地下水对多年冻土区桩基承载性能的影响研究

唐丽云,杨柳君,贾海梁,申艳军,白苗苗,张慧梅

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院,西安 710054； 2.西安科技大学地质与环境学院,西安 710054；3.西安科技大学理学院,西安 710054)

引言

在多年冻土区基础工程中，桩基础因其锚固长度大且对土体温度场的扰动小等特点而被广泛推广应用于寒区的工程建设中[1]，更是为保障“以桥代路”工程等各种保护多年冻土工程设施的安全运营发挥了重要作用。冻土区的水文对气候变化高度敏感，多年冻土更是对其有着强烈的响应[2]。在全球气温上升的背景下[3]，青藏高原作为全球变暖的放大器[4]，导致冻土区的水文过程将发生较大的变化，同时加剧冻土退化[5-6]及降水量的增加[7]，并引起水文地质状况和地下水动态显著变化的一系列反馈效应[8]。因此，从根本上改变了流域尺度上水文循环和水资源的多年分布格局[9]，增加地下水的储水空间，改变地下水的运移条件[10]，并导致地下水的特征发生显著的变化[11]，同时极大地增加地下水出现的可能性。由于地下水产生的对流热，使得冻土层原本封闭状态的热平衡被打破，使得相邻一定范围内的冻土升温甚至融化[12]，严重影响着多年冻土的赋存。在冻土区桩基工程中，处于地下水发育地段的桩基，在地下水的热效应及桩基的强导热性的共同作用下，使得桩周土体温度升高甚至融化，土体中未冻水含量增大[13]，减弱桩端土体的承载力以及桩与土体之间的摩擦作用[14]，使得桩基的受力支撑条件发生改变，造成桩基承载力劣化，从而威胁桩基的安全稳定。近年因突发地下水而导致桩基工程失效的病害时有发生[14-15]，因此，探究地下水对多年冻土区桩基承载性能的影响是维持桩基稳定的关键问题之一。

许多学者采用试验[16]及数值模拟[12，17-19]的手段对冻土区地下水开展探究，结果显示，地下水的热效应使得周围冻土的温度升高，加速多年冻土融化，增加了局部冻土退化的速率，明显地减少了永久冻土的厚度，即冻土对地下水热效应具有较强的敏感性。Shemin Ge[20]以青藏高原北部的模型为例，表明随着大气温度的升高，活动层中地下水流量增加，且当地表水排放到地面时可使活动层厚度增加3倍。Yanhui You[14，21]采用电阻率层析成像(ERT)、钻探和地温监测相结合的方法，对QTR唐古拉山地区干桥的桩基沉降及QTPTL桩基础地表成冰原因进行分析，均在冻土区中识别出地下水，且由于地下水的存在，会对冻结力、摩擦力和塔基及桩基的稳定性产生影响，甚至降低了桩端承载力，使得桩基础存在着较大的沉降。吴亚平等[22]考虑桩底水的热效应而开展模型试验，探究模型桩-冻土流变特性，分析不同荷载下桩底水对荷载传递特性及桩基承载性能的影响规律。胡海东等[23]分析了桩侧水热效应对桩基承载力及冻结应力的影响规律。结果表明，冻土区桩侧水的热效应减弱桩侧与土体之间的冻结应力，加剧桩基沉降，导致桩基极限承载力降低16%。

现对地下水在冻土区的大多数研究仅是考虑对冻土层温度场的影响，且对于地下水对桩基的影响研究主要集中在国内少量学者中，但其主要针对在某一工程的地下水且并未考虑时间效应。但由于桩基的存在，因其较强的导热性会扰乱多年冻土区的地温场，当地下水与桩基的距离较近时，桩基的存在会加速桩基周围土体升温，从而冻结力减弱导致桩基承载性能降低。因此，形成地下水-冻土-桩基三者之间相互作用的关系。其次，多年冻土区的地下水作为特定地质环境下的产物，由于严寒气候及土层随季节温度变化产生的冻结融化作用而使冻土分布的区域内具有独特的水文地质环境[24]，且冻土区地下水类型具有区域性的差异。显然，已有的地下水对桩基影响的研究具有特殊性，无法综合评定地下水对多年冻土区桩基的影响。因此，基于地下水-冻土-桩基相互作用及地下水的差异性，考虑大气温度升高的条件，结合多年冻土区地下水地质环境，为探究桩基工程在服役期间内突发地下水对桩基的影响，采用有限元分析方法模拟无地下水及在桩底5 m处不同地下水温度的工况，并计算桩基容许承载力，进而开展地下水对冻土区桩基承载性能的影响研究。

1 地下水对桩基温度场影响的数值计算

1.1 工程背景

选取共和至玉树公路工程查拉坪大桥桩基作为本文的桩基工程地质背景，根据钻探勘察实测资料数据，计算区域参数的具体取值如表1所示。计算模型初始温度选取如图1所示，其为2015年8月的地温监测值，通过选取冻土层的温度梯度[25]，得出30～50 m土层内的温度，根据工程中实际监测的地下水水位的情况[14]，选取地下水位置为距桩底5 m处。

表1 土层和混凝土的热物理参数

图1 初始地温曲线

1.2 数值计算模型建立

1.2.1 数学模型

当土体发生冻结和融化时主要以热传导为主，因此，仅考虑热传导及冰水相变作用，采用傅里叶导热方程作为热传导的控制方程。计算中采用显热容法考虑含水介质中的相变潜热[26]，假定相变阶段发生在温度为Tm附近的区间内(Tm±ΔT)，C和λ表达式如公式(1)及公式(2)所示，并利用其计算相变区间内的热物理参数(表1)。

(1)

(2)

式中，Cf为已冻时的体积热容；Cu为未冻时的体积热容；λf为已冻时的导热系数；λu为未冻时的导热系数；L为相变潜热。

1.2.2 边界条件

假设青藏高原未来50年内平均大气温度上升2.6 ℃[27]，根据青藏高原地区气象观测资料及附面层原理，对计算模型的热边界条件设定如下[28]，天然地温度边界条件为

(3)

式中，th为时间，当α0=0时，对应的初始时间为7月15日。模型下边界热流密度为q=0.02 W/m2[29]，定义模型两侧边界为绝热边界。

1.2.3 数值计算模型

以查拉坪大桥桩基为工程地质背景，桩基平面示意及地层结构如图2所示，由混凝土桩及四层土层组成，桩长31 m，桩径1.5 m，土层从上到下依次为1 m杂填土，4.5 m粉质黏土，11.5 m含砾黏土，33 m风化泥岩层。根据图2，结合多年冻土区地下水分布资料，进行无地下水及存在地下水的数值模型的建立，模型宽40 m，高50 m，且计算模型关于桩轴对称，轴对称计算模型如图3所示。

图2 桩基平面及地层结构(单位：m)

图3 数值计算模型(单位：m)

1.2.4 工况划分

为考虑地下水的作用，分别建立有无地下水存在的数值模型，模拟该地区温度场的变化，分析地下水存在对桩基温度场的影响；同时根据青藏高原的地质水文资料及冻土区钻孔勘探的地下水资料[14]，通过选取0.6，0.8 ℃及1.0 ℃地下水的温度考虑地下水区域差异性对桩基温度场的影响，工况划分如表2所示。

表2 地下水温工况划分

2 数值计算结果分析

2.1 地下水的作用对桩基温度场的影响分析

为分析地下水的作用及地下水区域差异性对多年冻土区桩基温度场的影响，考虑大气温度的升高情况下，通过建立有无地下水、地下水温度分别为0.6，0.8，1.0 ℃的数值模型，模拟该地区温度场的变化，分别提取并绘制自计算起10年、20年、30年的温度场，如图4所示。

图4 无地下水及不同温度下地下水的桩基温度分布(单位：℃)

在大气温度升高的作用下，由于上部土体与大气热交换频繁，上部土体温度首先升高，随着时间的推移在大气温度及上部土体的影响下，下部土体温度逐渐升高，由于桩基的导热系数大于土体的导热系数，导致桩基的温度首先上升且大于周围土体的温度，因此上部的等温线总体趋势呈现以桩轴为中心的漏斗状，且桩周土体的温度变化较为明显。在考虑大气温度升高的作用下，2015年～2045年间冻土上限由2.9 m降低至4 m，其计算结果与文献[29]的计算结果较为接近，可认为本文基于传热理论建立的计算模型可较好的反映桩基温度场的变化规律。同时在底部热流的作用下，使得底部土体温度缓慢上升，30年后的影响范围为3 m左右。

地下水的存在使得周围土体融化，0.6 ℃地下水在10年、20年及30年之后的土体融化范围分别为5.40，7.49 m及9.18 m，计算结果与文献[30]相匹配。地下水作为较为稳定的热源使得周围土体温度升高，由于桩基的强导热性，桩基温度相比与土体温度上升的速度较快，使得桩身下部等温线呈波峰状，其中-1 ℃等温线在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，与无地下水的模型相比，底部土体-1 ℃等温线在地下水的作用下消失；0.8 ℃地下水在10年、20年及30年之后的土体融化范围分别为6.51，9.06 m及11.17 m。其中-1 ℃等温线在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年之后的土体融化范围分别为7.54，10.47 m及13.22 m，在2045年时桩底0.5 m左右的土体发生融化。其中-1 ℃等温线在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 ℃等温线在2025年～2045年上升高度逐年降低，地下水下部的0 ℃等温线在底部热流的影响下上升速度相对平稳。

2.2 桩-土界面温度分布

为研究大气温度的变化及地下水的作用对多年冻土区桩基温度场的影响，提取桩-土界面的温度曲线，如图5所示。

图5 不同工况下的桩-土界面温度分布

在大气温度升高下，冻土经历升温的过程，其中地表2 m范围内的土体由于与大气对流较为频繁，因此温度较高且活动层内温度梯度较大。与2015年地温相比，10年之后-4 ～-12 m的土体升温速度快，温度变化幅度较大，随着时间的推移升温速度逐渐趋于平缓。

桩-土界面温度曲线在地下水的作用下出现积聚现象。由于大气温度变化对土体的温度影响范围有限，使得积聚点横坐标几乎不变，且纵坐标随着地下水温度的升高而向上移动，当地下水的温度从0.6 ℃升至1 ℃，纵坐标向上移动1 m左右。与无地下水相比-20～-30 m在地下水的作用下，温度上升幅度较大，但随着地下水温度的升高，因地下水温度变化而引起冻土温度发生变化的幅度相对较小。

2.3 地下水热效应对冻土层的影响范围

由图5可知，表层冻土的温度变化主要由大气温度控制，且随着深度的增加对土体热扰动的影响逐渐减弱，因此为研究地下水对冻土温度的影响，绘制不同年份时不同地下水温度在-15 ～-50 m的温度曲线，如图6所示。

图6 2025年～2045年地下水周围土体温度分布

由图6可知，地下水的存在对冻土的温度影响较大，且使得地下水周围冻土发生升温及融化的过程。0.6 ℃地下水在10年、20年及30年之后的土体融化范围分别为5.40，7.49 m及9.18 m。0.8 ℃地下水在10年、20年及30年之后的土体融化范围分别为6.51，9.06 m及11.17 m。1.0 ℃地下水在10年、20年及30年之后的土体融化范围分别为7.54，10.47 m及13.22 m。冻土的融化范围随着地下水温度的变化总体趋势是地下水的温度越高冻土的融化范围越大。在2015年～2025年，地下水的存在打破了冻土原本的热平衡，因此地下水周围土体温度变化速率较快，与无地下水的温度曲线温度偏差较大，但由于地下水对较远冻土的热传导具有滞后性，因此2025年深度-20～-30 m温度梯度变化较陡且深度在-19 m处有明显的转折点。随着时间的推移，-15 ～-20 m左右处有、无地下水的温度曲线温度偏差逐年减小，这主要是随着大气温度的上升，源源不断的能量通过桩身传入到下部冻土中，使得桩侧周围冻土的温度逐步升高，降低与因地下水存在而导致冻土温度升高产生的温度差。然而由于地下水的作用范围有限，因此冻土融化范围的上限随着时间的推移其增长的速度逐渐减弱，即随着距离的增加对较远的冻土层热扰动逐渐减弱，在改变地下水的温度时对深度-20 m左右以上的冻土温度影响较小。当0.6，0.8 ℃及1.0 ℃地下水作用下出现温度曲线聚集的现象，在恒定地下水的作用时，周围土体温度升高，曲线与0 ℃纵坐标轴的面积随着温度的升高增大，因此土体的融化范围随着地下水温度的升高逐渐增大，且随着不同温度的地下水温度差逐年扩大，这表明在此范围内冻土的温度主要由地下水决定。由于-50 m处作用于相同的热流密度，因此在2025年-50 m处有、无地下水的温度差异较小，但随着时间的推移，地下水对深度-50 m左右的冻土层温度的影响逐渐显现，使得与无地下水存在的温度差逐年增大。虽然冻土融化范围的下限随着时间其增长的速度逐渐减弱，但其增长速度大于冻土融化范围上限的增长速度。

3 桩基承载性能分析

3.1 冻结强度变化规律

冻土区桩基的承载力由桩侧冻结力及桩端阻力构成，桩-土界面的冻结力是桩基承担上部荷载的主要部分。根据TB10093—2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定，混凝土桩侧表面与冻土之间的冻结强度取值如表3所示。根据图5中桩-土界面温度分布曲线，参照表3确定冻结强度取值，得出不同深度桩侧与土体之间的冻结强度，如图7所示。

表3 混凝土桩侧表面与土体之间的冻结强度

图7 桩侧冻结强度分布曲线

桩侧冻结强度曲线大致分为3个阶段，稳定阶段(AB)、急增阶段(BC)及递减阶段(CD)。在稳定阶段(AB)时，由于冻土温度高于0 ℃时，桩侧表面的摩阻力为定值，因此在地表一定范围内的土层，摩阻力取值相同，呈现与纵坐标平行的直线。在急增阶段(BC)时，由于随着深度的增加，土体温度随之降低至土层最低温度，桩侧与冻土之间的冻结强度随之增大，在此阶段冻结强度变化速率急剧增大，达到冻结强度峰值。在递减阶段(CD)时，当无地下水存在时，由于下部冻土土层自身的热状态较为稳定，土层温度相比急增阶段(BC)土层温度较高，且随着深度增加温度梯度变化较小，趋于某一稳定温度值，因此在递减阶段(CD)的10 m左右土层内冻结强度降幅较大，而后趋于稳定；当有地下水存在时，地下水的热扰动使得周围土体温度上升，冻结强度随着深度增加而降低且在20 m左右处发生转折，转折点(O)在0.6 ℃地下水作用时深度为-20 m，当地下水温度上升至1.0 ℃时其深度为-19 m，且2025年冻结强度变化幅值较小。随着时间的推移，地下水的热量不断向上传递，冻结强度逐渐减小，冻结强度在桩底处达到最低，且当在2045年地下水温度为1.0 ℃时，桩底处出现冻结强度恒定不变的阶段(O′D)，表明在O'D范围内的冻土层发生融化且温度高于0 ℃，桩端土体的融化使得承担荷载的能力急剧降低。

3.2 桩基承载力变化规律

根据TB10093—2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定，冻土区钻孔灌注桩的容许承载力[P]为

(4)

表4 桩基容许承载力计算取值 kN

从表4及图8可得出，地下水是否存在与地下水的温度对桩基容许承载力及容许承载力损失率的影响规律。当无地下水存在时，由于大气温度的升高而使得桩侧冻结强度随着冻土温度的升高而降低，此时因大气温度升高而诱发冻土退化是决定桩基承载性能降低的主要原因，且随着土体温度的升高承载力的损失率呈现先增大而后趋于稳定的趋势[31]。当多年冻土区存在地下水时，2015年～2025年桩基承载力损失较大，2025年～2045年承载力损失率趋于稳定，且相比无地下水时，地下水的存在加剧桩基承载性能的劣化。这是由于当大气温度与地下水开始同时作用时，由于表层土体与大气温度的热交换剧烈，地下水的存在严重扰乱了桩基周围土体的热稳定状态，因此，在2015年～2025年地下水的存在是决定桩基承载性能劣化的主要原因，但随着地下水的温度升高，地下水对桩基承载力的影响比重不断加大，在2025年～2045年期间由于地下水的热量不断地传输，对桩基周围冻土的热扰动不断加大，使得桩基周围土体的温度升高，加速桩基承载力的降低，在30年后当作用地下水的温度为0.6，0.8 ℃及1.0 ℃时，其桩基容许承载力损失率分别为27.62%，32.54%及33.84%。且当地下水由0.8 ℃升至1.0 ℃而产生的桩基承载力损失率，是无地下水与0.6 ℃地下水及0.6 ℃地下水与0.8 ℃地下水之间因温度差异而产生桩基承载力损失率的1/7～1/5，说明当地下水超过一定温度时，因升高地下水的温度而引起桩基承载力劣化的程度较小。

图8 不同年份桩基容许承载力损失率

4 结论

为研究地下水对多年冻土区桩基承载性能的影响，采用数值计算的方法，以查拉坪大桥桩基为工程地质背景，模拟无地下水及距桩底5 m处地下水温度分别为0.6，0.8 ℃及1.0 ℃时对多年冻土区桩基温度场的影响，并计算桩基容许承载力，得出以下结论。

(1)地下水对冻土影响范围随着地下水的温度升高而扩大，0.6，0.8 ℃及1.0 ℃地下水在30年后的融化范围为9.18，11.17 m及13.22 m。地下水对于周围土体的温度扰动随距离增加而逐渐减小，且冻土融化范围下限的增长的速度大于冻土融化范围的上限的增长速度，最终在某一区域达到温度的动态平衡。

(2)与大气温度对冻土区桩基温度场的影响相比，地下水对桩基温度场的影响范围更大，地下水对周围冻土的影响范围在10 m左右，且随着水文地质环境的变化极大地增加地下水出现的概率，容易导致桩基承载力不足，因此地下水对冻土区地温的影响效应在工程设计中应给予以充分考虑。

(3)冻结强度曲线可大致分为3个阶段(稳定阶段、急增阶段、递减阶段)，但当地下水存在时，由于地下水对桩基周围土体的热扰动使得冻结强度随着深度的方向发生转折，且转折点的深度随着地下水的温度升高而上升。

(4)当大气温度及地下水同时作用时，前10年桩基承载力主要因大气温度升高而降低，地下水的存在加速了桩基承载力的劣化，在0.6，0.8 ℃及1.0 ℃地下水作用下30年后桩基容许承载力损失率分别为27.62%，32.54%及33.84%，且当地下水超过一定温度时，地下水的温度对桩基承载力的劣化影响程度趋于稳定。