不同施工季節對多年凍土區錐柱式基礎地溫回凍影響

摘要：

為研究多年凍土區輸電線塔基錐柱基礎在不同季節施工條件下其地溫的整體回凍過程，以及不同季節施工對多年凍土的擾動特點，從保持多年凍土地溫穩定性的角度優化大開挖類基礎施工時期，采用數值模擬的方法，以青藏直流輸電工程為背景，利用查拉坪地區地質及氣象資料，并選擇了典型月份（1月、4月、7月和10月）對錐柱基礎不同季節施工后早期地溫場進行了計算分析。結果表明：秋冬季（10月和1月）施工后，錐柱基礎周圍土體將保持凍結，其中1月施工后最快10 d回填區土體和天然凍土的溫度差異即可消失，回填土熱擾動較小；春夏季（4月和7月）施工會增大回凍期活動層深度和基礎底部的融化深度，特別是7月施工可使活動層深度降低至基底（4.0 m），而4月施工由于增高了回填土土體溫度，導致整個回凍時間長達195 d，不利于基礎的重新凍結和后續工作的開展。考慮到10月后外界氣溫逐漸降低，因此，10月至次年1月可以作為多年凍土區錐柱基礎的最佳施工期。

關鍵詞：

多年凍土區；錐柱基礎；施工季節；回凍溫度場；施工時間

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20210314

中圖分類號：P642.14

文獻標志碼：A

收稿日期：2021-10-11

作者簡介：張軍（1997—）， 男，碩士研究生， 主要從事凍土工程與環境等方面的研究，E-mail： hgctmzj@163.com

通信作者：張澤（1981—），男，教授，博士，主要從事凍土工程與環境等方面的研究，E-mail： zez@nefu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金項目（41771078， 41801039）；國家自然科學基金委員會（NSFC）與俄羅斯基礎研究基金會（RFBR）合作交流項目（42011530083）

Supported by the National Natural Science Foundation of China" （41771078， 41801039） and the Project of NSFC-RFBR（42011530083）

Influence of Different Construction Seasons on Ground Temperature

Refreezing" of Cone-Cylindrical Foundation in Permafrost Regions

Zhang Jun1， Zhang Ze1， 2， 3， Guo Lei4， Xie Chunlei1， 5， Jin Doudou4， 6， Zhai Jinbang7

1. School of Civil Engineering/Institute of Cold Regions Science and Technology， Northeast Forestry University， Harbin "150040， China

2. Northeast China Observatory and Research Station of Permafrost Geo-Environment （Northeast Forestry University）， "Ministry of Education，

Harbin 150040， China

3. Coordinated Innovation Center for Permafrost Environment， Road Construction and Maintenance in Northeast China （Northeast Forestry University）， Harbin 150040， China

4. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering， Northwest Institute of Eco-Environment and Resources， Chinese "Academy of Science， Lanzhou 730000， China

5. Quality Monitoring and Appraisal Station for Traffic Construction Project of Inner Mongolia Autonomous Region， "Hohhot 010051， China

6. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China

7. School of Traffic and Transportation， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China

Abstract：

In order to study the overall refreezing process of ground temperature of transmission line foundation in different seasons and the disturbance characteristics of construction on permafrost in different seasons， the construction period of large-scale excavation type foundation was optimized from the perspective of maintaining ground temperature stability of permafrost. Based on the Qinghai-Tibet DC power transmission project， this paper uses the geological and meteorological data of Chalaping area and the typical months （January， April， July and October） are selected to calculate and analyze the early ground temperature field of cone-cylindrical foundation after construction in different seasons. The results show that after the construction in autumn and winter（October and January）， the soil around the cone-cylindrical foundation will remain frozen， and the temperature difference between the soil in the backfill area and the natural frozen soil can disappear within ten d after the construction in January， and the thermal disturbance of the backfill soil is small. Construction in spring and summer （April and July） will increase the depth of the active layer and the thawing depth of permafrost during the thawing period， especially the construction in July can reduce the depth of active layer to the basement （4.0 m）， while the construction in April can increase the temperature of the backfill soil and lead to the refreezing time is as long as 195 d which is not conducive to the refreezing of the backfill and the development of follow-up work. Considering that the outside temperature gradually decreases after October， October to January in the next year can be used as the best construction period for the cone-cylindrical foundation in the permafrost region.

Key words：

permafrost; cone-cylindrical foundation; construction season; refreezing temperature field; construction time

0 引言

錐柱基礎是一種在工程中將端部進行擴大設計使用的樁基，相較于其他形式的樁基，在受到上拔荷載時，錐柱基礎受到上部土體的約束而保持結構的相對穩定［1-5］。在多年凍土區輸電線工程中，由于傳統的鐵路、公路橋梁樁基礎具有較大的埋深和質量，輸電線鐵塔基礎埋深較淺，難以抵抗土體凍脹產生的切向凍脹力，于是塔基建設大量采用錐柱基礎。據統計，青藏直流輸電工程錐柱基礎占多年凍土區塔基總數的54.9%［6］。

由于錐柱基礎是一種淺埋基礎，其基礎埋深約為3.7～5.8 m［7］，在施工時需要進行露天開挖并回填。這種施工方式無疑會擾動凍土溫度，特別是在我國北方很多地區，不同的施工季節溫度差異較大，施工后凍土溫度變化差距更大，而凍土溫度是影響地基承載的關鍵［8］。因此，針對施工后凍土溫度變化，學者們進行了大量研究。Zhang等［9］、Wang等［10］建立了熱力模型對各凍融周期的土體溫度及沉降進行了預測，發現基礎的沉降發生在施工后20～30 a間，且基礎的埋置深度是影響沉降大小的重要因素。而史向陽等［11-12］則設計室內試驗對樁基水熱狀況進行了探究，You等［13］、Xie等［14］通過溫度監控的方法分析了施工后回填土的溫度變化，發現在冬季施工有利于回凍的進行。Li［15］則從研究未采取保護措施的樁基凍融特性以及溫度場出發，對凍土活動層等內容進行了分析。Mu等［16］、Yu等［17］分析了熱管的長期降溫效果，發現施工后5 a內熱管對土體降溫效果最為明顯，而后土體的溫度變化逐漸減小。Mu等［18］研究了熱管和隔熱板的組合作用對淺埋基礎的降溫效果，表明放置隔熱板可有效減小基腳周圍的最大融深。Guo等［19］研究了湖泊的熱效應對樁基的影響，模擬結果表明湖體的熱效應影響范圍可以達到湖體外30.0 m，在氣候變暖的情況下，這種熱影響將縮短塔基的使用時間。

從以上分析來看，前人對多年凍土區錐柱基礎溫度場的研究主要集中于對長期溫度變化、熱管的降溫效果以及其他環境等因素影響的探討方面，鮮有對不同季節施工后短期內地溫場變化的研究。而不同施工季節地溫差異明顯，施工后土體溫度必將有較大差別，加之凍土溫度是影響地基承載能力形成的關鍵，直接影響著后續工序的進行；因此弄清不同季節施工后早期土體溫度狀態及其變化特征，對多年凍土區錐柱基礎施工設計以及施工期選擇具有一定參考價值。本文以青藏直流輸電工程為背景，選取青海省果洛藏族自治州瑪多縣查拉坪地區地質及氣象數據，使用數值模擬的方法對錐柱基礎不同季節施工后短期內動態溫度變化規律進行研究，分析不同季節樁基施工后地溫場的變化規律及其特征，以期對相似工程提供一定的借鑒。

1 研究區域

本文選取的研究區位于青海省果洛藏族自治州瑪多縣查拉坪地區（圖1），以該地區地質及氣象資料作為計算參考。文獻［21］的地質資料顯示，該區域海拔高度約為4 700 m，地形平坦無較大起伏，地區年平均氣溫為-8.0～-4.0 ℃，凍土類型為低溫基本穩定凍土，年平均地溫約-1.8 ℃。

2 研究方法

計算時以COMSOL Multiphysics作為分析工具，數值模型的控制方程、幾何模型及參數、邊界條件及初始值的選用介紹如下。

2.1 控制方程

根據傅里葉導熱定律可知，熱量傳遞的3種方式為熱傳導、熱對流、熱輻射［22］。要想完全真實地對溫度場進行復現，計算中要考慮到各個因素。但是，考慮的影響因素越多，計算難度也就越大。從已有的研究［15，18］來看，熱傳導是樁土傳熱過程中最主要的部分，因此利用考慮冰水相變的熱傳導方程計算樁基的溫度場具有較高的精度，能夠滿足研究的需要。控制方程［18］表示為

CTt=x（λTx）+y（λTy）。（1）

式中： C為體積熱容（J/（m3·℃））；T為溫度（℃）；t為時間（s）；λ為導熱系數（W/（m·℃））； x和y為空間變量。冰水相變時，土體的熱參數也將隨之改變，影響數值分析的準確性，通常采用顯熱容法，假設相變發生在溫度區間Tm±ΔT（ΔT為相變溫度區間的1/2；Tm為凍土相變溫度（℃））

，使土體熱參數平滑過渡。比熱容和導熱系數可用公式（2）（3）［23］表示：

C=Cf，"""""""""" Tlt;Tm-ΔT;L2ΔT+Cf+Cu2，Tm-ΔT≤T≤Tm+ΔT;Cu，"""""""""" Tgt;Tm+ΔT。 （2）

λ=λf，""""""""" Tlt;Tm-ΔT；λf+λf+λu2ΔT［T-（Tm-ΔT）］，

Tm-ΔT≤T≤Tm+ΔT；λu，""""""""" Tgt;Tm+ΔT。 （3）

式中：Cu和Cf分別為融土和凍土的體積熱容（J/（m3·℃））；L為相變潛熱（J/m3）；λu和λf分別為融土和凍土的導熱系數（W/（m·℃））。

2.2 幾何模型及參數

樁基及土體組成的傳熱系統是軸對稱的，可將其簡化為2維模型并取2維模型的1/2進行計算。數值模型如圖2所示，整個計算區域高15.0 m，寬10.0 m，基坑寬2.0 m，高4.0 m，樁基高4.7 m。

根據鉆探資料，土層從上至下分別為粉質黏土（厚度4.0 m）、砂礫土（厚度7.0 m）、風化泥巖（厚度4.0 m），3層凍土含冰量分別為60%、15%、9%，各土層的密度和熱參數［20，23-29］整理于表1中。

2.3 邊界條件及初始值

傳熱分析中通常采用溫度或者熱流邊界，相較于溫度邊界，熱流邊界更難獲取，因此在計算中溫度邊界更加常用，但是無論采取哪種類型的邊界，只要設置得當都能獲得較高的準確性［30］。本計算中，隨著氣溫的變化，模型上邊界波動較大，根據附面層理論將其擬合為式（4）形式的正弦函數：

T=T0+Zsin（2π/8760t+φ）。（4）

式中：T0為年平均溫度，取-1.8 ℃；Z為溫度振幅11.34 ℃；φ為相位角（°）。右側邊界為絕熱，左側為對稱條件，通過數值模型可得，底部的熱流密度為0.04 W/m2。

A1—A3、B1—B3分別代表A排和B排的測點，下標數字表示測點號。

計算分兩步進行：首先做一個50 a的初步計算，得到一個穩定的初始溫度場；然后將第一步的計算結果作為第二步計算的初始值，并將回填土溫度設置為計算起始月份的地溫平均值，開始回凍模擬。

2.4 計算工況

影響錐柱基礎回凍過程的因素較多，而本文立意于施工季節對回凍的影響。因此在進行數值模擬時，本文針對不同的施工季節，選取了4個季節中典型的代表月份1月（冬）、4月（春）、7月（夏）和10月（秋）作為計算工況（表2），計算中只需改變溫度曲線的相位就能得到所對應的上邊界條件，而回填土溫度的選擇基于回填施工前回填深度內原位土體溫度平均值，未考慮其他次要外在因素對回凍的影響。

2.5 結果驗證

為了驗證模型的準確性，利用上文建立的數值模型對地溫場進行了初步計算，并提取了距軸5.0 m處的土體地溫數據（2014-07-15），將模擬得到的

數據與現場觀測［20］得到的數據整理繪制于圖3中。

從圖3可見，模擬值與實測值在4.0 m深度以下土

體吻合較好，上層土體由于受到雨雪及滲流等因素影響，具有較大的不確定性，和模擬值具有一定的差異。從本文對樁基短期回凍規律的研究角度來看，建立的數值模型仍然是合理的。

3 結果與討論

3.1 樁-土系統溫度場變化過程

本文分別對4種施工月份對應的工況進行了數值模擬，圖4—7分別為4種工況施工后各時期地溫圖。

1月施工后地溫場變化如圖4所示，此時氣溫達到最低值，因此在施工時以及施工后上層土體一直處于凍結狀態。但是由圖4仍可以清晰地看到，施工對于土體溫度的擾動不可避免，施工時的開挖和回填都會破壞土體的溫度結構，造成基坑側壁小范圍的升溫，回填土的影響區域集中于地表下1.0～4.0 m深度范圍內，寬度大致為0.8 m，且呈現出一種從上至下影響范圍逐漸增大的趨勢，但是在表層土及3.2 m深度以下土體受影響較小（圖4a）。這種現象的出現，一方面是由于表層土體溫度較低，且回填土有較大的溫度梯度，因此短期內上部土體溫度變化不明顯；另一方面是由于在表層及樁底處存在著縱向和橫向2個方向的溫度梯度，因此對于橫向基坑側的影響小于中部土體。從整個回凍過程來看，1月施工對于多年凍土的影響極小，到5 d時回填土溫度差異基本消失（圖4b），其溫度變化和天然凍土基本一致，并且由于混凝土樁基優良的導熱性能，10 d時在近樁腳及樁頂處土體出現了雙向熱擴散（圖4c）。

圖5為4月施工后地溫場變化，

從圖5來看，相較于1月施工，4月氣溫逐漸轉暖，凍土變化出現先恢復凍結常態后再逐步融化的趨勢。回凍初期，回凍過程與1月施工類似，在外界低氣溫和基坑側天然凍土的作用下，回填土溫度逐步降低（圖5a）；隨著氣溫轉為零上，土體從上部開始融化，并在140 d時樁底達到最大融化深度，約為3.6 m（圖5b）；而后又逐漸凍結，回凍完成時“高溫核”出現在地表下2.0 m左右的天然凍土中（圖5c）。由于施工的影響，在回凍初期土體出現先凍結后融化再凍結的過程，若上部土層含冰量較大，必將造成土體的變形沉降，影響工程質量以及后續工程的開展。

7月是研究區最熱月，計算結果顯示，多年凍土附面層下表最高溫度達8.7 ℃。因此在回凍過程中，受氣溫及正溫回填土影響，天然凍土會逐漸融化到最大深度而后進入回凍期。回凍初期，回填土像一個“高溫核”，主要影響錐柱基礎底座周圍凍結土體（圖6a），并且由于底部及頂部都存在較大的溫度梯度，而頂部的溫差更大，因此在回填土溫度逐漸降低的過程中，高溫核中心逐漸下移至樁基底部（圖6b）。隨著氣溫轉為零下，土體上部開始凍結，其回凍規律同4月，不過由于7月對應的回填土溫度更高，雖然樁基具有良好的導熱性能能夠更快地使樁側土體溫度降低，但是降低并不明顯，導致回凍完成時的高溫核更靠近樁基（圖6c）。

圖7為10月施工后地溫變化云圖，總體趨勢與1月相似，但是前期由于回填土溫度的差異導致在回填土與天然凍土之間的傳熱過程有一定差異。由于10月回填土溫度低于基坑側凍土溫度，所以在溫度變化時1.0～4.0 m的土體變化與1月相反，即回填土溫度升高而天然凍土溫度降低（圖7a，b），到24 d時兩者溫度值趨于一致（圖7c）。進入11月之后地溫還將進一步降低，并且一直持續到來年春季。

3.2 不同季節施工后溫度場特征

3.2.1 土體溫度場特征

為了更深入地掌握不同季節施工后土中各處在回凍過程中的溫度變化情況，本文在土體1.5 m和3.5 m深度處分別設置了A和B兩排（各3組）溫度探點（圖2），用以監測土體的溫度變化，地溫監測結果見圖8。

從圖8可見：A排測點溫度變化幅度明顯大于B排，其最大溫差約為3.5 ℃（圖8c）；A、B兩排測點存在相位差，在達到溫度極值過程中，B排明顯晚于A排，但是從溫差以及相位差的計算值與施工月份的差異來看，溫差和相位差與施工月份并沒有明顯的聯系。溫差產生的最主要原因是，熱流在向下傳遞的過程中隨深度的增加按指數規律衰減，而相位差的產生是由于熱的傳遞路徑與時間成正比，同一熱流從上部傳遞至下部必存在時間間隔，不同月份的施工條件也勢必影響相位差的大小。但是從各工況計算結果來看，相位差集中于35 d，并無太大差異，亦即施工月份差異并不會對相同深度土體的回凍進程產生明顯的影響。

除了上述由于深度不同在溫度波動變化范圍上產生的差異外，圖8中還反映出土體在橫向不同位置以及施工后短期存在的地溫場差異。其中橫向的差異最主要體現在B系列各測點，且越靠近樁基土體溫差越大，特別是選擇在1月和7月施工后。這種橫向差異的產生最終引起圖4—7各圖中出現的凹形等溫線，且距離樁基越近溫度變化越快，例如點B1的溫度在施工后出現快速降低或升高（圖8a、c）。在凍融循環過程中，B1點的溫度也與B3點存在明顯差異，其主要原因是，相對于土體，樁基具有更好的導熱性能，樁側土體溫度變化受外界氣溫影響更大。因此，從降低樁基對地溫場的影響來看，對樁基表面進行隔熱處理是行之有效的保護措施。

此外，通過對不同施工月份的測點溫度極值進行對比分析，我們發現1月和10月施工后B系列測點處地溫場在最熱月仍能保持凍結狀態。從施工后盡快完成凍結并開展后續工作來看，1月和10月這樣的寒冷季節顯然是進行多年凍土區基礎施工的最佳選擇。

3.2.2 施工季節對地溫的影響

地溫包絡圖是反映多年凍土信息的重要工具，本文選擇了施工結束后一個凍融周期內距樁周1.0 m處最熱月7月和最冷月1月的地溫數據（圖9）。從圖9可知，不同施工時間對短期內多年凍土活動層深度影響較大，圖9a中4月施工相比其他月份施工，活動層深度降低約為1.0 m，而研究區多年凍土埋深約為2.0 m左右。不同施工月份對地溫的影響主要

發生在2.0 m深度以下，4月施工后在7月地溫值高于其他3個施工月份，而10月施工后在1月地溫值低于其他3個施工月份，溫度數值差異在1.0 ℃之內，而數值模擬的多年凍土年平均溫度為-2.0～-1.8 ℃。直觀來看，或許我們會認為7月施工是對最熱月溫度影響最大的月份，1月施工是對最冷月地溫影響最大的月份，但這里產生的現象并不如此，原因主要有2個：一是選取的是施工后一個周期內的最熱和最冷月地溫值，并非施工月1月和7月當月地溫值；二是4月和10月施工后對凍土溫度的擾動在7月和1月尚未完全消失，10月施工后外界氣溫進一步降低，施工后短期內對土體溫度的干擾還很明顯。4月和10月施工對地溫的影響不可避免，那么在春夏這樣的高地溫月份施工亦會提升多年凍土的溫度并降低多年凍土埋深，影響工程的安全進行及后續工作的開展，而在10月之后的寒冷季節施工更為安全。

3.3 融區動態變化過程

在上文的分析中我們發現，施工季節的不同對多年凍土區樁基施工后早期回凍規律的影響主要體現在回凍溫度場的變化特征、熱流的流向、樁側不同位置土體溫度以及活動層深度的變化方面；而這些因素都與多年凍土融化過程緊密相連，并且對于多年凍土區樁基來說，施工后早期多年凍土的融化特點對樁基的施工十分關鍵。因此，本節從研究施工后早期凍土融化角度對4種工況的凍土融化面積以及融化過程與施工月份的關系進行討論分析。

圖10和圖11分別給出了4月和7月施工后早期凍土的融化過程，圖12給出了4種月份施工后第1個凍融周期內融區面積的變化曲線。從圖10和圖11凍土的融化過程來看，凍土的融化過程受到施工季節以及樁基導熱性能的影響，在春夏兩季施工后土體受氣溫及施工的影響將會逐漸融化，而在秋冬季施工后土體將保持凍結而后隨著氣溫的升高才開始融化。其中，4月施工后其融化狀態持續時長為194 d（到11月初），7月施工后雖然土體處于融化狀態時長為105 d，總時長小于4月，但是由于外界氣溫較高，施工對于凍土的擾動非常大，致使凍土的融化面積明顯大于其他3個季節（圖12）。上述結論與3.2節中相關分析結果一致，進一步說明了施工季節對于多年凍土區大開挖基礎施工的重要影響。

4 結論與建議

1）受回填土溫度及施工期外界氣溫影響，春季及夏季回填施工會增強回填區材料的熱擾動。計算表明，4月及7月施工后回填區長時間處于融化狀態，10月以后才能完全回凍，不利于樁基承載力的形成以及輸電線路的快速組網運行。

2）數值模擬結果顯示，青藏高原多年凍土區錐柱基礎最佳施工時期為秋冬季，春季應避免在4月之后進行施工作業。

3）本文僅對不同施工季節典型月份進行了數值模擬，也未能考慮回填區水分狀況的影響，如能建立更加全面的數值模型，擴充完整的施工月份并獲得回填土沿深度的溫度分布，則能給出還原度更高、更全面的施工時期建議。

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