冻土区桥梁桩基承载力机理分析系统研究

强度是土体最重要的性质之一，地基的承载力与土体强度关系密切。大气作用控制着地球水分平衡，在土壤里，由于降雨作用，雨水入渗到土体内部，造成土体含水量升高；另外，由于受到季节性的影响，春夏季节雨水相对较多，土体水分入渗量大于蒸发量，而到了秋冬季节，降雨量相对减少，这时的土体蒸发量大于降雨入渗量，所以，地面也会随之发生一定的季节性胀缩变形。通过入渗可以将大气—非饱和土之间的水量和能量联系起来。当土体含水量增加，土体内部的基质吸应力减小，土体膨胀变形。当土体含水量减少，土体的基质吸应力增加，土体收缩变形。土中水在负温下变成冰的同时，将土与桩混凝土牢固地胶结在一起，这种胶结力称为冻结强度，也称作冻结力。冻土地区的桩基承载力主要来自桩侧壁与冻土之间的冻结力，可以利用冻土沿着桩基础表面的界面剪切强度来度量。冻土区土体强度最重要的影响因素是温度。冻土的黏聚力和内摩擦角值随土温的降低而增加，抗剪强度也随之增加。桩的承载力包括侧摩阻力、桩土界面的冻结力和端承力三部分。

根据Q-S曲线可以发现随着桩入土深度的增加，桩身轴力逐渐减小，说明桩在传递竖向荷载过程中，大部分荷载转嫁给了桩侧土体，冻土区桩基除了桩的侧摩阻力，桩土界面的冻结力也为桩提供了较大的摩阻力。桩侧摩阻力的充分发挥与其周围土层的工程特性及其土层所处的位置有关。桩周土体的变化会引起侧摩阻力的增加，那么桩端承受的荷载就会变小。随着荷载的增加，传至桩端的荷载也会增加。通过桩身轴力的变化可以很好地研究桩侧摩阻力和桩端阻力的变化规律。

根据材料力学的知识可表示桩身处轴力的计算公式：

式中，E——桩基的弹性模量；

　　　A——桩基的轴向横截面积；

　　　ε（z）——桩深z处的应变。

在冻土区桥梁桩基监测中，从桩身轴力可以得出以下结论：

a.各条件下，桩身应变均会随着加载时间增加并逐渐稳定，低温环境和小荷载下更有利于桩身应变的稳定；桩身的应变随荷载幅值及频率的增大而变大，随温度的降低而减小。

b.各荷载条件下，桩身轴力随时间逐渐变大，但变大的趋势不断减小；频率对桩身轴力的影响较小，低温环境下桩身轴力较小，为桩身稳定的有利条件。桩身轴力沿着桩深逐渐变小，主要原因在于桩侧土体使桩受力是从桩体的上部开始。

c.桩侧冻结应力首先从桩基的上端发挥作用，并逐渐向下传递。分别增大荷载幅值、频率及降低温度都会使得桩侧冻结应力增加，其中低温使桩土强度增加，从而桩侧冻结应力承担更多上端的荷载。

d.各条件下，桩土相对位移稳定所需时间存在较大差异，表现出桩土流变特性的影响。较大的荷载幅值、较高的频率及较高的温度都使得桩土相对位移增加。频率的改变能够影响桩土的承载模式；温度的改变影响桩侧冻结应力，改变桩侧承载能力，从而影响桩土相对位移。

（1）季节融化层的侧摩阻力

冻土区融化层的侧摩阻力随不同工况变化较大。桩侧摩阻力是桩侧土体对桩体变形的阻力，它与桩土之间的摩擦力有一定的联系，但并不完全等同。桩土之间的摩擦力是桩侧摩阻力和端承力的重要影响因素之一。侧摩阻力极限值作为一种力学指标，必然与材料的力学特性有直接关系。如果仅取一小段桩进行分析，不考虑位移限制及桩长引起的侧阻力发挥不同步的影响，则影响侧摩阻力极值的决定因素可归纳为两个方面：一是桩土界面的强度，二是土层的强度。极限侧摩阻力由二者之中较弱的一方决定。桩周土的性质是影响单位桩侧极限摩阻力的直接因素。

董光辉等［1］将单桩荷载位移曲线分解为桩端荷载位移曲线和桩侧荷载位移曲线，提出了桩端位移比和桩侧位移比的概念，由于端阻力和侧阻力对桩底沉降的影响差异较大，这种方法将两者分开讨论使得单桩推算群桩沉降的理论更加完善，但其对于土层参数的选取仍需依靠土工试验。陈强华等［2］分析了东南沿海软土地区46根桩的试验资料，并通过其中20根有内力测试资料的桩和标准贯入试验进行对比，提出了以此比值贯入阻力Ps值表达的侧阻和端阻的估算公式。张忠坤［3］运用多元回归分析技术，结合静力触探试验指标与桩的静载试验资料，同时考虑土层情况及桩本身特点，对单桩的承载力进行了研究，建立了静力触探试验指标与单桩承载力之间的关系。唐丽云等［4］研究水化热对桩基沿径向温度变化规律及影响半径问题。吕晓亮等［5］研究进行了室内物理模拟试验，研究了未冻土和高温冻土两种条件下桩基承载力的特性。张军伟，马巍等［6］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。

一般来说，桩周土的强度越高，相应的单位桩侧极限摩阻力就越大。许多试验资料指出，在一般的黏性土中，单位桩侧极限摩阻力等于桩周土的不排水抗剪强度；在砂性土中的单位桩侧极限摩阻力系数平均值接近于主动土压力系数。由于单位桩侧极限摩阻力属于摩擦性质，是通过桩周土的剪切变形来传递的，因而它与土的剪切模量密切相关。超压密黏性土的应变软化及砂土的剪胀，使得单位桩侧极限摩阻力随位移增大而减小；在正常固结以及轻微超压密黏性土中，由于土的固结硬化，单位桩侧极限摩阻力会由于桩顶反复加荷而增大；松砂中由于剪缩也会产生同样的结果。黏性土中单位桩侧极限摩阻力的分布形式比较复杂，大部分情况下单位桩侧极限摩阻力会随深度增加呈抛物线分布。在砂土中，单位桩侧极限摩阻力一般也呈抛物线分布。桩端部持力层较强，则桩的侧摩阻力整体会提高，尤其在桩端部提高明显，反之，当桩底持力层较弱时，侧摩阻力会降低。

桩土体系强度破坏可能出现在三个位置。一是桩土界面处，当桩土界面的冻结力，黏结力和摩擦力均很低时，桩土之间所能传递的力也很低，此时侧摩阻力由界面强度决定，桩表面的粗糙度会对侧摩阻力产生影响；二是靠近桩身的土体处，由于越靠近桩身，土的剪应力越大，当剪应力远大于其他应力时，土体单元的强度条件主要由剪应力决定，土体发生沿桩身方向的剪切破坏，这也是桩周土体最常见的破坏形式；三是离桩身一定距离处，典型的例子是桩抗拔荷载时发生的倒锥型破坏，当桩土界面强度足够大，土体的抗剪强度也足够大，桩很短或土体有薄弱层时，会使桩周局部土体形成类似于结构中悬臂梁的受力形式，使离桩身一定距离处的土体处首先达到强度条件而破坏。

a.桩土界面强度的影响。

根据现代摩擦学的观点，两个固体材料之间存在着黏着力及摩擦力，可用下式来表述

式中，a——桩土界面的黏着力；

　　　μ——界面的摩擦系数；

　　　p——侧压力。

从摩擦力的表达式可见桩土界面的摩擦力会随着桩土界面的黏着力和界面的摩擦系数的改变而改变。地温的变化导致桩土界面处土体抗剪强度值的改变，桩与土的接触黏结力和摩擦力也会相应有一定的变化。

b.土层强度的影响。

上式与土体抗剪强度τ的表达式相似，但参数的意义不同。

式中，c——土的黏聚力；

　　　φ——土的内摩擦角；

　　　σ——土的总应力。

有观点认为，侧摩阻力等同于土的抗剪强度，这种认识是以默认界面可以提供足够的力而使破坏不发生在界面处为前提的。实际上，桩的界面强度与土体强度虽有联系，但还是不能混为一谈。土体的抗剪强度是土与土颗粒之间的接触问题，而界面强度是桩与土体之间的接触问题。两者不等同的宏观表现为桩表面的粗糙度会对桩的侧摩阻力产生影响。随着温度变化导致水分迁移，土中水分结冰土体强度增加。

（2）桩侧冻结强度

对单桩在轴向荷载作用下，沿桩身产生的桩侧冻结力随着桩土之间的剪切变形不断变化。事实上多年冻土区桩侧冻结力值是随着桩顶荷载及土层水分、温度等各种因素而变的，而且温度效应影响显著。冻土地区桩基承载与非冻土地区桩基相比，有一个非常鲜明的不同之处是冻土地区的桩基承载主要来自桩侧壁与冻土之间的冻结力，可以采用冻土沿桩基础表面的界面剪切强度来度量。该冻结力只有在桩体与土之间发生相对位移或有发生相对位移的趋势时才能表现出来，而且与外力的作用方向相反。桩基在冬季时因桩基表面约束冻胀而要承受冻胀力，在桩基表面及侧面将受到冻胀力的作用，而在夏季由于温度的升高，冻土融化而造成融沉。作用且垂直于底面的冻胀力称为法向冻胀力，沿着基侧周边表面向上作用的冻胀力，称为切向冻胀力。冻胀摩擦力的大小确定是至关重要的，而现行规范中对此切向冻胀力的确定是在实测值或无实测值的情况下由经验值来确定的，因此具有一定的不确定性。

目前我国尚未全面系统地开展冻土地区桩基础力学性能的试验研究，许多设计正处于试验和研究阶段。赖远明等［7］利用叠加原理和弹性半空间的Mind-lin公式，导出了计算桩基冻胀力三维问题的积分方程，计算可压缩和不可压缩的桩基冻胀力；邱明国等［8］对冻土中桩的破坏模式进行了试验研究，认为均质冻土中等截面竖直桩的Q-S曲线呈陡降形，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；李洪升等［9］用断裂力学对桩基冻拔的冻土工程问题进行了分析；朱元林，张建明等［10］对动荷载下冻土中模型桩做了沉降试验研究，认为冻土中桩的沉降过程主要是冻土在剪应力荷载作用下的流变过程，桩的沉降速度随冻土温度的升高而增大，随桩表面粗糙度的增大而减小，随地基刚度的增大而增大。桩的承载力总趋势是随着温度的降低，中性点的位置上移，说明桩与土间的冻结力受温度影响较大，温度越低，冻结力越大。

在多年冻土区桩侧冻结力主要是通过冰的冻结力将土颗粒与基础表面胶结在一起而形成，实质上就是基础与冻土间的胶结力［11］。采用地基冻结状态进行设计的桩基础，最主要的设计参数就是冻结强度。由于冻土的流变特性，瞬时强度很高，承载力随着加载时间的延长而逐渐降低。长期冻结力才是对工程实际有意义的强度值，设计时所采用的就是长期强度，由于试验条件和时间的限制，测定长期强度比较困难，难以广泛采用，一般都利用瞬时值或短时值换算求得。冻结力大小的影响因素比较多，主要因素有以下几点：

a.地温的影响。

土体在达到负温下才会冻结，土体在达到起始冻结温度后，逐渐形成冰晶体，随着土体温度降低，冰晶体逐渐增多，相应的未冻水含量减少，冰晶体结构中的氢离子活性减弱，冻结强度随之增大。因此，温度是影响多年冻土区桩基承载力的决定因素。

b.含冰量的影响。

在土的土颗粒成分和温度相同的条件下，冻土内的含冰量过高或过低，冻结强度均降低。无冰体胶结作用的干土仅考虑土的摩阻力，不计冻结强度，按融土对待；含冰量很高的含土冰层，强度近似冰的强度，设计也不计冻结强度；考虑到眼下全球气温升高，可能在若干年后冻土融化，在设计中偏于安全考虑不计入冻结强度。

c.土颗粒组成的影响。

含水量、温度均相同的条件下，桩侧土颗粒粒径对桩侧冻结强度具有很大的影响：中砂冻结强度最高，随粒径增大或减小，强度均降低，砾石和卵石的冻结强度最低，粗砂次之，颗粒粒径小的冻结黏土与桩的冻结强度较中砂低很多，这是因为未冻水的含量黏性土比砂土多。了解不同土颗粒对冻结强度的影响对实践有很好的指导作用：例如，在桩与冻土层之间以夯实的湿砂作为填料（插入桩与打入桩均适用）可以使桩能更好地锚固于冻土层中，季节活动层中为了减轻冻胀作用可以用干燥的砾石、卵石回填。

（3）桩端支承力

桩基承载力的主要部分是桩侧冻结力，但当桩端位于岩石、致密的砂或卵石等含冰量很小、刚度很大的土层中时则需考虑桩端承载力；在桩端土刚度比较小时，桩端承载力起作用所需要的位移比桩侧冻结强度破坏需要的位移要大，桩端承载力起作用时，桩侧冻结强度已遭到破坏，因此桩端阻力一般情况下不予考虑。

桩基在外荷载作用下，桩身材料产生压缩变形，桩身与接触的冻土之间产生位移差，冻土对桩身产生向上的冻结摩阻力，如果桩侧冻结摩阻力不能抵抗竖向荷载，则一部分荷载传递到桩端，桩端冻土被压缩，产生桩端反力。桩端反力的发挥与桩侧摩阻力的大小以及桩端位移大小及速率密切相关。荷载产生的桩侧剪应力不超过冻土长期极限承载力的情况下，桩基沉降速率在加载过程中逐渐趋于稳定，沉降不大，达不到桩端承载力充分发挥的程度；若剪应力超过冻土长期承载力，冻土产生应力松弛现象，桩端位移持续发展，桩端反力随之增大；由于沉降速率不能稳定，位移迅速增长，导致桩端反力迅速增加，如果此时桩端反力和桩侧冻结力能够承担桩顶荷载，则桩顶位移的发展依然随时间衰减，否则桩顶位移不随时间衰减，变形速率随时间增大，当桩侧冻结力与桩端承载力都到达极限状态时，桩体破坏。

Long［12］（1973）通过试验发现桩端土承载力为桩侧冻结力的3～10倍。铁路桥涵规范中的桩端土承载力在取值时没有根据桩入土深度进行修正，也就是说只要是同一种土的桩端土承载力为一定值。但试验发现，随桩的入土深度增加桩端土的承载力也会增大。马巍［13］研究发现，温度不变冻土的长期强度是随围压变化的，当围压增大长期强度也随之增大。蒋代军［14］以传热学理论为基础建立了冻土地基单桩地温场的热分析模型，采用有限单元法考虑裸露桩基表面吸收太阳辐射的同时，在大气自然对流换热、冻土相变及气候变暖等条件下，计算分析了典型湿润性永久冻土区在未来30年单桩地基桩土体系的温度变化及其长期承载力的变化趋势。因此，估算桩端冻土的承载力的时候应考虑桩入土深度的影响。但由于试桩试验数据不足，冻土性质复杂，铁路桥涵规范中桩端承载力值选取是否合理仍需研究。对于冻土区桩基工程中桩端一般嵌入岩体或者打入永冻层中。永冻层中冻土强度很高，能提供较大的桩端承载力。嵌岩桩由于桩端持力层是压缩性极小的基岩，因此季节冻土融化对其影响很小可以忽略。即一般冻胀力和融沉负摩阻力对桩基工作性能影响较小时可按照一般融土中的桩基进行考虑。规范中的桩端冻土承载力设计值是随桩入土深度增加而增大的，对承载力进行了深度修正。如表7-1所示。

同样条件下的桩基，在不同规范的计算公式中采用的桩端阻力值的大小是不同的。由此看来，不同规范间的计算方法尚需统一。由表7-1可以看出，冻土中桩端阻力同时也受到土含冰量和土温的影响。另外，桩端承载力还与钻孔方法、沉桩方式、清孔情况及地质条件有关，需通过折减系数进行修正。根据试桩实测结果，并参考一般地区的钻孔灌注桩的孔底条件系数，铁路桥涵提出修正系数m"可按下列条件确定：

a.不发生坍孔，且清底情况良好的钻孔灌注桩、钻孔插入桩用0.7～0.9；

b.有坍孔现象，且清底较差的钻孔灌注桩、钻孔插入桩用0.5～0.7。