寒區(qū)凍土層退化條件下樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性劣化評價方法

王若林，朱道佩，劉小燕，司馬軍

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寒區(qū)凍土層退化條件下樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性劣化評價方法

王若林，朱道佩，劉小燕，司馬軍

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北武漢，430072)

在寒區(qū)凍土層季節(jié)性退化演變過程和未凍土層存在的情況下，對發(fā)生典型凍拔破壞的樁基礎(chǔ)進行受力分析，得到季節(jié)凍融循環(huán)演化過程中各土層樁側(cè)摩阻力的計算公式，并在此基礎(chǔ)上，對樁基礎(chǔ)抗拔穩(wěn)定性劣化進行研究，建立寒區(qū)深層凍土退化、土體出現(xiàn)未凍土層狀況下樁基礎(chǔ)發(fā)生凍拔破壞的臨界承載力數(shù)值模型。以工程實例對樁基礎(chǔ)的各個土層狀況進行分析，在假設(shè)土的干容重、凍土的總含水量、地中熱流值、凍土的導(dǎo)熱系數(shù)不變，季節(jié)凍融層為強凍脹土條件下，分析樁長范圍內(nèi)各層土厚度隨時間的變化以及最大凍深處截面應(yīng)力隨未凍土層厚度與樁長之比的關(guān)系，對季節(jié)循環(huán)演變中土體的凍拔力和樁側(cè)摩阻力進行計算、比較，并對群樁基礎(chǔ)的抗凍拔穩(wěn)定性驗算方法進行討論。研究結(jié)果表明：部分多年凍土層退化為未凍土層，將導(dǎo)致樁基礎(chǔ)的總抗拔力和臨界失穩(wěn)凍結(jié)深度減小。樁側(cè)未凍土層厚度與樁長的比值和臨界比值的比較結(jié)果可作為樁凍拔穩(wěn)定性的判斷標準。得到的臨界承載力模型可以為寒區(qū)凍土層演化過程中樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性評估提供數(shù)值分析依據(jù)。

凍土；季節(jié)凍融；凍拔；樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性；未凍土

在多年凍土區(qū)，建筑和橋梁經(jīng)常采用樁基礎(chǔ)，不可避免地受到季節(jié)凍融層中土的凍脹影響。齊吉琳 等[1]對多年凍土區(qū)凍土的力學(xué)特性及研究現(xiàn)狀進行了闡述；方麗莉等[2]研究了凍融作用對土結(jié)構(gòu)性及其強度的影響；WANG等[3]利用有限元法對非凍土區(qū)樁抗拔承載力及其影響因素進行了數(shù)值模擬；FAN[4]對非凍土區(qū)擴底樁的抗拔承載力與位移的關(guān)系進行了模擬和計算，這些為后續(xù)對凍土區(qū)樁凍拔失穩(wěn)問題中樁土相互作用的研究提供了參考。在季節(jié)凍土區(qū)，當(dāng)樁周土的凍脹力大于樁的極限抗拔力時，樁將被整體拔起；當(dāng)樁身某個界面的應(yīng)力大于該界面內(nèi)受拉鋼筋的抗拉應(yīng)力時，樁身可能被拉斷[5]。所以，在多年凍土區(qū)修建的建筑和橋梁都必須考慮樁基的抗拔穩(wěn)定性。多年凍土區(qū)的樁基礎(chǔ)常常由于樁的抗拔承載力不夠而發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，很少發(fā)生常溫地區(qū)的典型破壞。凍土地區(qū)樁的抗拔問題引起了越來越多的關(guān)注，很多專家開展了大量的研究，如：王國尚等[6]對多年凍土地區(qū)的輸電線路基礎(chǔ)凍拔破壞進行了研究，并提出對基礎(chǔ)應(yīng)進行抗凍拔設(shè)計；李蘭勇[7]對抗拔樁樁土之間的荷載傳遞機理進行了研究；孫學(xué)先等[8]結(jié)合青藏鐵路試驗段工程對多年凍土區(qū)灌注樁的豎向抗拔承載力進行了試驗研究，為類似環(huán)境下的抗凍拔樁基礎(chǔ)設(shè)計與施工提供了參考；汪仁和等[9?10]對凍土地區(qū)單樁抗拔承載力進行了試驗研究，得出了單樁豎向抗拔承載力、樁身軸力和樁土間凍結(jié)力與凍土溫度的關(guān)系。王經(jīng)環(huán)等[5]對季節(jié)凍土區(qū)樁基礎(chǔ)的抗凍拔穩(wěn)定進行了研究，并提出了計算方法和抗凍拔措施；劉麗紅[11]對季節(jié)凍土區(qū)樁基礎(chǔ)的破壞形式及受力情況進行了分析，并對其抗凍拔穩(wěn)定性進行了驗算；唐麗云等[12]針對多年凍土區(qū)樁基豎向承載力變化規(guī)律進行了研究，對季節(jié)凍融層和多年凍土層的厚度進行了計算，并建立了樁土相互作用的模型。隨著全球變暖的影響，多年凍土層的厚度逐年減小，在多年凍土層上部出現(xiàn)未凍土層。由于多年凍土層退化，未凍土層不斷發(fā)展，厚度增加，樁側(cè)摩阻力不斷減小，導(dǎo)致樁的抗凍拔能力逐年減小。在冬天，當(dāng)季節(jié)凍融層中的凍土層達到一定厚度時，樁在切向凍脹力的作用下將會被拔起或局部被拔斷，從而發(fā)生凍拔失穩(wěn)，并且隨著多年凍土的逐年退化和未凍土層的增厚，該凍拔失穩(wěn)的發(fā)生將越來越嚴重。因此，研究多年凍土區(qū)樁的抗凍拔穩(wěn)定性很有意義。為此，本文作者針對寒區(qū)凍土層季節(jié)性退化演變過程中未凍土層存在的情況下，對發(fā)生典型凍拔破壞的樁基礎(chǔ)進行受力分析，對樁基礎(chǔ)抗拔穩(wěn)定性的監(jiān)測評估方法進行研究。

1 樁土相互作用模型及分析

1.1 樁基凍脹破壞形式

季節(jié)凍融層中的土在凍結(jié)過程中，一方面，由于土體中的水凍結(jié)相變成為冰，使土體體積膨脹；另一方面，凍結(jié)過程總是從土體表面開始，周邊地下水會向成冰層的凍結(jié)鋒面[13]遷移，導(dǎo)致表層土體凍結(jié)層越來越厚，相應(yīng)土體膨脹變形加劇。凍結(jié)過程導(dǎo)致的土體膨脹變形在樁基礎(chǔ)處受到限制，在樁基礎(chǔ)表面產(chǎn)生切向凍脹力，對樁體產(chǎn)生凍拔破壞作用。多年凍土地區(qū)的樁基礎(chǔ)凍拔破壞有2種形式：整體上拔和局部拔斷。在冬季，隨著季節(jié)凍融層凍結(jié)深度的加大，樁周的切向凍脹力會逐漸變大，當(dāng)切向凍脹力大于上部荷載、樁自重與總摩阻力之和時，樁基將會發(fā)生整體上拔，見圖 1(a)。當(dāng)樁基埋入的深度較深或者采用擴底樁時，總摩阻力較大。在冬季，當(dāng)凍結(jié)深度較大時，在切向凍脹力的作用下樁基可能會由于抗拉強度不足而被拔斷，見圖 1(b)。

(a) 整體凍拔；(b) 局部拔斷

通過對多年凍土區(qū)樁基礎(chǔ)凍拔破壞及其受力情況的分析，為了保證上部建筑物的穩(wěn)定，樁基礎(chǔ)應(yīng)同時滿足以下2個抗凍拔穩(wěn)定條件[14]：

式中：F為作用在樁頂上的豎向結(jié)構(gòu)自重(kN)；G為樁身自重(kN)，對于水位以下且樁底為透水土?xí)r取浮重度；Q為樁在凍結(jié)線以下各土層的摩阻力標準值之和；Q為樁基礎(chǔ)周邊與多年凍土層的凍結(jié)力標準值(kN)；為樁基礎(chǔ)驗算截面的應(yīng)力；為凍脹力修正系數(shù)(砌筑或架設(shè)上部結(jié)構(gòu)之前，取1.1；砌筑或架設(shè)上部結(jié)構(gòu)之后，對外靜定結(jié)構(gòu)，取1.2；對外超靜定結(jié)構(gòu)，取1.3)；T為樁的切向凍脹力標準值(kN)；1為驗算截面以上樁自重；Q1為驗算截面至凍結(jié)線之間樁與未凍土層的摩阻力(當(dāng)驗算截面位于季節(jié)凍融層時，取0 kN)；為驗算截面的面積，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為縱向受力鋼筋截面積之和；[f]為驗算截面樁體材料的設(shè)計抗拉強度，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，則為受力鋼筋的設(shè)計抗拉強度。

1.2 季節(jié)凍結(jié)深度確定

由于季節(jié)凍融層的厚度直接影響切向凍脹力，進而影響樁的凍拔穩(wěn)定性。季節(jié)凍結(jié)深度的計算公式如下[15]：

1.3 多年凍土厚度的計算

多年凍土區(qū)樁基礎(chǔ)的抗凍拔力主要由多年凍土層中的凍結(jié)摩阻力決定，故多年凍土層的厚度直接影響到樁基礎(chǔ)的抗凍拔穩(wěn)定性。多年凍土層厚度的計算公式為[17]

式中：s為地面溫度(℃)；為凍土的導(dǎo)熱系數(shù)，按照規(guī)范JGJ 118—2011[16]取值；g為多年凍土區(qū)域的熱流值(W/m2)，按規(guī)范JGJ 118—2011[16]取值。

1.4 未凍土層厚度的計算

由于氣候變暖的影響，多年凍土層和季節(jié)凍融層的厚度都在減小，導(dǎo)致出現(xiàn)未凍土層。假設(shè)凍土的導(dǎo)熱系數(shù)、相變潛熱和多年凍土區(qū)域的熱流不隨時間的變化而變化，未凍土層厚度的計算公式為

1.5 切向凍脹力的計算

在多年凍土區(qū)，為了保證樁基礎(chǔ)具有足夠的抗凍拔力，一般必須穿過一定厚度的多年凍土層。在凍結(jié)過程中，季節(jié)凍融層中的樁周土?xí)跇扼w表面產(chǎn)生切向凍脹力。切向凍脹力的計算公式為[18]

式中：d為設(shè)計凍深(m)；當(dāng)基礎(chǔ)埋置深度小于d時，d取為；為季節(jié)性凍土切向凍脹力標準值(kPa)，與土的類別、凍前天然含水率及凍前地下水位至地表距離有關(guān)；為樁身周長(m)。

1.6 樁側(cè)摩阻力的計算

當(dāng)切向凍脹力大于恒載和樁自重之和時，未凍土層的樁與樁周土之間的摩阻力起抗拔作用，其大小與土的類別、樁的材質(zhì)和樁表面的粗糙度有關(guān)。未凍土層樁側(cè)抗拔摩阻力的計算公式為[18]

式中：為樁身周長；q為凍結(jié)線以下各層土的摩阻力標準值(kPa)，無實測資料時，對黏性土可采用20~30 kPa，對砂土及碎石土可采用30~40 kPa；l-為凍結(jié)線以下各層土的厚度(m)。

1.7 凍結(jié)力的計算

多年凍土與樁基礎(chǔ)表面通過冰晶膠結(jié)在一起，這種膠結(jié)力稱為凍結(jié)力。凍結(jié)力的作用方向總是與外荷載的總作用方向相反。當(dāng)樁周的切向凍脹力較大時，位于多年凍土中的樁側(cè)面的凍結(jié)力起抗凍脹的錨固作用；當(dāng)凍脹力較小時，凍結(jié)力起抗下沉的承載作用。凍結(jié)力Q的計算公式為[18]

式中：q為多年凍土層中各層土與樁基礎(chǔ)側(cè)面的凍結(jié)力標準值(kPa)；為多年凍土層中各層土的厚度(m)。

2 多年凍土層退化后樁基凍拔承載力分析

假設(shè)第年后，季節(jié)凍土層、未凍土層和多年凍土層的厚度分別為，和，未凍土層和多年凍土層分別有和層土，并且樁端落在多年凍土中，如圖2所示。未凍土層和多年凍土層中各層土與樁側(cè)的摩阻力標準值的加權(quán)平均值分別為1n和2n，其計算分析如下：

令1n，2n和3n分別為季節(jié)凍土層、未凍土層和多年凍土層的厚度與樁長的比值，即

由于

令其值為1n，則；

令其值為2n，則。

第年，季節(jié)融化層回凍時，若凍脹力大于樁的上部豎向荷載和樁自重之和即

則樁有被拔起的趨勢，凍結(jié)力和樁側(cè)摩阻力的方向隨之確定，由此得到第年樁基發(fā)生凍拔的臨界承載力R：

同時，第年樁基受到的切向凍脹力為

當(dāng)T-＞R時，樁基將發(fā)生凍拔失穩(wěn)。

3 凍拔穩(wěn)定性的計算實例

由以上分析及推導(dǎo)，以青藏鐵路工程[19]位于可可西里段凍土工程為例進行計算。該地區(qū)某樁為鋼筋混凝土預(yù)制摩擦型樁，直徑=0.55 m，樁長=8.0 m，自由長度為0.42 m，上部荷載和樁自重分別為250 kN和200 kN，地質(zhì)剖面圖如圖3所示。第1年年平均地面溫度為?7.5 ℃。假設(shè)此處年平均地面溫度上升值為 0.3 ℃/(10 a)，凍土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.3 W/(m·℃)，當(dāng)?shù)氐刂袩崃鳛?.139 2 W/m2，第1年的凍結(jié)指數(shù)為139.5。同時，假定土的干容重、凍土的總含水量、地中熱流、凍土的導(dǎo)熱系數(shù)不變，季節(jié)凍融層為強凍脹土。

圖3 柱狀地質(zhì)剖面

3.1 樁基整體上拔的驗算

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，由式(3)，(4)和(5)分別計算得到樁側(cè)季節(jié)凍結(jié)深度、多年凍土層厚度和未凍土層厚度在50 a內(nèi)的變化規(guī)律，如圖4所示。從圖4可見：樁長范圍內(nèi)的多年凍土層在34 a后全部退化為未凍土層，此時，季節(jié)凍結(jié)層厚度由最初的2.681 m變?yōu)?.243 m，未凍土層由最初的0 m變?yōu)?.757 m。從第34年到第50年，季節(jié)凍結(jié)層厚度由2.243 m變?yōu)?.996 m，未凍土層厚度由5.757 m變?yōu)?.004 m。由此可知：季節(jié)凍結(jié)層厚度在整個過程中的變化不明顯，未凍土層厚度和季節(jié)凍結(jié)深度在前34 a內(nèi)變化較大，而在后16 a內(nèi)變化趨于平緩。

1—季節(jié)凍結(jié)層；2—未凍土層；3—多年凍土層。

通過比較樁基的抗拔承載力和切向凍脹力來預(yù)測樁基的凍拔失穩(wěn)，簡單易行，但是不利于快速監(jiān)測。由于未凍土層的厚度與抗凍拔力和切向凍脹力有一一對應(yīng)關(guān)系，本文利用未凍土層的厚度與樁長之比來判斷樁基是否會發(fā)生凍拔失穩(wěn)。通過計算，發(fā)現(xiàn)第31年時，樁側(cè)未凍土層、季節(jié)凍結(jié)層和多年凍土層的厚度分別為5.369，2.286和0.345 m，即當(dāng)未凍土層厚度與樁長之比為0.671時(如圖5所示)，樁側(cè)的切向凍脹力由最初的694.905 kPa變?yōu)?92.497 kPa，抗凍拔力由最初的719.900 kPa變?yōu)?91.961 kPa；由于 592.497 kPa(切向凍脹力)大于591.961 kPa(抗凍拔力)，樁基將發(fā)生凍拔失穩(wěn)。也就是說，本例樁的未凍土層厚度與樁長的臨界比值為0.671，當(dāng)未凍土層厚度與樁長之比超過此值時，樁將發(fā)生凍拔失穩(wěn)。

1—抗凍拔力；2—切向凍脹力。

3.2 樁基局部強度的驗算

由截面應(yīng)力的計算公式可知最大拉應(yīng)力發(fā)生在最大凍深處, 因此，以該界面為驗算截面。最大凍深處截面應(yīng)力隨未凍土層厚度與樁長之比的關(guān)系如圖6所示。

圖6 截面應(yīng)力隨未凍土層厚度的變化

由圖6可知：只要該樁截面允許的最大拉應(yīng)力大于最大凍深處應(yīng)力，該樁在最大凍深處就不會被拔斷。然而，還應(yīng)驗算該樁沿樁全長所有受力鋼筋截面變化處斷面的凍拔情況，由于資料有限，本文沒有對此進行驗算。

4 結(jié)論

1) 隨著多年凍土層在氣候變暖大環(huán)境下逐年退化，未凍土層的厚度逐年增大，而季節(jié)性地表凍融層深度逐年減小。由于部分多年凍土層退化為未凍土層，導(dǎo)致凍土與樁側(cè)的摩阻力減小，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)總的抗拔力減小，即樁的臨界失穩(wěn)凍結(jié)深度減小。

2) 溫度影響樁周土的物理力學(xué)參數(shù)，進而影響樁周土的抗拔穩(wěn)定性。

3) 將樁側(cè)未凍土層厚度與樁長的比值與其臨界比值進行比較，可判斷樁是否發(fā)生凍拔失穩(wěn)，這可以作為工程實踐中樁基穩(wěn)定性的監(jiān)測評估依據(jù)。

4) 對于群樁的抗拔穩(wěn)定性驗算，需要考慮群樁效應(yīng)。季節(jié)凍融層樁側(cè)切向凍脹力和多年凍土層樁側(cè)凍結(jié)力主要與土的類別、凍前天然含水率及凍前地下水位至地表距離有關(guān)，在凍結(jié)過程中，樁與樁之間的相互作業(yè)會導(dǎo)致土體的性質(zhì)發(fā)生變化，進而影響水分的遷移，故群樁下切向凍脹力和凍結(jié)力的取值應(yīng)在單樁下取值的基礎(chǔ)上乘以折減系數(shù)，它的取值與群樁的樁數(shù)、樁長徑比和樁間距有關(guān)；未凍土層樁側(cè)的摩阻力也會隨著土體性質(zhì)的變化而變化，它的取值及其與群樁的樁數(shù)、樁長徑比和樁間距的關(guān)系可由經(jīng)驗公式或邊界單元法得到。

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Assessment method of degradation of pile stability for frozen soil decreasing in cold region

WANG Ruolin, ZHU Daopei, LIU Xiaoyan, SIMA Jun

(School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

In the evolution process of deterioration of the permafrost layer, the force analysis of pile foundation which has a typical frost heaving damage was carried out with the presence of unfrozen soil layer. In the evolution process of seasonal freezing and thawing cycle, the calculation formulas of lateral friction resistance of pile foundation of each layer were proposed. Based on this, the degradation mechanism of uplift pile foundation stability was studied, then the numerical model of the critical bearing capacity of pile foundation in frost heaving damage was established with the existence of the unfrozen layer and the degradation of the permafrost layer. Based on the suppositions that factors such as the unit dry weight of the soil, total water content of frozen soil, thermal current in the earth, thermal conductivity of frozen soil were kept constant and the seasonal freeze-thaw soil was strong frost heaving soil, soil condition of the pile foundation of an engineering example was analyzed and thickness of each layer soil that changed over time within the scope of the pile length was established. Also the uplift and tangential frost heaving force change with the thickness of the unfrozen layer ratio to the length of the pile was analyzed. In the evolution process of seasonal freezing-thawing cycle, the frost heaving force and lateral friction resistance of pile foundation were calculated and compared. The calculation method of the uplift pile group foundation stability was discussed. The results show that the degradation of part of permafrost layer will decrease the total uplift force and critical freezing depth of pile foundation. The comparison results of unfrozen soil layer beside pile and length of pile ratio and critical ratio can be used as the criterion of pile frost heaving stability. The critical capacity model provides the basis of numerical analysis for the stability estimation in the evolution process of the permafrost layer.

permafrost; seasonal freeze-thaw; frost heaving; pile foundation stability; unfrozen soil

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.032

TU45

A

1672?7207(2016)09?3148?06

2015?09?22；

2015?11?23

國家自然科學(xué)基金資助項目(51278387) (Project(51278387) supported by the National Natural Science Foundation of China)

王若林，博士，副教授，從事結(jié)構(gòu)工程、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、結(jié)構(gòu)新材料、新工藝研究；E-mail: rl.wang@whu.edu.cn

(編輯 陳燦華)