多年冻土区接触网桩基础冻拔试验分析

晏 昌，夏 琼，2，周亚龙，王 旭，2

(1. 兰州交通大学，土木工程学院，甘肃 兰州 730070； 2. 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070)

在电气化铁路中，接触网立柱是必不可少的一部分，1根立柱的破坏会影响整条铁路线路的运行，立柱的稳定性取决于立柱基础[1]。在冻土地区，桩基础是最常用的一种基础形式，但已有资料表明，桩基础的冻拔融沉破坏普遍存在[2]。20世纪80年代，国内外研究人员就开始对冻土区桩基冻拔现象有所关注，并通过现场试验、室内模型试验以及数值分析的方法对冻拔破坏进行研究，取得了丰硕的研究成果。蒋代军[3]等通过现场试验与观察，对比分析设置热棒和未设置桩基的温度场、位移场等，得到热棒桩基础稳定性要优于普通桩基础。陆建飞[4]等采用自行设计的模型试验装置，对桩与冻土的相互作用进行了模拟，得出桩顶位移及桩侧摩阻力分布规律。闫晓建[5]从切向冻胀力的角度出发对锥形桩基础进行抗冻拔试验，得出桩基础锥角越大切向冻胀力越小，且桩土接触面的光滑程度会影响切向冻胀力的大小，桩土接触面越光滑，切向冻胀力越小。吴亚平等[6-7]通过室内模型试验，得到了桩身冻结力与桩端阻力之间的函数关系，研究了循环荷载大小、加载频率和温度对桩土流变效应的影响。励国良[8]等在青藏高原连续多年冻土区进行了桩基的水平和垂直荷载作用下的现场试验，利用所得数据采用差分法得到了地基系数的分布。王腾飞[9]等通过数值模拟的方法，研究了多种螺旋桩在土体冻结过程中产生的冻拔量，并与光滑桩进行对比分析，得出当冻深发展到桩长时，全螺旋小叶片桩的冻拔量为光滑桩的19.5%。

以上研究成果对桩基础冻拔稳定性问题的研究具有重要意义，但目前对既有路基中接触网桩基础在冻融循环过程中的受力变形规律还认识不深。鉴于此，本文以青藏铁路格拉段电气化改造项目为工程背景，进行室内模型试验，对接触网基础在冻胀融沉作用下的土体温度场、土体及桩顶位移变化规律、桩身受力特性进行分析，以期对接触网基础的设计提供技术依据与参考。

1 模型试验设计

1.1 试验概述

本文采用室内模型试验的方法，对多年冻土区接触网桩基础在冻融循环过程中桩基础周围土体温度场、桩基础自身应力场和桩土位移场进行研究。模型试验进行了3次冻融循环，冻融循环的周期为10 d，模拟了现场3年的温度变化。查询格拉段气候特征，根据附面层理论[10]，确定模型试验的大气温度采用周期性变化函数，函数方程为T(t)=-2.5+12sin(2πt/10+π/2)，用以模拟活动层温度变化状况，底板温度控制在-2 ℃，用以模拟永冻层。模型试验设计参数如表1所示。

表1 模型试验设计参数

1.2 试验材料

1) 试验用土。试验用土取自青藏铁路沱沱河段路基边坡上，通过旋挖钻机钻取。对试验用土做筛分试验，绘制颗粒级配曲线(见图1)，参考《土工试验方法标准》(GBT50123—2019)[11]，该土的名称为含细粒土砂。

图1 试验土样颗粒级配曲线

2) 模型桩的制备。本文选用有机玻璃材料作为模型桩，桩截面为圆形，直径55 mm，桩长900 mm，埋深800 mm，弹性模量2.56 GPa。模型桩材料参数见表2。

表2 模型桩基本参数

1.3 试验装置与数据采集

冻融循环试验系统主要由温度控制系统和数据采集系统组成。

1.3.1 温度控制系统

温度控制系统主要由环境箱、土体模型箱和高低温恒温液浴循环装置组成。高低温恒温液浴共2台：1台连接环境箱上部铜管，模拟活动层温度变化；另外1台连接土体模型箱底部铜管，模拟多年冻土层温度变化。高低温恒温液浴循环装置是温控系统的核心，为模型试验提供温度条件。环境箱采用不锈钢板制作而成，其内部尺寸为0.7 m×1.7 m×1.9 m，不锈钢板内外壁填充保温材料以达到良好的保温效果。在环境箱中自制1个土体模型箱，土体模型箱尺寸为0.7 m×1.0 m×1.0 m，由5块钢架拼制而成，钢架内部镶嵌木板，并在其四周粘贴10 cm厚的聚氨酯保温材料。温度控制系统如图2所示。

图2 温度控制系统(单位：mm)

1.3.2 数据采集系统

本文的数据采集系统主要有温度采集系统、应变采集系统和位移采集系统。

1) 温度采集系统主要由温度巡检仪和温度传感器组成。温度巡检仪采用常州安柏精密仪器有限公司生产的AT4708V系列多路温度测试仪，测试精度±0.6 ℃，共64个通道。温度巡检仪设定采集时间间隔为5 min，通过USB输出端输出数据。温度传感器使用的是pt100铂热电阻，pt100铂热电阻直接连接温度巡检仪，其工作范围为-50～+200 ℃，精度为0.01 ℃。

2) 位移测试系统使用武汉岩海工程技术有限公司生产的JYC测试仪，主要由RS-JYC主机、中继器、 位移传感器(调频式)、电源适配器、分析软件等部分组成。位移传感器的量程为50 mm，精度为0.01 mm。设定的采集时间间隔为30 min。

3) 应变采集系统。本文冻胀力的采集是通过在桩周粘贴应变片，然后通过引线连接INV2366N多功能静态应变测试仪进行采集。由于温度的变化会对桩体应变采集产生影响，因此要对应变片进行温度补偿，其具体做法是在桩身同一高度处粘贴2片相同的应变片，其中一片沿桩身轴向粘贴，为测量片，另一片沿桩身环向粘贴，为补偿片。采集时间间隔为10 min。

1.4 试验过程

1) 按设计要求制作好土体模型箱、环境箱、模型桩，并在桩周粘贴应变片。应变片布置如图3所示，沿桩长方向每隔100 mm对称布置2个应变片，共布置8个断面。

图3 应变片布置(单位：mm)

2) 配制目标含水量的试验用土，要求土体均匀，并进行密封闷土。

3) 每20 cm逐层填土，并夯实压平，边坡坡度为1﹕1.5，控制压实度K为0.9，按要求进行测试元件的埋设及安放模型桩，传感器及模型桩布置如图4所示。温度传感器共19个，路基顶面以下10个，边坡顶面以下8个，其沿土体深度方向的间距为100 mm，环境箱空气中1个。位移传感器分布在路基、路肩、边坡、桩顶竖直及桩周土体，共5个。

4) 模型填筑完成后，静置24 h待用。启动控制土体模型箱底板温度的冻融循环系统，数日后，直到底板以上20 cm范围内的土体温度达-2 ℃左右，并保持设置温度不变。

(a) 俯视图

5) 开启数据采集系统及控制环境温度的冻融循环系统，环境温度呈周期性的“正弦”函数变化。环境温度控制曲线如图5所示。

图5 环境温度控制曲线

6) 试验完成后，整理相关数据，并进行分析。

2 试验结果与分析

2.1 冻融过程土体温度场分析

2.1.1 温度随时间变化规律

图6为路基及边坡土体温度随时间变化曲线，可以看出：模型箱内土体在开始冻融循环时，底板以上20 cm内土体温度在-2 ℃左右；随着环境箱内空气温度“正弦”式变化，各深度处土体温度随时间也呈“正弦”状分布。试验土体共经历了3次冻融循环，以第2～3个周期路基顶面以下土体为例分析温度随时间变化规律。在降温阶段(10～15 d、20～25 d)，各深度土体温度先缓慢增大后减小，但变化幅值随深度的增加逐渐减小；在升温阶段(15～20 d、25～30 d)，不同深度处土体温度先减小后增大，这是由于土体温度的变化相对于环境温度的变化出现滞后，且随深度的增加，滞后效应越明显。边坡顶面以下土体与路基类似，不再赘述。

(a) 路基

(b) 边坡图6 温度随时间变化曲线

图7为土体在冻融循环过程中等温曲线，可以看出：试验开始时，冻土上限约为0.8 m；随着第1个周期冻融循环过程的结束，土体温度场呈现稳定的状态，第2～3周期冻土上限均约为0.3 m。以图7(a)路基等温线为例进行分析，随着冻融循环过程的推进，在10～15 d及20～25 d路基表层以下约0.3 m范围内出现融化圈，最大融深分别出现在12 d及22 d附近。结合图6(a)可知，在12 d及22 d附近，此时环境温度由正变负，即土体出现最大融深对应的时间为环境温度由正变负的时刻。图7(b)为边坡以下土体等温曲线，边坡顶面以下土体与路基类似，不再赘述。

(a) 路基

(b) 边坡图7 冻融进程等温曲线

2.1.2 温度随深度变化规律

以第2周期路基顶面以下土体为例，分析温度随深度变化规律。降温和升温过程温度随深度变化曲线如图8所示，可以看出：温度沿深度呈“阶梯”分布；在降温阶段，土体温度呈下降趋势，活动层内土体温度变化幅度大，表层土体变化幅值最大，由+2.12 ℃降到-6.71 ℃；升温过程中，由于环境温度变化与土体温度变化有滞后现象，表层土在第16 d达到最低-7.91 ℃。永冻层土体温度维持在-2 ℃左右。

(a) 降温过程

(b) 升温过程图8 温度沿深度变化曲线

2.2 冻融循环作用下桩土位移场分析

图9为第2～3周期内路基、路肩及边坡处位移变化曲线，由图可知：土体位移的变化与环境温度紧密相关，路基、路肩及边坡处位移变化趋势基本一致。以第3周期为例进行分析：在降温阶段初期，路基、路肩及边坡土体位移基本不变；随着环境温度的持续下降，路基、路肩及边坡土体开始产生冻胀，不同位置处土体起始冻胀时间略有差异。随着冻结过程的继续推进，土体位移迅速增大，并达到最大冻胀位移，路基、路肩及边坡处土体最大冻胀量分别为0.52、3.22、2.41 mm，最大冻胀量关系为路肩>边坡>路基。在随后的环境温度升高过程中，土体开始融化，不同位置处土体位移均出现缓慢下沉的趋势。

图10为第2～3周期桩顶竖直和桩周土体位移变化曲线。以第2周期为例进行分析，由图可知：随着环境温度持续下降，桩周土体发生冻结，并在12 d附近迅速冻胀，桩体的冻拔速率远小于桩周土，桩周土的最大冻胀量为1.15 mm，远大于桩基的最大冻拔量0.26 mm；随后在环境温度升高过程中，桩及桩周土开始缓慢下沉。

图9 路基、路肩、边坡位移变化曲线

图10 桩土位移变化曲线

2.3 冻结过程中桩身应力变化规律

桩身轴力及切应力的大小是通过在桩周粘贴应变片获取。根据文献[12]，桩身轴力Ni及切应力fi的计算式为

Ni=EAεi，

(1)

(2)

式中：A为桩横截面面积；E为材料弹性模量；εi为第i段应变，由应变采集仪实时采集；fi为第i段切向应力，向上为正；Ni和Ni+1分别为第i段桩顶和桩底轴力；D为桩的直径；L为相邻应变片的竖直间距。

以第2周期为例分析桩身应力变化规律，图11为冻结过程桩身轴力及切向冻胀力变化曲线。由图11(a)可以看出：轴力在整个桩长范围内为正，桩基整体受拉，从桩顶到桩底，轴力先增大后减小，约30 cm处桩身轴力最大，且轴力沿桩长方向呈非均匀变化，在上部活动层范围内，轴力变化率大，下部永冻层范围内轴力变化率较小。随着冻结过程的持续进行(11 d～15 d)，桩身轴力不断增大，在15 d 深30 cm处的桩身轴力最大值达到5.17 kN。

由图11(b)可知：在冻结过程初期，切应力较小，随着冻结过程的继续进行，桩基础开始上拔，切应力逐渐增加；切应力在模型桩的上部分为方向向上的冻胀应力，下半部分为方向向下的冻结应力，最大值出现在第15 d地表附近，且在整个桩长上大致平衡。

(a) 桩身轴力变化曲线

3 结论

1) 在冻融循环过程中，桩周土体和边坡温度场变化趋势相似，各深度处土体温度随时间呈“正弦”状分布，且随深度的增加，其变化幅值逐渐减小。

2) 在1个冻融循环周期内，路基、路肩及边坡处位移变化趋势基本一致，在降温阶段初期，土体位移基本不变，随着冻结过程的继续进行，路基、路肩及边坡冻胀量迅速增大，最大冻胀量的关系为：路肩>边坡>路基；桩周土的最大冻胀量为1.15 mm，远大于桩基的最大冻拔量0.26 mm。

3) 在冻结过程中，桩基础整体受拉，从桩顶到桩底，轴力先增大后减小，且在整个桩长范围内，轴力呈非均匀变化，在上部活动层范围内，轴力变化率大，永冻层范围内轴力变化率较小，约30 cm处桩身轴力最大；切应力在模型桩的上部分为方向向上的冻胀应力，下半部分为方向向下的冻结应力，最大值出现在地表附近，且大致平衡。