的樁基，在地下水的熱效應及樁基的強導熱性的共同作用下，使得樁周土體溫度升高甚至融化，土體中未凍水含量增大[13]，減弱樁端土體的承載力以及樁與土體之間的摩擦作用[14]，使得樁基的受力支撐條件發生改變，造成樁基承載力劣化，從而威脅樁基的安全穩定。近年因突發地下水而導致樁基工程失效的病害時有發生[14-15]，因此，探究地下水對多年凍土區樁基承載性能的影響是維持樁基穩定的關鍵問題之一。

許多學者采用試驗[16]及數值模擬[12，17-19]的手段對凍土區地下水開展探究，結果顯示，地下水的熱效應使得周圍凍土的溫度升高，加速多年凍土融化，增加了局部凍土退化的速率，明顯地減少了永久凍土的厚度，即凍土對地下水熱效應具有較強的敏感性。Shemin Ge[20]以青藏高原北部的模型為例，表明隨著大氣溫度的升高，活動層中地下水流量增加，且當地表水排放到地面時可使活動層厚度增加3倍。Yanhui You[14，21]采用電阻率層析成像(ERT)、鉆探和地溫監測相結合的方法，對QTR唐古拉山地區干橋的樁基沉降及QTPTL樁基礎地表成冰原因進行分析，均在凍土區中識別出地下水，且由于地下水的存在，會對凍結力、摩擦力和塔基及樁基的穩定性產生影響，甚至降低了樁端承載力，使得樁基礎存在著較大的沉降。吳亞平等[22]考慮樁底水的熱效應而開展模型試驗，探究模型樁-凍土流變特性，分析不同荷載下樁底水對荷載傳遞特性及樁基承載性能的影響規律。胡海東等[23]分析了樁側水熱效應對樁基承載力及凍結應力的影響規律。結果表明，凍土區樁側水的熱效應減弱樁側與土體之間的凍結應力，加劇樁基沉降，導致樁基極限承載力降低16%。

現對地下水在凍土區的大多數研究僅是考慮對凍土層溫度場的影響，且對于地下水對樁基的影響研究主要集中在國內少量學者中，但其主要針對在某一工程的地下水且并未考慮時間效應。但由于樁基的存在，因其較強的導熱性會擾亂多年凍土區的地溫場，當地下水與樁基的距離較近時，樁基的存在會加速樁基周圍土體升溫，從而凍結力減弱導致樁基承載性能降低。因此，形成地下水-凍土-樁基三者之間相互作用的關系。其次，多年凍土區的地下水作為特定地質環境下的產物，由于嚴寒氣候及土層隨季節溫度變化產生的凍結融化作用而使凍土分布的區域內具有獨特的水文地質環境[24]，且凍土區地下水類型具有區域性的差異。顯然，已有的地下水對樁基影響的研究具有特殊性，無法綜合評定地下水對多年凍土區樁基的影響。因此，基于地下水-凍土-樁基相互作用及地下水的差異性，考慮大氣溫度升高的條件，結合多年凍土區地下水地質環境，為探究樁基工程在服役期間內突發地下水對樁基的影響，采用有限元分析方法模擬無地下水及在樁底5 m處不同地下水溫度的工況，并計算樁基容許承載力，進而開展地下水對凍土區樁基承載性能的影響研究。

1 地下水對樁基溫度場影響的數值計算

1.1 工程背景

選取共和至玉樹公路工程查拉坪大橋樁基作為本文的樁基工程地質背景，根據鉆探勘察實測資料數據，計算區域參數的具體取值如表1所示。計算模型初始溫度選取如圖1所示，其為2015年8月的地溫監測值，通過選取凍土層的溫度梯度[25]，得出30～50 m土層內的溫度，根據工程中實際監測的地下水水位的情況[14]，選取地下水位置為距樁底5 m處。

表1 土層和混凝土的熱物理參數

圖1 初始地溫曲線

1.2 數值計算模型建立

1.2.1 數學模型

當土體發生凍結和融化時主要以熱傳導為主，因此，僅考慮熱傳導及冰水相變作用，采用傅里葉導熱方程作為熱傳導的控制方程。計算中采用顯熱容法考慮含水介質中的相變潛熱[26]，假定相變階段發生在溫度為Tm附近的區間內(Tm±ΔT)，C和λ表達式如公式(1)及公式(2)所示，并利用其計算相變區間內的熱物理參數(表1)。

(1)

(2)

式中，Cf為已凍時的體積熱容；Cu為未凍時的體積熱容；λf為已凍時的導熱系數；λu為未凍時的導熱系數；L為相變潛熱。

1.2.2 邊界條件

假設青藏高原未來50年內平均大氣溫度上升2.6 ℃[27]，根據青藏高原地區氣象觀測資料及附面層原理，對計算模型的熱邊界條件設定如下[28]，天然地溫度邊界條件為

(3)

式中，th為時間，當α0=0時，對應的初始時間為7月15日。模型下邊界熱流密度為q=0.02 W/m2[29]，定義模型兩側邊界為絕熱邊界。

1.2.3 數值計算模型

以查拉坪大橋樁基為工程地質背景，樁基平面示意及地層結構如圖2所示，由混凝土樁及四層土層組成，樁長31 m，樁徑1.5 m，土層從上到下依次為1 m雜填土，4.5 m粉質黏土，11.5 m含礫黏土，33 m風化泥巖層。根據圖2，結合多年凍土區地下水分布資料，進行無地下水及存在地下水的數值模型的建立，模型寬40 m，高50 m，且計算模型關于樁軸對稱，軸對稱計算模型如圖3所示。

圖2 樁基平面及地層結構(單位：m)

圖3 數值計算模型(單位：m)

1.2.4 工況劃分

為考慮地下水的作用，分別建立有無地下水存在的數值模型，模擬該地區溫度場的變化，分析地下水存在對樁基溫度場的影響；同時根據青藏高原的地質水文資料及凍土區鉆孔勘探的地下水資料[14]，通過選取0.6，0.8 ℃及1.0 ℃地下水的溫度考慮地下水區域差異性對樁基溫度場的影響，工況劃分如表2所示。

表2 地下水溫工況劃分

2 數值計算結果分析

2.1 地下水的作用對樁基溫度場的影響分析

為分析地下水的作用及地下水區域差異性對多年凍土區樁基溫度場的影響，考慮大氣溫度的升高情況下，通過建立有無地下水、地下水溫度分別為0.6，0.8，1.0 ℃的數值模型，模擬該地區溫度場的變化，分別提取并繪制自計算起10年、20年、30年的溫度場，如圖4所示。

圖4 無地下水及不同溫度下地下水的樁基溫度分布(單位：℃)

在大氣溫度升高的作用下，由于上部土體與大氣熱交換頻繁，上部土體溫度首先升高，隨著時間的推移在大氣溫度及上部土體的影響下，下部土體溫度逐漸升高，由于樁基的導熱系數大于土體的導熱系數，導致樁基的溫度首先上升且大于周圍土體的溫度，因此上部的等溫線總體趨勢呈現以樁軸為中心的漏斗狀，且樁周土體的溫度變化較為明顯。在考慮大氣溫度升高的作用下，2015年～2045年間凍土上限由2.9 m降低至4 m，其計算結果與文獻[29]的計算結果較為接近，可認為本文基于傳熱理論建立的計算模型可較好的反映樁基溫度場的變化規律。同時在底部熱流的作用下，使得底部土體溫度緩慢上升，30年后的影響范圍為3 m左右。

地下水的存在使得周圍土體融化，0.6 ℃地下水在10年、20年及30年之后的土體融化范圍分別為5.40，7.49 m及9.18 m，計算結果與文獻[30]相匹配。地下水作為較為穩定的熱源使得周圍土體溫度升高，由于樁基的強導熱性，樁基溫度相比與土體溫度上升的速度較快，使得樁身下部等溫線呈波峰狀，其中-1 ℃等溫線在30年后由24 m上升到21 m左右，其中在2025年～2035年上升2 m左右，與無地下水的模型相比，底部土體-1 ℃等溫線在地下水的作用下消失；0.8 ℃地下水在10年、20年及30年之后的土體融化范圍分別為6.51，9.06 m及11.17 m。其中-1 ℃等溫線在30年之后由-23.5 m上升到-20.5 m；1.0 ℃地下水在10年、20年及30年之后的土體融化范圍分別為7.54，10.47 m及13.22 m，在2045年時樁底0.5 m左右的土體發生融化。其中-1 ℃等溫線在30年之后由-23.2 m上升到-20.2 m。在0.6，0.8 ℃及1.0 ℃地下水的作用下，地下水上部的0 ℃等溫線在2025年～2045年上升高度逐年降低，地下水下部的0 ℃等溫線在底部熱流的影響下上升速度相對平穩。

2.2 樁-土界面溫度分布

為研究大氣溫度的變化及地下水的作用對多年凍土區樁基溫度場的影響，提取樁-土界面的溫度曲線，如圖5所示。

圖5 不同工況下的樁-土界面溫度分布

在大氣溫度升高下，凍土經歷升溫的過程，其中地表2 m范圍內的土體由于與大氣對流較為頻繁，因此溫度較高且活動層內溫度梯度較大。與2015年地溫相比，10年之后-4 ～-12 m的土體升溫速度快，溫度變化幅度較大，隨著時間的推移升溫速度逐漸趨于平緩。

樁-土界面溫度曲線在地下水的作用下出現積聚現象。由于大氣溫度變化對土體的溫度影響范圍有限，使得積聚點橫坐標幾乎不變，且縱坐標隨著地下水溫度的升高而向上移動，當地下水的溫度從0.6 ℃升至1 ℃，縱坐標向上移動1 m左右。與無地下水相比-20～-30 m在地下水的作用下，溫度上升幅度較大，但隨著地下水溫度的升高，因地下水溫度變化而引起凍土溫度發生變化的幅度相對較小。

2.3 地下水熱效應對凍土層的影響范圍

由圖5可知，表層凍土的溫度變化主要由大氣溫度控制，且隨著深度的增加對土體熱擾動的影響逐漸減弱，因此為研究地下水對凍土溫度的影響，繪制不同年份時不同地下水溫度在-15 ～-50 m的溫度曲線，如圖6所示。

圖6 2025年～2045年地下水周圍土體溫度分布

由圖6可知，地下水的存在對凍土的溫度影響較大，且使得地下水周圍凍土發生升溫及融化的過程。0.6 ℃地下水在10年、20年及30年之后的土體融化范圍分別為5.40，7.49 m及9.18 m。0.8 ℃地下水在10年、20年及30年之后的土體融化范圍分別為6.51，9.06 m及11.17 m。1.0 ℃地下水在10年、20年及30年之后的土體融化范圍分別為7.54，10.47 m及13.22 m。凍土的融化范圍隨著地下水溫度的變化總體趨勢是地下水的溫度越高凍土的融化范圍越大。在2015年～2025年，地下水的存在打破了凍土原本的熱平衡，因此地下水周圍土體溫度變化速率較快，與無地下水的溫度曲線溫度偏差較大，但由于地下水對較遠凍土的熱傳導具有滯后性，因此2025年深度-20～-30 m溫度梯度變化較陡且深度在-19 m處有明顯的轉折點。隨著時間的推移，-15 ～-20 m左右處有、無地下水的溫度曲線溫度偏差逐年減小，這主要是隨著大氣溫度的上升，源源不斷的能量通過樁身傳入到下部凍土中，使得樁側周圍凍土的溫度逐步升高，降低與因地下水存在而導致凍土溫度升高產生的溫度差。然而由于地下水的作用范圍有限，因此凍土融化范圍的上限隨著時間的推移其增長的速度逐漸減弱，即隨著距離的增加對較遠的凍土層熱擾動逐漸減弱，在改變地下水的溫度時對深度-20 m左右以上的凍土溫度影響較小。當0.6，0.8 ℃及1.0 ℃地下水作用下出現溫度曲線聚集的現象，在恒定地下水的作用時，周圍土體溫度升高，曲線與0 ℃縱坐標軸的面積隨著溫度的升高增大，因此土體的融化范圍隨著地下水溫度的升高逐漸增大，且隨著不同溫度的地下水溫度差逐年擴大，這表明在此范圍內凍土的溫度主要由地下水決定。由于-50 m處作用于相同的熱流密度，因此在2025年-50 m處有、無地下水的溫度差異較小，但隨著時間的推移，地下水對深度-50 m左右的凍土層溫度的影響逐漸顯現，使得與無地下水存在的溫度差逐年增大。雖然凍土融化范圍的下限隨著時間其增長的速度逐漸減弱，但其增長速度大于凍土融化范圍上限的增長速度。

3 樁基承載性能分析

3.1 凍結強度變化規律

凍土區樁基的承載力由樁側凍結力及樁端阻力構成，樁-土界面的凍結力是樁基承擔上部荷載的主要部分。根據TB10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》規定，混凝土樁側表面與凍土之間的凍結強度取值如表3所示。根據圖5中樁-土界面溫度分布曲線，參照表3確定凍結強度取值，得出不同深度樁側與土體之間的凍結強度，如圖7所示。

表3 混凝土樁側表面與土體之間的凍結強度

圖7 樁側凍結強度分布曲線

樁側凍結強度曲線大致分為3個階段，穩定階段(AB)、急增階段(BC)及遞減階段(CD)。在穩定階段(AB)時，由于凍土溫度高于0 ℃時，樁側表面的摩阻力為定值，因此在地表一定范圍內的土層，摩阻力取值相同，呈現與縱坐標平行的直線。在急增階段(BC)時，由于隨著深度的增加，土體溫度隨之降低至土層最低溫度，樁側與凍土之間的凍結強度隨之增大，在此階段凍結強度變化速率急劇增大，達到凍結強度峰值。在遞減階段(CD)時，當無地下水存在時，由于下部凍土土層自身的熱狀態較為穩定，土層溫度相比急增階段(BC)土層溫度較高，且隨著深度增加溫度梯度變化較小，趨于某一穩定溫度值，因此在遞減階段(CD)的10 m左右土層內凍結強度降幅較大，而后趨于穩定；當有地下水存在時，地下水的熱擾動使得周圍土體溫度上升，凍結強度隨著深度增加而降低且在20 m左右處發生轉折，轉折點(O)在0.6 ℃地下水作用時深度為-20 m，當地下水溫度上升至1.0 ℃時其深度為-19 m，且2025年凍結強度變化幅值較小。隨著時間的推移，地下水的熱量不斷向上傳遞，凍結強度逐漸減小，凍結強度在樁底處達到最低，且當在2045年地下水溫度為1.0 ℃時，樁底處出現凍結強度恒定不變的階段(O′D)，表明在O'D范圍內的凍土層發生融化且溫度高于0 ℃，樁端土體的融化使得承擔荷載的能力急劇降低。

3.2 樁基承載力變化規律

根據TB10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》規定，凍土區鉆孔灌注樁的容許承載力[P]為

(4)

表4 樁基容許承載力計算取值 kN

從表4及圖8可得出，地下水是否存在與地下水的溫度對樁基容許承載力及容許承載力損失率的影響規律。當無地下水存在時，由于大氣溫度的升高而使得樁側凍結強度隨著凍土溫度的升高而降低，此時因大氣溫度升高而誘發凍土退化是決定樁基承載性能降低的主要原因，且隨著土體溫度的升高承載力的損失率呈現先增大而后趨于穩定的趨勢[31]。當多年凍土區存在地下水時，2015年～2025年樁基承載力損失較大，2025年～2045年承載力損失率趨于穩定，且相比無地下水時，地下水的存在加劇樁基承載性能的劣化。這是由于當大氣溫度與地下水開始同時作用時，由于表層土體與大氣溫度的熱交換劇烈，地下水的存在嚴重擾亂了樁基周圍土體的熱穩定狀態，因此，在2015年～2025年地下水的存在是決定樁基承載性能劣化的主要原因，但隨著地下水的溫度升高，地下水對樁基承載力的影響比重不斷加大，在2025年～2045年期間由于地下水的熱量不斷地傳輸，對樁基周圍凍土的熱擾動不斷加大，使得樁基周圍土體的溫度升高，加速樁基承載力的降低，在30年后當作用地下水的溫度為0.6，0.8 ℃及1.0 ℃時，其樁基容許承載力損失率分別為27.62%，32.54%及33.84%。且當地下水由0.8 ℃升至1.0 ℃而產生的樁基承載力損失率，是無地下水與0.6 ℃地下水及0.6 ℃地下水與0.8 ℃地下水之間因溫度差異而產生樁基承載力損失率的1/7～1/5，說明當地下水超過一定溫度時，因升高地下水的溫度而引起樁基承載力劣化的程度較小。

圖8 不同年份樁基容許承載力損失率

4 結論

為研究地下水對多年凍土區樁基承載性能的影響，采用數值計算的方法，以查拉坪大橋樁基為工程地質背景，模擬無地下水及距樁底5 m處地下水溫度分別為0.6，0.8 ℃及1.0 ℃時對多年凍土區樁基溫度場的影響，并計算樁基容許承載力，得出以下結論。

(1)地下水對凍土影響范圍隨著地下水的溫度升高而擴大，0.6，0.8 ℃及1.0 ℃地下水在30年后的融化范圍為9.18，11.17 m及13.22 m。地下水對于周圍土體的溫度擾動隨距離增加而逐漸減小，且凍土融化范圍下限的增長的速度大于凍土融化范圍的上限的增長速度，最終在某一區域達到溫度的動態平衡。

(2)與大氣溫度對凍土區樁基溫度場的影響相比，地下水對樁基溫度場的影響范圍更大，地下水對周圍凍土的影響范圍在10 m左右，且隨著水文地質環境的變化極大地增加地下水出現的概率，容易導致樁基承載力不足，因此地下水對凍土區地溫的影響效應在工程設計中應給予以充分考慮。

(3)凍結強度曲線可大致分為3個階段(穩定階段、急增階段、遞減階段)，但當地下水存在時，由于地下水對樁基周圍土體的熱擾動使得凍結強度隨著深度的方向發生轉折，且轉折點的深度隨著地下水的溫度升高而上升。

(4)當大氣溫度及地下水同時作用時，前10年樁基承載力主要因大氣溫度升高而降低，地下水的存在加速了樁基承載力的劣化，在0.6，0.8 ℃及1.0 ℃地下水作用下30年后樁基容許承載力損失率分別為27.62%，32.54%及33.84%，且當地下水超過一定溫度時，地下水的溫度對樁基承載力的劣化影響程度趨于穩定。