基于湖岸露基船台冻拔试验研究

孙洪伟

（长春工程学院土木工程学院，长春130012）

0 引言

入冬前长春南湖湖区部分排水，水面降低引起近岸湖底基土露天的船台为露基船台。它是主要湖岸工程之一，如图1所示。经过3个寒期对露基船台的原位观测，发现基土冻胀推动船台基础桩使船台结构整体产生了向上拔出的现象，我们将该现象定义为“冻拔”，表现为船台向上拔起产生了“冻拔”位移［1］。船台“冻拔”是自然现象，但频繁“冻拔”会破坏船台整体性而降低使用寿命；冻拔引起的台岸“错动”会影响使用功能。可见，船台“冻拔”也是一种冻害［2－3］。据原位观测采集的船台冻拔位移数据建立的冻拔位移和寒期气温间的关系曲线（以下简称冻拔位移曲线）的状态分析，显现船台冻拔和寒期气温变化强相关，并呈现特有的规律。本文据冻拔位移曲线分析揭示露基船台的“冻拔”规律。

图1 露基船台“冻拔”机理和“冻拔”位移图

1 露基船台“冻拔”位移曲线的建立

据南湖公园露基船台实测“冻拔”位移值，绘制3个寒期的“冻拔”位移曲线和同期气温变化曲线，如图2～4所示。每个寒期（a）图中的“半驼峰型”曲线代表据船台冻拔位移观测点测得的冻拔位移值绘制的冻拔位移曲线。各观测点［1］的冻拔位移曲线集合成图示的曲线组，虚线代表位移回归曲线。冻拔位移单位为mm。（b）图中的“频谱型”曲线是据寒期日最高气温和最低气温绘制的同期气温变化曲线，图中虚线表示回归的日平均气温曲线。气温温度单位为℃。

2 露基船台冻拔位移规律分析

图3 第2寒期南湖公园露基船台“冻拔”位移规律曲线和同期气温变化曲线（2011／2012寒期）

据地质报告，南湖公园湖岸露基船台场地基土为粉质黏土，地下水位在地表以下－0.5～－2.8m。土层含水率较高，属强冻胀性土［2］。船台实测冻拔位移曲线和拟合后的冻拔位移曲线如图2～4。位移曲线总体均呈“半驮峰型”姿态发展，表明各寒船台发生的冻拔形态总体趋势相似。其中：相同基土冻胀条件下，自重小的船台抵抗冻胀应力的能力弱，相应产生的冻拔位移较大，位移曲线上凸高耸；反之，冻拔位移小，位移曲线扁平。反映在位移曲线上形成多条位移区位不同的曲线组。但各船台冻拔位移发展状态相似，位移曲线的总体均呈“半驮峰型”态势。经反复研究和对比分析发现气温的变化直接影响位移的变化，位移的变化状态是通过以下4个温度时段反应出来的。

第1时段：持续降温时段——气温向负（低）温的下降期，时段内气温呈波动性下降趋势。长春地区的持续降温时段为每年的11月初至12月中下旬，最长至次年的1月上旬，约40～60d，如图2～4所示。持续降温时段的平均温度在－5℃至－13℃之间，呈下降波动趋势。时段内日最低气温达－20～－25℃，发生在持续降温时段的末期。

图4 第3寒期南湖公园露基船台“冻拔”位移规律曲线和同期气温变化曲线（2012／2013寒期）

各寒期持续降温时段船台的位移曲线呈前期小幅平缓下降过渡到后期平缓上升趋势。前期平缓下降表明船台发生了较小的负位移，即下降位移；后期的平缓上升显现出船台发生了冻拔位移，并增大较快。笔者分析：出现下降位移的原因是船台钢筋混凝土板、基础桩及周围基土整体因降温产生“冷缩”，引起船台板台面降低，即台面降低是随持续降温收缩而继发的，表现在船台就是产生了缓慢的下降，类似出现了下降（负）位移。船台冻拔位移曲线平缓回落即说明这一下降过程。这种下降是由于持续降温使船台、基础桩和基土整体“冷缩”引起的，而非其他因素引起的“下降”。如：各寒期中该时段的最大下降位移在5mm左右。在持续降温时段的初期，船台基础桩周围的基土刚刚开始受冻，冻土层很薄，冻胀作用极小，没形成足够的向上的切向冻胀应力τ（如图1）推动船台基础桩产生“冻拔”位移。持续降温的中后期，随冻土层逐渐冻结增厚冻胀性增强，作用于船台基础桩上的切向冻胀应力τ逐渐加大。当τ增大至超过桩和船台平均重G和未冻土层对桩的摩擦阻力f之和时，即τ≥G＋f时［3］，船台在其基础桩推动下开始产生冻拔位移Δ（mm）。随切向冻胀应力的不断加大，船台的冻拔位移也不断增大。如：各寒期持续降温时段的末期，各船台的冻拔位移增大到5～10mm。可见，持续降温时段的前期船台降温收缩产生下降位移，后期是冻拔位移产生的开始阶段。

第2时段：持续低温时段——持续低温时段时间较长，气温在较低负温下平稳波动，为年最低气温期。虽在时段末气温略有回升，但总体处于绝对负温状态。长春地区的持续低温时段为每年的12月下旬至次年2月中下旬，约60d左右，如图1～3所示。时段平均温度在－8～－15℃之间，呈水平波动趋势。时段内日最低气温达－22～－27℃，一般发生在当年的12月下旬至次年的1月中旬。时段内气温低且波动小，为土冻结创造了充足的低温条件。

观察各实验寒期持续低温时段船台的冻拔位移曲线，如图1～3所示，曲线呈上凸陡峭增长趋势，上升梯度较大。表明在该温度时段冻拔位移以较快的速度增大。如：各实验寒期持续低温时段实测平均冻拔位移速度在0.315～1.123mm／d之间，最大冻拔位移速度达0.414～2.2mm／d。笔者分析：冻拔位移增速较快的原因是时段内船台桩基土处于绝对负温的低温环境（时段末气温虽有升高，但仍为较低的负温）。长时间连续的低温作用使冻结基土中的残余未冻水冻结成冰，和地下水向冻结深度处迁移再冻结［2，4］，基土体积继续膨胀，冻胀性持续增强［2，4］，使得作用于船台基础桩单位面积上的向上的切向冻胀应力τ强度持续加大。同时，随持续低温基土冻结加深，基础桩与冻结基土的接触面积加大，致使作用于桩表面的切向冻胀应力τ的绝对值加大，进一步增强了对桩的推动作用。据前文分析，当τ≥G＋f（符号意义同前）时，船台即可发生冻拔并相应产生冻拔位移。其中船台与桩的平均自重G和未冻土层对桩的摩擦阻力f是定值，而在持续低温时段切向冻胀应力τ是随冻土的冻胀强度和作用面积的增大而加大的，即切向冻胀应力在长期持续的低温作用下是持续增大的，必然导致基础桩和船台整体产生较快速的“冻拔”，即产生越来越大的冻拔位移。冻拔位移曲线呈上凸陡峭增长的特征印证了这一点。笔者认为另一不容忽视的因素是：持续低温下，一定厚度的冻土层在平面上无限延展形成刚度较大的平面块体，由于块体冻土中的未冻水随持续低温会继续冻结，这个巨大的冻土块体横向冻胀将额外对船台基础桩产生较大的冻胀力。因冻土的各向冻胀特性［2，5］，冻土块体的冻胀力的一部分以向上的切向冻胀应力的形式作用于船台基础桩表面，参与对桩的“冻拔”。

各寒期持续低温时段末期，气温在负温下有一定幅度回升。如：长春地区的2月中下旬为持续低温的末期，气温开始在负温下回升，一般年份回升至3月中下旬达到正温期。船台桩基土向深层的冻结因气温回升而减缓。气温继续回升接近正温期，冷源减少，基土向深层的冻结将终止，此时土的冻结深度为该寒期的最大冻结深度［4，6］。且作用于船台基础桩上的切向冻胀应力因基土冻结逐渐终止趋于恒定，冻拔位移不再增大，该时期的冻拔位移将为本寒期的“最大冻拔位移”。可见，最大冻拔位移发生在持续低温时段的末期，也是持续低温时段向升温时段的过渡转折期。如图2～4中的各寒期的实测最大冻拔位移在19～110mm之间，均发生在每年的2月中下旬。此时期均为各寒期持续低温时段的末期，也是持续低温时段向升温时段的过渡转折期。

第3时段：持续升温时段——气温向正温的升高期，时段内气温波动性上升。长春地区的持续升温时段为每年的2月下旬至3月中旬，最长至4月上旬。约30～40d，如图2～4所示。各实验寒期持续升温时段的平均温度在－3～7℃之间，呈上升波动趋势；持续升温时段的中晚期，日最高气温可上升至9～22℃。升温时段气温的升高，为船台桩基土解冻融化提供了温度条件。

各寒期持续升温时段，船台冻拔位移曲线呈上凸平缓下降形态。说明达到最大冻拔位移的船台又出现了下降，冻拔位移出现规律性的减小。并表现出升温时段位移下降速度比持续低温时段冻拔位移增长速度慢，如图2～4所示。如：各实验寒期冻拔位移平均减小速度分别在0.114～0.676mm／d之间，同寒期各持续低温时段（第2时段）冻拔位移增长速度相比，仅为冻拔增长速度的1／2.76～1／1.66，减小约40%～64%，说明持续升温时段船台冻拔减小的速度（船台下降速度）比冻拔速度缓慢。笔者分析：因作用于基础桩侧冻土切向冻胀应力随冻基土的逐渐解冻而减小，船台结构在自重作用下整体下降，引起冻拔位移减小。而持续升温冻土缓慢融化是土冻胀应力减小的直接诱因。持续升温首先使表层冻土内的冰体融化形成融土，切向冻胀应力相应消失。随气温继续升高，冻土将以一定速度逐渐向冻层深处延伸融化，意味着延伸层内融土的切向冻胀应力也相应消失，作用于船台基础桩上的有效切向冻胀应力τ逐渐减小，船台和基础桩将在自重G作用下逐渐下沉达到新的平衡，表现为冻拔位移减小。其中冻土层融化速度决定切向冻胀应力消失速度，也直接影响船台下降或冻拔位移减小的速度。船台下降到某低位（减小到某位移）时可达到一个“暂时平衡”，这个平衡是靠土层深处未融化的冻土层的剩余切向冻胀应力暂时维持的。一旦该冻土层开始融化，切向冻胀应力继续减小，这个“暂时平衡”将被打破，船台会继续下降，冻拔位移继续减小，直至最大冻深的冻土层全部融化［7－8］，作用于船台基础桩上的切向冻胀应力最终全部消失，船台和基础桩重量最终靠融土层的摩擦阻力平衡。至此，持续升温时段船台的下降（位移减小）宣告终止。不难看出，冻拔位移动态平缓下降过程是一系列平衡被打破到建立新平衡的动态往复过程的体现。而制约平衡的关键因素是持续升温对船台桩基冻土融化的进程，基土向深层融化速度越快，船台下降的位移速度越快，二者正相关。但持续升温时段船台的下降位移速度比持续低温时段的船台冻拔位移速度要慢得多。原因是船台下降时即要克服剩余冻土层的切向冻胀应力，还要克服升温增厚的融土层和下部未冻土层的摩擦阻力，引起船台下降速度缓慢。

需要指出的是，以下几个因素对船台冻拔和下降的影响也应引起注意：1）冻土热工作用影响：寒期内，某冻结深度的基土在平面上形成一个巨大连续的冻土块体。同其他材料一样，在温差作用下，冻土块体也具有热胀冷缩的特性。昼间升温块体吸热膨胀，夜间降温收缩。白天块体的膨胀产生对船台基础桩的水平挤压力，会抑制船台基础桩的下沉。甚至会瞬时助长船台基础桩的冻拔。但因冻土的蠕变特性［5，9－10］挤压力随时间推移会减小，抑制作用会减轻。夜间降温收缩后的基土和桩之间产生脱离，这将有利于桩和船台整体下降。足见，频繁的热胀冷缩作用将有助于船台下降。应该指出的是上述的挤压力是由冻土块体的热胀产生的，而非冻胀产生，应属冻胀作用的次生力。此外，热胀冷缩的高发期应是持续低温时段的末期至持续升温时段的初期，因为此时期的昼夜温差大，胀缩效果明显。频繁的热胀冷缩会使冻土表面产生纵横交错的裂缝，裂缝在地表宽，在深层窄。裂缝破坏了冻土块体的连续性，相应削弱了对桩的冻胀作用，这也将有助于船台的下降。2）光照的影响：白天光照提高了地表冻土的温度，产生浅层融化。融化土层对船台基础桩的冻拔或下降失去作用。3）风力和干燥气候的影响：冬春季风力较大，空气干燥，基土表层冻土失水收缩，产生干缩裂缝，也将消减表层冻土对船台基础桩的冻胀作用，促进船台下降。

笔者认为，在持续升温阶段船台下降（位移减小）是由以上诸因素耦合作用的结果。船台在时段的末期下降到趋于某恒定值不再减少，接近年剩值冻拔值。可见，持续升温时段冻拔位移缓慢减小，是船台冻拔的“回落期”。

第4时段：正温时段——气温的正温波动期，时段内气温在正温下持续走高。长春地区正温时段从3月下旬始至4月中下旬，最长至5月中旬。约30～50d。其后过渡为夏季温度，不在实验期内。各实验期正温时段的平均温度在4～17℃之间，均呈上升波动趋势。正温时段日最高气温可上升至20～28℃。正温时段的持续高温，使船台桩基土解冻融化。各寒期进行的船台基土冻深的挖掘试验，测量的最大冻结深度在0.9～1.2m之间。冻基土从持续升温时段逐渐解冻融化，至正温时段最大冻结深度内的冻土全部融化。

观察各寒期正温时段的冻拔位移曲线，随时间的推移，位移变化呈水平态势。如图1～3。表明正温时段内船台即无冻拔位移，也无沉降位移，船台下降终止，位移趋于恒定值。如前分析：从持续升温时段至正温时段的较长时间内，船台冻基土持续吸收升温热量全部融化，作用在船台基础桩上的切向冻胀应力全部消失。而融土层的摩擦阻力和未冻土层的摩擦阻力的共同作用力f成为抵抗船台结构整体下降的主要抗力。当船台和基础桩自重G和总的摩擦阻力f相平衡时，船台下降终止。正温全时段的力场正是处于该平衡状态，故正温时段的各冻拔位移恒定于某值不变，位移曲线呈水平态势，是冻拔位移的最终稳定期。

正温时段的恒定位移为经历一个寒期剩余的船台冻拔位移值，也是真正意义上的年冻拔位移。如：自重较轻的船台的不同观测点上的年冻拔位移在8～81mm之间；较重的船台在4～13mm，如图2～4。另外，位移曲线又表现出：正温时段的末期船台冻拔位移有轻微增大，位移曲线略显上升。在第3个寒期尤为明显，如图3所示。原因是该时段船台桩基础埋深范围内的土层含冰全部融化使桩基土含水率提高，另外地下水的循环补给也持续保持了桩基土的含水率，二者的供应使桩基土的含水率高，处于饱和状态。饱和土的浮力向上推动船台基础桩，使船台整体产生轻微上浮，表现为正温时段的末期船台出现轻微的上升位移，但正温时段是年剩余冻拔位移的稳定期。

研究也发现：寒期的平均气温偏高，船台的冻拔量会整体减小。第2观测实验研究期内的船台桩基础“冻拔”位移特征曲线说明了这一点，如图2所示。其位移变化和其他两观测实验研究期形态相似，但冻拔位移总体比其他两期减小约75%左右。原因是该寒期气温偏高（暖冬），基土冻深浅，冻胀性弱，作用于船台基础桩上的切向冻胀应力较小，相应产生的冻拔位移较小，表现在该期船台的“冻拔”位移特征曲线呈“扁平”状态。

3 结语

湖岸露基船台“冻拔”是自然现象，也是“冻害”。通过对3个寒期露基船台实测“冻拔”位移曲线和同期气温的对比分析，反映出在寒期的4个不同温度时段船台产生不同形式的冻拔位移状态。原因是4个时段的不同气温使基土产生了强弱不同的切向冻胀应力作用于船台基础桩，最终以船台的4种位移状态表现出来。可见，寒期不同气温引起的土冻融状况［10］是影响湖岸露基船台冻拔位移状态的关键。概言之，寒期船台的冻拔呈4个温度时段变化规律。

［1］孙洪伟.季节性冻土地区人工湖岸桩基础“冻拔”现象的观测［J］.长春工程学院学报：自然科学版，2007（4）：1－4.

［2］陈尚柏，王雅清.土的冻结作用与地基［M］.北京：科学出版社，2006：254－496.

［3］孙洪伟.人工湖岸船台桩基础“冻拔”防治措施的提出和实验［J］.长春工程学院学报：自然科学版，2008（1）：4－7.

［4］孙洪伟.对MiLLer和Beskow冻土理论的研究［J］.长春工程学院学报：自然科学版，2014（2）：16－19.

［5］孙洪伟.关于冻土的不稳定性研究［J］.长春工程学院学报：自然科学版，2014（1）：9－12.

［6］中华人民共和国建设部.GB 50007—2011建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

［7］周幼吾.中国冻土［M］.北京：科学出版社，2000：10－216.

［8］朱自强.论季节性冻土沿深度分布［M］.北京：科学出版社，1989：135－138.

［9］徐学祖.土体冻结冻胀研究的新进展［J］.冰川冻土，1997，19（3）：280－283.

［10］张世银.土壤冻胀性的试验研究［J］.岩土工程界，2004，17（2）：72－73.