冻土区桥梁桩基力学特性研究+监测预报预警系统

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：冻土桩基工程大量应用于寒区工程建设，桩基工程的物理力学特性研究一直是众多学者研究的热点课题。Heydinger［15］、Landanyi［16］对于永久冻土区桩的设计进行了部分研究。Dufour等［17］进行了在冻结砂土中振动模型桩的打入研究。Isaev［19］研究了通过静载荷试验确定冻土地区桩基承载力的方法。Poluehktov等［25］还研究了在冻土区通过扩大桩基来提高桩的承载力的问题。并结合大气温度变化研究了冻土区桩基承载力的变化规律。

冻土桩基工程大量应用于寒区工程建设，桩基工程的物理力学特性研究一直是众多学者研究的热点课题。具体的研究方向分为以下几种：结合室内冻土力学实验、模型试验和现场试验，围绕桩-冻土作用机理、冻结强度影响因素、桩基垂直水平承载力实测等方面。但是从目前所掌握的文献资料来看，美国陆军部寒区研究与工程实验室在费尔班克斯多年冻土区，做了以下研究工作：根据工程所在环境的特殊性，在低温早强混凝土试验成功以前，在多年冻土区优先使用钻孔插入桩，通过改变桩身表面性能提高冻结力；土中桩周土冻结强度受桩身材料及桩身尺寸、桩的安装方法、回填材料、冻土的流变和加荷方法的影响进行了研究；认为冻土的应变速率、地温、土冰中的混合物对桩的承载力影响最大，若土的类型、地温已给定，可调整桩的材料及其尺寸和回填材料来优化桩的承载力；对于以沿桩表面摩擦发挥其支承作用的摩擦桩，在多年冻土区一年中最危险的时期通常是晚夏至初冬，那时荷载主要支承深度处的多年冻土的温度处在其最暖期。Morgenstern等［13］研究了永冻区桩的设计问题及在冰和富含冰的土中摩擦桩的性能。Puswewa1a等［14］建立了冻土与结构物相互作用的计算模型，并进行了冰中的桩体和冻土中的桩体在水平荷载作用下的蠕变效应分析。Heydinger［15］、Landanyi［16］对于永久冻土区桩的设计进行了部分研究。Dufour等［17］进行了在冻结砂土中振动模型桩的打入研究。Zalba［18］分析了冰中或冻土中的抗浮桩竖向荷载作用下的效应分析以及水平稳定性分析。Isaev［19］研究了通过静载荷试验确定冻土地区桩基承载力的方法。Parameswaran［20］进行了冻土中模型桩在动力荷载作用下桩的蠕变位移研究，还对冻土中的桩承受动力荷载时的承载力特性进行了研究，发现当桩仅承受相当于静态应力的5%的动应力时，冻土中承受长期荷载桩的位移就会增加，在非轴向压力作用下冻土的徐变也会增加，这些现象会使桩的承载力降低，因此建议在永久冻土区桩基设计时应该考虑动力荷载的作用效应。Stelzer和Andersland等［21］进行了在冻结砂土中模型桩沉降的动荷载效应，桩沉降的蠕变参数、方程及在冻土中桩的粗糙度和受荷性能的研究，研究了在冻结砂土地区模型桩的沉降行为，并研究了置于冻土中的摩擦桩，在承受静力荷载的情况下，附加大小约为长期作用下荷载的3%到5%的周期荷载时，将增加桩的沉降率的问题。Sharma等［22］对富冰冻土中侧向受荷桩基的分析和设计方法进行了讨论，研究了有限元数值方法模拟水平荷载作用于冻土桩基作用结果，与通过实测得到的结果进行对比分析，并编制了基于黏塑性的有限元程序，主要考虑桩土相互作用体系平面应变和平面应力问题，通过加入薄层接触单元，模拟桩土之间的相互作用效应，但是未实现截面冻结力和摩擦性能模拟。Biggar和Sego［23］在加拿大盐质永久冻土区进行了单桩载荷试验，发现回填材料的不同可使桩与回填材料相接触界面的强度比回填材料与冻土相接触界面的强度大，这样桩的承载力受回填材料与冻土相接触界面的剪切强度所控制，承担荷载的表面积增大，可充分调动冻土的剪切强度，对于给定的桩，不加大桩的尺寸即可增加桩的承载力以及盐质永久冻土区考虑时间效应的桩位移，并开展了含盐永久冻土和季节冻土不同桩型的现场载荷试验研究。Trofimenkov［24］进行了多年冻土区长期荷载作用下桩的荷载试验分析，得出在非盐质永久冻土区在给定的高位移率下，破坏时桩的应力比设计规定中的富含冰的桩的应力要小，证明在盐质永久冻土区桩的承载力有大幅度的降低。Poluehktov等［25］还研究了在冻土区通过扩大桩基来提高桩的承载力的问题。Nicolsky［26］提出了冻土区结构物与土层系统中应力-应变、温度、湿度场变化相互影响的数学模型。在模型中，热物理参数对应力-应变状态演化的影响用孔隙冰的含量来解释，孔隙冰含量是由土的温度、类型和含盐量决定。Andersen等［27］认为需要增加充填于钻孔与桩之间空隙中砂浆的强度，使得沿桩的侧面的总抗剪强度等于沿砂浆与孔壁多年冻土接触面的总抗剪强度。Kim［28］等提出组合桩、变截面桩等改进，这些改进不仅使得桩承载更加合理，而且降低桩的成本。Ladanyi［29］通过在相同地区的几个模型或全尺寸桩的试验结果得到的典型冻土蠕变曲线阐述了冻土地区桩的承载能力和冻土的长期强度的两种概念及其实质。Tang等［31］基于冻土电阻率变化准确测试了冻融过渡段的未冻水含量，指出未冻水含量对冻融土力学性质影响。Selvadurai等［31］研究了在轴向荷载作用下的冻土基础。Vyalov等［32］介绍了试验室和现场在冻土中单桩和群桩的承载特性，表明土变形的特征受桩间距和土的性状影响，对于大间距，群桩的承载能力由群桩中单桩的承载力和单桩的数目所决定，对于小间距，关系是不确定的而且需要对桩的沉降进行特殊分析，提出了基于理论研究的单桩和群桩沉降公式，表示通过应用应变硬化蠕变理论来考虑冻土流变特性。

唐丽云［33-34］根据多年冻土区地温与大气温度之间的关系，得出季节融化期和季节冻结期地表温度，确定季节融化及季节冻结深度，结合地表温度推导出多年冻土深度与时间的关系，建立了大气温度、地表温度、融冻层厚度及多年冻土厚度变化与时间相关的联合方程。并结合大气温度变化研究了冻土区桩基承载力的变化规律。励国良等［35］对青藏高原多年冻地区五道梁、清水河和昆仑山桩基础试验场进行了桩基试验研究，包括钢筋混凝土钻孔打入桩、钻孔插入桩、钻孔灌注桩，探索了施工工艺、回冻过程、适用条件及工程评价，提出了冻土地区桩的水平、垂直荷载试验方法，利用试验中得出的实测位移、弯矩数据，采用差分并结合优选的方法，反算出了地基系数的分布及各种设计参数。对试验数据进行了系统归纳和总结，试验结果表明冻土与桩之间的作用分析按m法计算是可行的，并且得出了一些很有实用价值的结论。当多年冻土地基处于完全融化状态时，有学者进行了研究并给出了类似于m法的计算模式［36］。目前，我国铁路设计部门在设计青藏铁路多年冻土区的桥梁桩基时，其承载力分别按冻结和融化后两种状态计算［37］，取其不利者控制设计桩长。黄友邦等［38］在我国河北保定的实际工程中对混凝土圆锥型灌注桩、锥型桩和预制正方锥型桩以及作相同条件对比的等截面柱形桩进行过3批共22根单桩静载试验，并且他们还曾在此基础上，先后建成了一些锥型桩基础试点工程，并经随后多年的使用和观测，情况良好，进而从实际工程的角度上来论证了锥型桩应用的可行性。程永锋［39］根据冻土桩基室内模型试验研究了上拔、下压和倾覆荷载的独立与组合作用下冻土地基和桩基间冻结强度、桩基承载力以及冻土地基系数随深度变化的比例系数等参数的变化规律。武憼民等［40］对冻土桥梁灌注桩基的回冻进行了研究。常小晓等［41］对冻土中桩基的破坏模式进行了试验研究，认为冻土中桩基的P-S曲线呈现出陡降形且在正常情况下存在着明显的台阶，其承载力主要受冻结强度所控制。汪仁和等［42］主要对冻土中单桩抗压承载力模型试验进行研究，得到了冻土中方桩的承载力规律。孙学先等［43］进行了多年冻土区灌注桩竖向抗拔承载力试验研究，并结合青藏铁路多年冻土区钻孔灌注抗拔桩现场载荷试验，依据场地多年冻土地温实测资料、物理力学参数以及冻土类型，考虑多年冻土蠕变特性，桩-土体系有限元分析采用三维十节点四面体等参单元，桩-土相互作用采用面-面接触单元；同时，假定桩-土体系本构模型服从Drucker-Prager屈服准则，进行了考虑多年冻土蠕变特性的抗拔桩非线性有限元分析。邱明国等［44］对冻土中桩基破坏模式进行了模型试验研究，根据模型试验得到的单桩荷载-沉降曲线，对在竖向荷载作用下的冻土中的等截面竖直桩和锥形桩的破坏模式进行了初步探讨，得出了冻结强度是影响冻土区桩基承载力主要因素，锥形桩的破坏过程比圆柱状的桩破坏过程缓慢，其极限状态下呈“塑性破坏”特征的结论。朱德举［45］对多年冻土区的钻孔灌注桩进行了有限元分析。岑成贤等［46］介绍了当前在多年冻土地区修筑桩基础时常采用的形式及各种桩基础类型之间的特点、桩基础设计与计算方法和理论。舒春生等［47］通过模型桩的桩顶位移与时间关系曲线和应变曲线计算桩土相对位移，得到桩的冻结应力及端阻应力随时间变化规律。贾晓云等［48］结合青藏铁路沿线多年冻土的主要特点，对青藏铁路冻土区桥梁混凝土灌注桩基施工过程的地温场进行了模拟计算，分析了高原冻土区桥梁桩基在施工过程中地温场的变化规律。李文江等［49］针对青藏铁路沿线多年冻土的主要特点，对青藏铁路某冻土桥梁混凝土灌注桩施工过程的地温场进行了模拟计算，给出在成桩过程中混凝土不同龄期地温场的分布规律，并根据计算结果，对混凝土灌注桩施工提出合理化建议。程国栋等［50］对于第五届冻土工程国际学术讨论会上对多年冻土区工程建筑物的建筑和应用问题的讨论进行了介绍。唐丽云等［51］运用虚位移原理推导出三维非线性接触单元的等效单元刚度一约束矩阵；通过建立冻土地基的热弹塑性-蠕变增量应力应变关系及几何方程得出冻土地基的热弹塑性-蠕变单元平衡方程。根据桩土共同作用的工作特性，通过引入非线性接触单元将冻土地基的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模式与混凝土桩联系起来，建立了冻土区桩土共同作用的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模型。王旭等［52］进行了多年冻土区未回冻钻孔灌注桩承载性质试验研究。李宁等［53］为了减小桩体的冻胀和融沉，采取了对桩周材料的处理，提出了可用于冻土区的一种新型桩。张军伟等［54］通过对青藏高原风火山地区的桥梁钻孔灌注桩进行现场静载试验，研究了厚层地下冰地区高温不稳定冻土地段桥梁钻孔灌注桩的基桩承载力和变形特性，结果表明钻孔灌注桩的桩端阻力对整个桩基的承载力贡献较小，基桩周围土体的剪切变形大部分为塑性变形，沉降特性呈现出较为典型的摩擦桩特征；基桩轴力的荷载传递特性和桩侧阻力的发挥与桩顶所加荷载大小、桩周冻土的性质以及地温密切相关。

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