单向冻结过程中桩土相互作用试验研究

陆建飞，帅 军,刘金鑫

(江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江212013)

单向冻结过程中桩土相互作用试验研究

陆建飞，帅 军,刘金鑫

(江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江212013)

采用自行设计的单桩-正冻土模型试验装置，对单向正冻土和桩的相互作用进行了模拟试验。试验研究了相同含水率下，冻结温度分别为-5、-10、-15 ℃时，正冻土中的桩周土体温度场，桩顶上拔位移和桩基侧摩阻力的变化趋势。试验结果表明：在单向冻结过程中，桩周土体温度呈渐变趋势，且与冻结温度相关；桩顶位移经历3个阶段，即冻结初期无明显位移阶段、迅速增长阶段及逐渐平稳阶段，且冻结温度越低，桩顶上拔位移越大；不同冻结温度的桩周摩阻力沿桩身变化趋势类似，即摩阻力呈现正、负交替分布的状态。

岩土工程；正冻土；单向冻结；桩；侧摩阻力；上拔位移

0 引 言

从全国范围来看，我国多年冻土与季节性冻土分布面积超过全国总面积的一半[1]；国家对西部的发展投资力度逐年加大，在冻土地区进行基础设施建设已十分常见[2]。桩基础的高承载力、以及在冻土中的较好稳定性使其成为寒区工程最常用的基础形式。在寒区进行桩基础设计和施工无法避免桩基础和冻土的相互作用问题。在冻土地区，存在由于设计中忽略冻土和桩基础相互作用的影响，而导致桩基础大幅沉降，建筑物倾斜开裂甚至无法使用的案例[3]。因此，桩基础和冻土的相互作用问题引起了国内外各界的高度重视，尤其是冻土工程界。众多学者通过进行室内桩与冻土模型试验以及现场实测[4-5]得出了冷区桩周平均摩阻力与温度、水分等因素的关系是非线性的结论。赖远明等[6]在理论上对切向冻胀力的大小和其沿着桩侧的分布规律进行了探索，导出了桩基冻胀力三维问题的积分方程。舒春生等[7]模拟了在冻结过程中，桩与冻土相互作用模型试验，得出了桩土相对位移和桩周冻结力随冻结时间的发展趋势；王旭等[8]对桩与冻土相互作用进行了现场试验，根据所采集的实地温度与施加的静荷载，得出了在再次冻结过程中桩基础的竖向承载力和桩周冻结力的分布规律；孙学先等[9]对青藏高原地区的两种桩基础进行了现场拉拔试验，试验分析了不同的桩型在相同的温度场和地质条件下，桩基础的竖向位移和抗拔承载力的变化规律；张军伟等[10]对风火山地区灌注桩进行了现场静力试验，得出了高温冻土地区受扰动后桩基础的极限承载力和变形规律；张向东等[11]对融化过程中桩周总摩阻力进行了试验研究，得出了桩侧摩阻力与沉降位移的关系；李永波等[12]利用自行设计的仪器，对冻土-桩模型进行水平方向动力试验，得出了桩基的荷载-位移曲线。

值得指出的是，上述研究对桩-冻土的相互作用问题的研究具有重要意义，但目前对土体冻结过程中桩-土系统的一些关键变量随时间的变化仍需进行系统研究。因此，笔者采用镇江地区黏土和模型桩，以高低温交变试验箱作为冷源，来进行季节性冻土-桩的相互作用试验，将冻结温度作为主要因素，系统研究在冻结过程中桩周土体温度的变化、桩顶上拔位移以及桩侧摩阻力随时间的变化规律。

1 室内模拟试验概况

1.1 试验准备

1)桩周土试样制备及其物理力学性质

试验采用镇江某工地的黏土，将采集后的土体经过暴晒风干碾碎过2 mm筛，取约25 kg土试样根据土工试验方法配置含水率为30%的土样，冻结前粉质黏土物理力学性质为：液限WL为34.6，塑限WP为21.4，塑性指数IP为13.2，渗透系数为5.4×10-6cm/s,-5、-10、-15 ℃的实配含水率分别为28.7%、28.1%、29.4%。

2)模型桩的制备

由于试验空间的限制，选取无缝钢管作为模型桩基础，钢管截面为圆环形，其外径为10 mm，壁厚2 mm，长度280 mm，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3。

1.2 试验装置与数据采集

在古希腊，城邦就是人开启公共生活的公共空间，人以此为契机在一个公共、开放的环境中交流与行动，人的文化和精神诉求得到满足，人的意识和肉体发展在城邦的孕育下呈现勃勃生机。亚里士多德称：“人是天生的城邦动物”。人的生命存在离不开社会活动的参与，人的生存发展始终与城邦紧密相连。人在城邦生活中自由地发表言论，积极追求至善的德性。在古希腊，长期的战争环境要求每一个公民必须具备强健的体魄，能加入到保卫城邦的战争中，斯巴达的儿童从七岁起就由国家抚养，每一个人都进行体育教育和军事训练。也正因如此，公民意志得以凝结成强大的力量，保护自身，保护家园，人的日常生活得以有序地进行。

冻结试验系统由温度控制系统、桩土试样模型系统、数据采集系统等组成。

1)温度控制系统采用苏州东华仪器公司所研制的GWD-150高低温交变试验箱，该仪器制冷温度最低可达到-40 ℃，最高可达到150 ℃。在试验箱的仪表盘上能够实时显示预期温度值和实际温度值；在试验箱量程允许范围内该仪器能够精确控制温度的变化，其误差不大于0.1 ℃。

2)桩土试样模型系统中的填土容器采用直径为25 cm的PVC水管，高度为25 cm，周围裹一层聚氨酯保温板，桩土试样整体放入定制的保温箱内，保温箱的总体尺寸为49 cm×46 cm×33 cm，保温箱内部能够让土样四周及底部不受负温的影响，以此来实现单向冻结。

3)数据采集系统采用DH3818-2静态应变测试仪，该测试仪有20通道，能够采集温度、位移和应变等数据，计算机能自动存储所采集的数据。桩周土温度分布采用T型热电偶测得，精确度为0.01 ℃。桩顶上拔位移用5G102直线位移传感器测得，其量程为25 mm，误差小于0.25%。桩侧应变片采用BX120-3AA电阻式应变片，该应变片电阻值为120 Ω，灵敏度系数为2.08±1%，采用DH3818-2静态应变测试分析仪连接计算机自动采集数据。本试验采集的数据包括：桩周土的温度、冻结过程中桩顶的上拔位移及桩侧应变。

1.3 试验过程

试验前在桩周按顺序沿着桩顶往桩底方向粘贴应变片，应变片导线沿桩身延长接到DH3818-2数据采集仪上。桩身每隔2 cm间隔布置一对应变片，为了消除冻结过程中温度的影响，采用对称横竖贴片方式，一侧拉伸，另一侧压缩，抵消温度的影响，第1对应变片距离桩顶10 cm，共布置9对，最后一对距离桩底约2 cm，应变片外表面用704防水胶进行包裹，防止在冻结过程中水分对其造成影响和损坏应变片。桩基础应变片布置如图1。

图1 桩身贴片示意Fig. 1 Distribution of strain gauge on pile

将配置好的土体分层填入试验箱中，每填5 cm用木槌夯实，第1层土厚大约5 cm，安放粘贴好应变片的桩基础，填土过程中确保桩基础始终呈竖直状态，继续填土至与PVC管平齐，埋入土中的桩基础长度为20 cm。为监测桩周土温度的变化，在桩周布置9根T型热电偶，实际埋深分别为：0、4.5、6.5、9.0、11.5、14.5、17.5、20.5、23.5 cm。准备完成后，将桩土模型整个系统移入高低温试验箱。在试桩顶部布置一个直线位移传感器，用于测量冻结过程中桩顶上拔的位移量。将应变片、温度传感器和位移传感器延长线接入DH-3818数据采集仪，设置至试验温度，开始试验，每隔10 min采集一次数据，整个试验过程中无水源补给。

2 试验结果与分析

2.1 桩周土温度场变化趋势

正冻土中的桩基础与其他常规土体中的桩基础有着本质区别，随着冻融箱内温度下降到0 ℃以下(试验前多次测验得该土体的冻结温度大概在-0.5 ℃)，土体中部分液态水发生相变冻结成固态冰并与桩基础侧面紧紧的胶结成一体形成冻结力，桩基础承载能力显著增强。文献[13-15]表明，温度是影响冻土强度特性的主要因素之一，因此，对桩体附近温度的监测非常重要，也是后续研究的前提。为了能清楚地观察土体中温度场的变化规律，将数据进行处理，不同冻结温度下的温度场分布曲线如图2、图3。以土体表面与桩交点为原点，桩埋深方向为正方向。

图2 不同冻结温度下桩周温度随深度变化Fig.2 Pile temperature changing with the depth at different freezing temperatures

图3 不同冻结温度下桩周温度随时间变化Fig.3 Pile temperature changing with the time at different freezing temperatures

2.1.1 不同时间温度随土体深度发展规律

由前述可知，桩周附近共布置有9组温度传感器，图2给出了冻结过程中每隔5 h，即时间为0、5、15、20、25、30及35 h时，桩周土体温度沿深度的变化趋势。由图2可以看出，在不同冻结温度下，土体中温度变化规律基本相似，图2(a)、(b)和(c)中温度总体变化都是随时间呈下降趋势，从剧烈冻结进入到稳定冻结。温度沿土体深度方向变化存在一个温度差，这符合单向冻结条件下桩周温度场的变化趋势。在负温的直接作用下土体上半段(0～12 cm)温度变化较快，曲线倾斜较明显，在土体表面处，10 h之内达到了最低温度；在土体下半段(12～25 cm)曲线变化逐渐平缓，温度变化较为缓慢；在冻结过程中，冻结锋面不断下移，在不同的冻结温度下，冻结锋面最终到达的位置不一样，图2(a)中冻结锋面位置大致在9 cm处，图2(b)中冻结锋面位置大概在14 cm处，图2(c)中冻结锋面位置大概在17 cm处。

2.1.2 不同深度温度随时间变化

由图3可以看出，0～10 h，曲线斜率较大，温度迅速下降，土体4.5 cm处温度从初始温度21 ℃下降到0 ℃左右，负温直接作用在土体表面，土体上半段开始剧烈冻结；从10～35 h，曲线逐渐平缓，温度缓慢降低，土体在稳定冻结；对于不同的冻结温度，冻结温度越低，冻结锋面不断向土体下部移动，且到达冻结锋面所需的时间相对越来越长，-5、-10、-15 ℃冻结时，分别在15、20、23 h后到达，且温度稳定的区域逐渐往下移，图3(a)中，土体4.5 cm处温度与土体表面温差较大，其后温度逐渐稳定，温度梯度很小，图3(b)中，温度梯度相差小的区域位于6.5 cm处，图3(c)中，土体温度相差很小的区域位于9 cm以后。

2.2 无荷载条件下冻结过程中桩顶位移与时间的关系

试样系统在-5、-10和-15 ℃温度下冻结时,冻结过程中桩顶上拔位移与时间关系曲线如图4。

图4 不同冻结温度下桩顶上拔位移随时间变化Fig.4 Uplift displacement of pile top changing with the time at different freezing temperatures

由图4可以得出，在不同温度下冻结，桩顶会产生上拔位移且具有相似的变化规律。随着高低温交变试验箱内温度逐渐降低，土样开始冻结，桩顶产生上拔位移。整个曲线可以分为3个部分：无明显位移阶段(可以看出具有向上运动的趋势)、位移快速增长阶段和逐渐稳定阶段。在-5 ℃温度下冻结时，在0～15 h阶段，桩基础无明显位移，在15～30 h阶段，桩顶开始向上产生位移，且速度较快，在30～35 h阶段，位移增长缓慢，最终上拔位移量为0.95 mm。在-10、-15 ℃温度下冻结时，桩基础无明显位移阶段所延续的时间几乎接近，都在0～10 h左右，-10 ℃中稍有后移，在快速增长阶段，-15 ℃中曲线斜率始终大于-10、-5 ℃中，表明冻结温度越低，桩基础上拔进程加快。在逐渐稳定阶段，-15 ℃位移始终大于-5、-10 ℃，冻结35 h后，3者最终上拔位移量分别为0.95、1.83和2.14 mm，可见温度从-10 ℃降低到-15 ℃，桩基础上拔位移增长较小。

2.3 冻结过程中桩侧摩阻力沿桩身的变化趋势

桩侧摩阻力的大小不能像温度、位移一样直接读取，只能利用应变仪采集到的数据进行转换处理而得到。冻结过程中，桩基础主要受胶结力作用。根据文献[16-17]，桩侧摩阻力fi可以表达如下：

Ni=EAεii=1,2,…,9

(1)

(2)

式中：fi为第i段桩侧摩阻力，向上为正；Ni和Ni+1分别为第i段桩的顶部和底部的轴力；εi为第i个轴向应变,其由静态应变分析仪直接采集得到；d为桩截面外径，m；ΔL为相邻应变片垂直中心距，m。

在-5、-10和-15 ℃温度下冻结时，1、3、5、7、9、11、13和15 cm处桩侧摩阻力随时间的变化规律如图5。由图5可知，不同温度下冻结时，桩周摩阻力沿桩身的变化规律相似，桩周侧摩阻力沿桩身均呈正负摩阻力交替变化，具有多个极值点。在冻结初期，土体还未冻结，此时摩阻力较小，随着土体冻结，桩基础开始上拔，导致摩阻力开始增加，在0～15 h内，侧摩阻力增长较快，其后20 h侧摩阻力只有小幅增长，侧摩阻力极大值大概出现在5～9 cm深度处，冻结35 h后，3种温度下的极大值的绝对值分别为107.3、143.5和160.6 kPa。此外，在整个冻结过程中，桩基础的正负摩阻力大致平衡。

图5 不同冻结温度下侧摩阻力随埋深变化Fig.5 Side friction changing with the depth at different freezing temperatures

3 结 论

通过冻土与桩基础相互作用试验研究，可以得出如下关于桩土系统的温度、桩顶位移和侧摩阻力的一些结论：

1)在单向冻结过程中，热量向上传递需要一个过程，因此，土体上半段温度场波动较大，下半段变化较为缓慢，土体中存在温度差，符合单向冻结的理论，且冻结温度越来越低，相同时刻冻结锋面的垂直位置越深。

2)在冻结过程中，桩基础会产生向上的位移，整个上拔过程可分为3个阶段：无明显位移阶段、位移迅速增长阶段和逐渐平稳阶段。温度越低桩基础开始上拔时间越早，-5、-10、-15 ℃三种温度所对应的上拔时间分别为12、9和7 h；温度越低桩基础的上拔位移量越大，3种温度下最终上拔量分别为0.95、1.83和2.14 mm；-10 ℃后，桩基础上拔位移随温度的降低增长不明显。

3)在单向冻结条件下，冻结初期侧摩阻力增加明显，其后变化不大，桩侧摩阻力沿桩身呈正负交替分布，摩阻力大致满足桩身的平衡条件。

[1] 程国栋. 冻土力学与工程的国际研究新进展——2000年国际地层冻结和土冻结作用会议综述[J]. 地球科学进展, 2001, 16(3):293-299.

CHENG Guodong. International achievements of study on frozen soil mechanics and engineering—summary of the international symposium on ground freezing and frost action in soils[J].AdvanceinEarthScience, 2001, 16(3): 293-299.

[2] 李宁，程国栋，谢定义.西部大开发中的岩土力学问题[J].岩土工程学报，2001, 23(3): 268-272.

LI Ning,CHENG Guodong,XIE Dingyi.Geomechanics development in civil construction in Western China[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2001, 23(3): 268-272.

[3] 张爽，唐春安，张向东.季节性冻土地区高铁路基沉降研究[J].东北大学学报(自然科学版)，2013, 34(8): 1202-1205.

ZHANG Shuang, TANG Chun’an, ZHANG Xiangdong. Subgrade settlement of high-speed railway in seasonal frozen soil area[J].JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience), 2013, 34(8): 1202-1205.

[4] CHEN G S, DAVIS D, HULSEY J L. Measurement of frozen soil-pile dynamic properties: A system identification approach[J].ColdRegionsScience&Technology, 2012, 70(1):98-106.

[5] WANG J Z, ZHOU G Q, ZHOU J S, et al. Influence of the hydration heat of cast-in-situ concrete on temperature field and stability of soil-pile in high-temperature permafrost regions[C]//InternationalConferenceonElectricTechnologyandCivilEngineering. Piscataway, NJ: IEEE, 2011:427-433.

[6] 赖远明,朱元林,吴紫汪. 桩基冻胀力三维问题的积分方程解法[J]. 铁道学报, 1998, 20(6)：93-97.

LAI Yuanming, ZHU Yuanlin, WU Ziwang. A simple integral equation method for three dimensional frost heaving force problem of piles[J].JournaloftheChinaRailwaySociety, 1998, 20(6): 93-97.

[7] 舒春生,吴亚平,马巍,等.冻土中木桩荷载传递的时间效应分析[J].兰州交通大学学报, 2006, 25(1): 17-19.

SHU Chunsheng, WU Yaping, MA Wei, et al. Effect of time on the load-transfer of lumber Piles in frozen soil[J].JournalofLanzhouJiaotongUniversity, 2006, 25(1): 17-19.

[8] 王旭,蒋代军,赵新宇,等.多年冻土区未回冻钻孔灌注桩承载性质试验研究[J].岩土工程学报,2005, 27(1): 81-84.

WANG Xu, JIANG Daijun, ZHAO Xinyu, et al. Experimental study on bearing features of bored pile under non-refreezing condition in permafrost region[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2005, 27(1): 81-84.

[9] 孙学先，张慧，田明.多年冻土区灌注桩竖向抗拔承载力试验研 究[J].岩土力学,2007, 28(10): 2110-2114.

SUN Xuexian, ZHANG Hui, TIAN Ming. Experimental study on vertical pullout capacity of cast-in-site pile in permafrost region[J].RockandSoilMechanics, 2007, 28(10):2110-2114.

[10] 张军伟，马巍，王大雁，等.青藏高原多年冻土区钻孔灌注桩承载 特性试验研究[J]. 冰川冻土，2008, 30(3): 482-487.

ZHANG Junwei, MA Wei, WANG Dayan, et al. In-situ experimental study of the bearing characteristics of cast-in-place bored pile in permafrost regions of the Tibetan plateau[J].JournalofGlaciologyandGeocryology, 2008, 30(3): 482-487.

[11] 张向东，柴源，刘佳琦，等.冻融条件下桩基侧摩阻力模型试验研究[J]. 公路交通科技，2015, 32(4): 45-51.

ZHANG Xiangdong, CHAI Yuan, LIU Jiaqi, et al. Experimental research of pile foundation side friction model under freezing-thawing condition[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2015, 32(4): 45-51.

[12] 李永波，张鸿儒，全克江. 冻土-桩动力相互作用模型试验系统研制[J].岩土工程学报,2012,34(4):774-780.

LI Yongbo, ZHANG Hongru, QUAN Kejiang. Development of model test system for dynamic frozen soil-pile interaction[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2012, 34(4): 774-780.

[13] 张向东，刘家顺，张建俊，等. 地铁联络通道人工冻结粉质粘土变形与温度特性试验研究 [J].公路交通科技, 2013, 30(5): 74-81.

ZHANG Xiangdong, LIU Jiashun, ZHANG Jianjun, et al. Experimental research on relation between deformation and temperature characteristics of artificial frozen silty clay of cross passage of metro tunnel[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2013, 30(5): 74-81.

[14] 张淑娟，赖远明，李双洋，等.冻土强度特性试验研究[J].岩土工程学报, 2008, 30(4): 595-599.

ZHANG Shujuan, LAI Yuanming, LI Shuangyang, et al. Dynamic strength of frozen soils[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering, 2008, 30(4): 595-599.

[15] 王书娟，陈志国，秦卫军，等. 季节性冰地区路基冻胀机理分析[J].公路交通科技, 2012, 29(7): 20-24.

WANG Shujuan,CHEN Zhiguo,QIN Weijun, et al. Mechanism analysis on subgrade frost heaving in seasonal frozen[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2012, 29(7): 20-24.

[16] 汪仁和，王伟，陈永峰.冻土中单桩抗压承载力模型试验研究[J]. 冰川冻土，2005，27(2): 188-192.

WANG Renhe, Wang Wei, CHEN Yongfeng. Model experimental study on compressive bearing capacity of single pile in frozen soil[J].JournalofGlaciologyandGeocryology, 2005, 27(2): 188-192.

[17] 鲁先龙.上拔荷载作用下冻土地基混凝土单桩模型试验[J].建井技术,2012, 33(6)：17-21.

LU Xianlong. Model study single pile of concrete of pullout under frozen condition[J].MineConstructionTechnology, 2012, 33(6): 17-21.

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

国家自然科学基金项目(11272137)

陆建飞(1967—)，男，江苏南通人，教授，博士生导师，主要从事岩土工程、固体力学等方面的研究。E-mail：ljfdoctor@sina.com。

帅 军(1991—)，男，安徽安庆人，硕士，主要从事桩基础与冻土相互作用方面的研究。E-mail：1518461690@qq.com。

TU446

A

1674-0696(2017)11-056-05

(责任编辑：谭绪凯)