（道路与铁道工程专业论文）多年冻土地区钻孔灌注桩回冻分析.pdf

摘要 摘要 我悄是多年冻土人悄，冻土热力学方面的不稳定性，使多年冻土地区修筑的建筑物 稳定性受到了很大的影响，! 工程冻害现象较为普遍，严重影响到了正常的交通，因此研 究冻十冻胀引起的冻害对多年冻地区建筑物的影响有着很重要的意义。对于冻胀的汁 算，目前还没有个完整的理论体系，实际工程当中往往是通过做实验的方法来研究冻 胀对工程的影晌。本文主要足对钻孔灌沣桩灌注完混凝土后桩的回冻过程的研究，电就 是埘冻十与钻孔灌泞桩的温度场的研究。本文首先介绍了同前国内外对冻胀的研究现状 及发展趋势，然后根据所查阅的参考文献总结，多年冻上地区常用的桩基础形式、冻土 的工程特性、力学性质及冻土温度场计算力法，还介绍了冻胀的机理和冻胀力的一些基 本理论，同时对a n s y s 热分析模块的基本功能作了简单介绍。在研究桩基础回冻时， 本文借鉴了当前桩一上帽互作用问题的研究乃法和成果及热力学讨算的基本理论，考虑 到了多年冻上特殊的热学性质，如冻土的相交特性等，另外还考虑到r 混凝t 桩灌注完 后混凝：水化热对桩周冻土的影响，采用目前流行的大型有限元分析软件a n s y s 的热 分析模块，建立了不同的桩长、桩径及不同的入模温度的桩与冻土的有限元模型，求得 在考虑时间因素的情况下( 瞬态热分析) 多年冻土与钻孔灌注桩之间温度场的分布情 况，并且通过昆仑山多年冻上桩基试验场的实验桩的数据与有限元模型的计算结果进行 对比分析，验证有限元分析的准确性。在此基础上，根据有限元模型的计算结果本文作 了以下几方i 1 6 ：j 的工作：第n _ ，对不同的桩径时钻孔灌j 丰桩回冻进行了比较分析，得m 在 不同的桩径条件f ，钻孔灌注桩的温度变化曲线；第二，对小同的桩长二钻孔灌注桩回 冻进行_ 分析，得出在不同桩长条件下，钻孔灌注桩的温度变化曲线；第二，分析了不 同的入模温度时钻孔灌注桩的回冻，得出一个合理的入模温度；第四，混凝土水化热对 钻孔灌注桩周围冻土的影响是随着距离的增加f 而减小，根据有限元模型的计算结果，本 文得出了混凝上水化热对桩周围冻土的影响范围。 关键词多年冻土：冻胀；有限元；入模温度 与、1 1 ：林, j k 凡学坝卜尹应论史 a b s t r a c t c h i n ai sa c o u n t r yw i t hl a r g ep e r m a f r o s t t h es t r u c t u r e sw h i c ha r ec o n s t r u c t e d 讯 p e r m a f r o s tr e g i o na r ei n f l u e n c e db yt h ei n s t a b i l i t yo ff r o z e ns o i lo nt h e r m o d y n a m i c si ti s u n i v e r s a lt h a tt h es t r u c t u r e sa r ed e s t r o y e di np e r m a f r o s tr e g i o nf o rt h ef r o s th e a v ea n di t i s s e r i o u si n f l u e n c e dt h en o r m a lt r a f f i co fo u rc o u n t r yi ti s i m p o r t a n tf o rp e o p l et os t u d yf r o s t h e a v eo ff r o z e ns o i lt h e r ea r en om o r ep e r f e c t l ys y s t e mo f t h e o r yf o rt h es t u d yo ff r o s th e a v e p e o p l eu s u a l l ys t u d yt h ef r o s th e a v eb yd o i n ge x p e r i m e n td u r i n gt h er e a le n g i n e e r i n gt h e t h e s i sm a i n l ys t u d yc o u r s eo ff r e e z i n gs o i lw h e nt h eb o r e dp i l eh a sc a s tt h ec o n c r e t e ，t h a ti s ， s t u d y i n gt h et e m p e r a t u r ef i l eb e t w e e nf r o z e ns o i la n db o r e dp i l ei nt h et h e s i s ，f i r s t l y , t h ea u t h o r i n t r o d u c e st h ea c t u a l i t ya n dt h ed e v e l o p m e n to fs t u d yf r o s th e a v eo fo u rc o u n t r ya n do v e r s e a s e c o n d l y ，t h ea u t h o rs u mu pf o r m so fp i l e si nt h ep e r m a f r o s t ，c h a r a c t e r i s t i co ff r o z e ns o i li n e n g i n e e r i n g 、p r o p e r t yo fm e c h a n i c sa n dt h ew a yo fc a l c u l a t et e m p e r a t u r eo ff r o z e ns o i lt h e a u t h o ra l s oi n t r o d u c e ss o m eb a s i ct h e o r yo ff r o s th e a v ea n df r o s th e a v ef o r c ea n dt h e n i n t r o d u c e sb a s i cf u n c t i o n so fa n s y si nt h e r m a lm o d e li nt h et h e s i s t h ea u t h o ru s e sf o r r e f e r e n c et h ew a yw h i c hp e o p l eu s et os t u d yt h ep r o b l e mb e t w e e ns o i la n dp i l e ，u s e sf o r r e f e r e n c et h eb a s i ct h e o r yo ft h e r m o d v n a m i c sd u r i n gt h es t u d yt h ea u t h o ra l s oc o n s i d e rt h e s p e c i a lc h a r a c t e ro ff r o z e ns o i l ，f o re x a m p l e ，e n t h a l p yo ff r o z e ns o i la n dc o n s i d e rt h ee f f e c to f h y d r a t eo fc o n c r e t ea f t e rc a s t i n gt h ec o n c r e t e ，b u i l d i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fd i f f e r e n t l e n g t ha n dr a d i u so fp i l ea n dd i f f e r e n tt e m p e r a t u r eo fc a s t i n gc o n c r e t eb ya n s y ss o f t w a r ei n t h e r m a lm o d e l f i n d i n go u td i s t r i b u t i n g0 ft e m p e r a t u r ef i e l db e t w e e nt h ep e r m a f r o s ta n db o r e d p i l eo nt h ec o n d i t i o no fc o n s i d e r i n gf a c t o ro ft i m e ( t r a n s i e n t ) t h er e s u l to ff i n i t ee l e m e n tm o d e l c r e a t e db ya n s y si sv e r i f i e db yt h es i n g l e p i l ee x p e r i m e n ti nk u n l u n s h a np e r m a f r o s t z o n e ，l a t e l yo nt h eb a s i so ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h i st h e s i sm a i n l yc o n s u m m a t ef o u r a s p e c t so fw o r k sf o l l o w i n gf i r s t l y ，t h ea u t h o ra n a l y s e st h ee f f e c to fb o r e dp i l ed u r i n gr e f r o z e n b yd i f f e r e n tl e n g t ho fp i l ea n df i n do u td i f f e r e n tc u r v eo ft e m p e r a t u r eo fb o r e dp i l es e c o n d l y , t h ea u t h o ra n a l y s e st h ee f f e c to fb o r e dp i l ed u r i n gr e f r o z e nb yd i f f e r e n tr a d i u so fp i l ea n df i n d o u td i f r e r e n tc h i v eo ft e m p e r a t u r eo fb o r e dp i l et h i r d l y ，t h ea u t h o ra n a l y s e st h ee f f e c to fb o r e d p i l ed u r i n gr e f r o z e nb yd i f f e r e n tt e m p e r a t u r eo fc a s t i n gc o n c r e t ea n df i n do u td i f f e r e n tc u r v eo f t e m p e r a t u r eo fb o r e dp i l el a t e l y , t h ef u n c t i o no fh y d r a t i o no fc o n c r e t ei s r e d u c e dw i t ht h e d i s t a n c ef r o l l lp i l ei n c r e a s i n gt h ea u t h o l f i n do u tt h ei n c i d e n c ew h i c hh y d r a t i o no fc o n c r e t e e f f e c to np e r m a f r o s to i lt h eb a s e so ft h er e s u l to ff i n i t ee l e m e n tm o d e lt h a tc r e a t e db ya n s y s k e y w o r d sp e r m a f r o s t ；f r o s th e a v e ：f i n i t ee l e m e n t ：t e m p e r a t u r e & c a s t i n gc o n c r e t e i j 1 绪论 1 1 国内外冻胀的研究现状和发展趋势 冻土是既具有一般七类的共性，同时又具有特殊性质的多相复杂体系，与其它土类 相比较，其最大的特点是在热力学疗面的不稳定。因此在多年冻土地区建筑公路、铁路 等建筑物，必须考虑由于冻土的特殊性质引起的冻土稳定性的影响，如土体的冻胀、融 沉以及随着冻融过程中发生的力学、热学现象等。 多年冻士地区桩基础的研究涉及到冻土学、传热学、桩基础的设计与计算、桩一土 相互作用等多个方面，是一个涉及面比较广、综合性比较强的问题。人们对多年冻土地 区：工程的研究最早从多年冻上地区开采金矿开始的。随后便在多年冻土地区进行丈量工 程建设，如1 9 7 4 年前苏联修建的西伯利亚铁路以及后来的新西伯利亚铁路、北美高速 公路、油气管道、矿井建设等，在中国主要是青藏公路、青康公路。随着多年冻土地区 工程的开展，与工程有关的问题如冻胀、融沉、道路翻浆等也随之而产生，对工程建筑 物造成r 极大的破坏，从此人们开始r 治理冻害的对策、方法的研究。前苏联科学研究 院在雅库克茨成立了冻土所，美国陆军寒区研究与 二程实验室设在新罕什尔州。二战期 问，美国在阿拉斯加多年冻土地区修筑了铁路、房屋和军事工程等就因常常遇到各种冻 害而寻求解决方法，日本、加拿大、法国等也组成，自己的冻土研究队伍，对冻土工程 问题进行了研究。“。 中国科学院兰州冰川冻土研究所于1 9 5 8 年成立，1 9 8 9 年成立了冻土工程国家重点 实验室，目前冻土工程国家重点实验室已在我国冻土基础研究及国民经济建设中发挥了 重要作用，成为了我国冻土研究及冻土科技人员培养中心，同时也成为了国际上为数不 多的有影响的冻土研究所之一。”1 冻土的流变性研究对于正确确定冻土地基强度和变形有重要的意义，国外早在本世 纪3 0 年代就开展冻土流变性的研究，但较系统进行此项工作还是在本世纪5 0 年代以 后，而且取得了明显进展，提出了一系列冻士流变理论，有些已在工程实践中得到了推 广应用。但是由于冻土是复杂的多相体系，其属性往往随着土的温度和含水量( 冰) 状 况而改变，因此，目前对于冻土流变机制的认识也没有得到根本解决，在工程实践中也 存在较多急待解决的浏题，冻t 流变性仍是当前冻土研究中一个重要课题。 多年冻土地区的工程冻害现象较为普遍，有的拱起，有的倾斜，有的裂缝，有的失 稳破坏，常见的“罗锅”、“耍龙”便是这些冻害的典型特征，它已严重的影响到了正常 的交通，给国民经济造成，很大的损失，造成这些冻害的原因很大程度上是由于土体冻 胀引起的。 自本世纪3 0 年代后各国便开始厂土体的冻胀过程、冻胀机理及其应用的研究，主 要是结合寒区公路、铁路、飞机跑道、水利设施、油田、矿山等的实际需要在实验室与 现场观测上体冻胀基本规律相结合展开研究的，为工程冻害防治提供了依据。关于上体 冻胀现象的试验和理论研究至今已有半个世纪，6 0 年代主要是以经验公式出现，7 0 年 力；北林业大学硕上学位论文 代较为普遍的是水热耦合模型及其数值解，8 0 年代未，提出r 冻胀现象的热力学模型t 把冻土的力学特性与水热运输过程结合起来。h a r l a n ( 1 9 7 3 ) 提出了正冻士。 | 水热耦台模 型，该模型是基于非饱和 j 巾水分输运与部分冻结 ：中水分输运的相似性，并用视容量 把方程结合起来。o n e i l l ( 1 9 8 3 ) 基j 二m i l l e r 第二冻胀理沦提出了刚性冰模型， d u q u & n e i l l 等，t r e m o n d 和m i k k o l a ( 1 9 9 1 ) 在综合考虑冻土的力学性质与水热输运基 础上提出了热力学模型，此模型目前还在研制工作中。9 0 年代后随着计算机的发展，人 们开始用有限元方法及计算机工具对冻胀进行模拟研究，对饱和与非饱和士体冻结时的 一维与二维热质综合输运数值模拟工作也取得了较大的进展。“ 我国对冻胀的研究起步较晚，5 0 年代末6 0 年代初，由于华北、东北冻土地区道路 翻浆、建筑冻害严重，先后由公路、铁路、水利等部门开始开展冻害调查、病因分析及 室内冻胀试验工作。6 0 年代后在多年冻土地区建立了大型的综合野外冻土观测站，系统 地对冻胀基本规律进行现场观测和室内试验：7 0 年代后冻胀处于室内外相结合阶段，对 影响冻胀的土、水、温度等因素进行较系统的试验和分析；8 0 年代后逐渐向冻胀机理并 侧重工程防冻害措施研究，随着各种研究手段及计算方法的改进，通过计算机的模拟开 展了冻胀量、冻胀力、冻胀杌理、冻胀预报和各类工程冻胀措施研究，大量的室内外研 究工作，人们逐渐摸清了冻胀沿深度分布的一些规律，对各种影响因素与冻胀之n ，1 的关 系总结出r 不少经验公式。研究成果主要反映在土的冻胀与建筑物冻害防治( 童长 江，管枫年，1 9 8 5 ) 、土体冻胀和盐胀机理( 徐学祖、王家澄等，1 9 8 5 ) 、地基冻 胀位移分析及计算模式等( 李洪升等，1 9 9 5 ) 。“” 我国从8 0 年代起对多年冻土地区桩基础抗冻拔等课题开展了大量的试验和研究， 对桩基础与冻土之间的热平衡关系、参数选择和适用范围进行了较为深入的探讨，在青 藏高原多年冻土地区建造了五道梁、清水河和昆仑山= 三个桩基础试验场，励国良等人对 试验数据进行了归纳和总结，得出，一些有实用价值的结论。1 6 7 1 黑龙江交通科学研究所 和黑龙江水利科学研究所在黑龙江省庆安和哈尔滨万家冻土场对钢筋混凝土桥桩进行了， 现场真形试验，对桩基础的切向冻胀力进行了研究。 对多年冻土地区桩綦础的抗冻拔的研究主要是对桩与冻土之问相互作用的研究，日 前对桩基础与冻土相互作用的分析和计算，除了有限元数值方法外，在桩基工程中广泛 应用的是半解析半数值的方法，竖向苻载作用下单桩与土体的相互作用的分析方法采用 荷载传递法、弹性理论法和剪切位移法等，横向荷载作瑁下单桩与上体的相互作用采用 地基反力系数法和弹性理论法。”1 桩基和土体相互作用分析中的个关键环节是两者相：作用面t 的接触问题。从数 值方法的角度来说，接触分析大致分为三类途径i ：一一是迭代法或试验误差法；二是罚 途径“；三是直接法，即是把接触问题处理成一个约束二：次规划问题。“1 ”1 在岩上1 ：程问 题中，被广泛使用的方法是在士与结构接触界面上构造不同形式的界面单7 i 来模拟两者 相互作用的力学行为，即刚度位移法。1 “1 和内约束单元法( 拉格朗日乘了法) ”。其中 前者的突出特点是在两接触材料的界面处人为地引入类“粘连单元”，通过选择和迭 代来调整这类单元的性质参数以近似模拟界面的力学行为。对 二这方向的研究， g o o d m a n 等、z i e n k i e w i c z 等“、g h a b o u s s i 等“、k a t o n a 等“”、h e r r m a n n1 、i s e n b e r g 等( 1 9 7 3 ) 、c a u s a l 等( 1 9 7 9 ) 、d e s a i 等“o 二。“1 以及国内的殷宗泽o “、誊晓燕、杜庆华。2 ： l 埔论 等都做过大量l 作。， 尽管魁界各阁都对冻土的各项物理性质如冻上的冻胀特性、融沉、蠕变等进行了大 量的室内外试验研究并积累了丰富的数据，但由于试验方法上的差异或基础资料不全， 低水平重复现象严重，造成了人力物力的浪费，幽此制定一个标准的冻土试验和评价方 法是国际冻土界目前所要进行的一项重要一 ：作之，同时冻土学涉及有相变界面移动的 多孔介质中热质迁移，其中的物理和化学过程十分复杂，涉及许多目前仪器设备也难以 观测的现象，许多未知领域尚在探索之中。 1 2 多年冻土地区桩基t i i t l l ； o 类型 我国多年冻土地区公路修筑始于5 0 年代初期，限于当时的经济、技术等，基础形 式为扩大基础、浆砌片、块石基础，有的地方还有用木桩的。这些基础在运营过程中相 继出现冻胀、融沉等稳定性问题。8 0 年代，在青藏公路整治改建过程中，开展了钻孔灌 注桩、钻孔插入桩、打入桩以及混凝土钢管桩的研究并在工程中广泛应用。桩基础是工 程建筑中常用的基础形式，在多年冻上地区由 二桩基础对地温度场扰动小，回冻快，符 合冻土保护原则，以及承载力高、抗冻胀能力强和施t 较简便，因此宜作为多年冻上地 区永久建筑物基础。按拖：l 工艺现在多年冻土地区常用的基础形式主要有以下儿种：钻 孔灌注桩、钻孑l 插入桩、打入桩等，有的地区还采用短桩、锥形桩等形式。“ 钻孔打入桩对地基的热扰动小，承载力高。采用钻孔打入法沉桩时，桩打入预先钻 好的孔中，孔径小于桩横截面的最大尺寸。桩的重量作用不足于沉桩，必需有附加动力 作用于桩( 冲击，振动，振动压入) 。同时，部分的机械能转变为热能，桩表面附近的冻 土开始融化，然后牢固地和桩冻结在一一起。打入法适用于无大块岩屑夹层的塑性冻土， 此法的优点是地基土受热不多，桩很快回冻。但当土温较低、处于坚硬冻结状态时打桩 有困难。”6 1 钻孔灌注桩是近年来用得最多的一种桩基础形式，这种桩的混凝士养护和土的回冻 都需要较长= 时间，拌制混凝土时需加入负温早强9 i - j j u n ，待周围土体回冻和桩具有一定 强度后才能施加外荷载，它适用于坚硬冻结状态的冻土地基，而对于塑性冻结状态冻 土，灌注桩由f 浇注热与混凝七的水化热作用使土的唧冻困难。但这种桩施工简单，能 够减少预制、装卸运输及安装，节省大量钢材，因此得到了广泛的应用。 钻孔插入桩i 奠| 冻时问居上述两种之问，它没有什么特殊要求与附加条件，所以应用 广泛。插入法是桩在用蒸汽使土融化的过程中沉落，此法几乎月j 于任何冻土条件，其中 包括含有大量大块岩屑物和漂砾的冻土。此法用r 桩氐度内多年冻土的乎均温度为一 1 5o c 或更低的场地。 除了前阳的几种形式外，许多研究学者及建设者们住工程建设中针对一些实际的情 况对其它形式的桩进行r 研究，如短桩、锥形桩等形式。 短桩是指长度在3 l o m ，桩径在2 0 4 5c l n 的预制或灌注钢筋混凝士桩。与其他基 础相比艇桩的优点是可避免大量土二方的开挖，它的施工周期短，旌工方便，沉桩效率高，可 以缩短建设周期，从而节约建设资金。 锥形桩采用的是锥形外形，它集中厂建筑工程中通常采用的摩擦桩和支承桩的特 、北忭业k 导砸一学位论文 点，其桩身侧面在r 一作中同时处r 切i ； j j j 和法向力的受力状态，幽此桩基材料和地基材 料的， 作性能得到厂更加充分的发挥和利用，从而使得桩身的长度得以大幅度的减少。 最早对锥形桩进行研究使用的是前苏联，他们是在修筑毗阿铁路、阿亚铁路( 别尔卡基 特托莫特) 的过程中对这种桩的进行了，研究。 多年冻地区桩基础形式选择设计是比较复杂的问题，在选择桩的类型时需要综合考 虑多方面的因素，既要考虑桩基础在冻胀力作用卜的破坏，义耍考虑强融陷多年冻土地表 下沉后对桩周边的反向摩阻作用。由j ；i i 灌注桩的优点较明显，钻孔灌注桩和挖孔灌注桩 是近年来多年冻土地区 | j 得最多的种桩基础形式。 1 3 本文研究内容和研究方法 由1 二多年冻土地区复杂恶劣的自然条件，在多年冻土地区修筑的结构物会由于二土体 的冻胀而遭到破坏，如涵洞开裂、桩基础拔起等，严重的影响了正常的交通运输，给国 家造成了极大的经济损失，对人民群众的生命财产构成了极大的威胁。因此研究多年冻 r 十地区灌注桩的冻胀稳定具有很重要的现实意义。而灌注桩在旎工完成后，土体和灌注 桩的刚冻对冻胀力的产生有着很大的影响，同时也影响着旖f ：的进度。本文查阅了大量 的有关冻上温度场计算方面的参考文献，同时借鉴当前桩一土相互作用问题的研究方法 和成果及热力学计算的基本理论，考虑到了多年冻土特殊的热学性质，如冻土的相变特 性等，另外还考虑到了混凝土桩灌注完后混凝土水化热对桩周冻土的影响，采用目前流 行的大型有限元分析软件a n s y s 的热分析模块，建立了不同的桩长、桩径及不同的入 模温度的桩与冻土的有限元模型，求得在考虑时间因素的情况下( 瞬态热分析) 多年冻 土温度场的分布情况，对不同的桩长、桩径及不同的入模温度对桩的回冻的影响进行分 析，得到一个合理的桩长与桩径比及入模温度，并且通过昆仑山多年冻土桩基试验场的 实验桩的数据与有限元模型的计算结果进行对比分析，验证有限元模型分析的准确性。 2 多年冻土冻胀的基本理论 桩基础的应用已有几丁年的历史，人类最早应用的桩基础为木桩，直到1 9 世纪后 期，钢筋混凝士才被应用r 桥梁、房屋等各种结构物的上部和下部结构。目前，桩基础 已成为建筑物的主要基础形式之 。随着人们对桩的承载性能，设计方法、检测技术等 的不断研究，使桩基础技术蓬勃发展。钻孔灌注桩作为桩基础的- 一种常见形式，被广 泛应用于不同气候和地理条件的地区，其计算理沦和设汁、施工方法也日趋成熟。 2 1 冻土的基本理论 2 。1 1 冻土的分布 地球j ：多年冻土面1 _ 约占陆地面积的2 0 ，其主要分布于欧洲及亚洲的北部、北美 洲、北冰洋大陆架，以及中纬度地区的高i u 、高原等地区。我国国土辽阔，其中多年冻 土面积达2 1 5 1 0 6 k m ：，占国土面积的2 2 3 ，仅次j 二俄罗斯、加拿大，位居世界第 二三。多年冻土分为两大类型：】) 是高纬度多年冻土，在我国主要分布在东北地区，2 ) 是 高海拔多年冻土，我国高海拔多年冻土面积达1 7 3 1 0 6 k 莳，占北半球高海拔多年冻土面 积的7 4 5 ，居世界之最( 程圈栋，t 9 9 0 ) 。 要分布在中国西部的高山和高原地区以及 东部的高山j 一，其中青藏高原分布着世界上中、低纬度地区海拔最高、面积最大的多年 冻土，多年冻土的形成和分布主要受气候条件的制约能及各地区的地质条件、地热背 景、地形条件、水文条件和地表覆盖条件等有关。 2 1 2 冻土的定义和组成 冻土是指温度等于或低于o 。c ，且含有冰的各类土体或岩石。多年冻土指1 ：5 的是在天然 条件下冻结状态持续三年或三年以j ：的土层。冻上是颗粒之间相互连接的四相体系，冻 土的基本成分是：固体矿物颗粒( 矿物或矿体骨架) 、冰( 粘塑性冰包裹体) 、液相水 ( 未冻水和强结合水) 和z 气态包裹体( 水气和空气) 。2 “。这些基本成份都各有其特性， 在冻_ _ l j 中它们之问发生相互作用。 2 1 。3 冻土的工程性质 ( 1 ) 冻土的未冻水含量“。 土冻结后，并非上中所有的液态水已全部转变成固态冰，由于颗粒表面能的作用， 始终保持- 一定数量的液态水称为未冻水。冻土的未冻水含量可以用未冻水质量与干质量 之比值，或代替以冻土中的相对含冰量( 冻上中冰重与全部水重之比) 来表示。冻土中 未冻水的含水量 要取决于三因素：土质( 包括土颗粒的矿物化学成份、分散度、含水 蹙、密度、水溶液的成份和浓度) 、外界条件( 温度和压力) 以及冻融历史。多年冻土 中未冻水的数量随十的负温值下降而减小，同时每一种士都有十分固定的未冻水含量曲 东北林业大掌坝卜学位硷文 线。一定类型的上，其未冻水含量主要取决j ：温度条件，r 叮用安德森一泰斯公式表，i i ： 呒= a o 。( 2 - 1 ) 式中眠未冻水含蓬；a ，b 与土质因素有关的经验常数： 0 温度的绝对值。 ( 2 ) 冻土的导热系数k 冻士的导热系数指的是每单位梯度下单位时间内通过单位面积j 匕体的热最。它是表 示土体导热能力的一个重要指标。非饱水土的导热系数采用k e r s t i n ( 1 9 4 9 ) 提出的方程 表示。 对于粗颗粒土( 砾石和砂) ： k ，= 【o0 7 6 ( 1 0 ) ”3 7 + 0 0 3 2 ( 1 0 ) o w 1 2( 2 2 ) k 。= ( 07 i o g ( w ) + 0 4 ) 1 0 0 “7 1 2 ( 2 - 3 ) 对于细颗粒土( 淤泥和粘土) ： k r = f 0 0 1 ( 1 0 ) oo ”7 + o0 8 5 ( 1 0 ) 。7 w 1 2( 2 4 ) k 。= 【( 0 9 1 1 0 9 ( w ) 一0 2 ) 1 0 7 】1 2 ( 2 5 ) 其中v 一土的干密度( 1 b f t3 ) ； w 一含水量。 饱水细颗粒冻上( 如富冰多年冻土) 的导热系数采用l u n e r d i n i ( 1 9 8 1 ) 提出的疗 程，即： k r = 【( 10 0 7 ( 10 0 5 4 ) ) 0 5 7 7 8 ( 2 6 ) ( 3 ) 比热c 冻土的比热指的是单位质量的土体温度改变l 所需要的热量。冻土和未冻土的比 热分别采用下列方程即： c ，= y p + o5 ( w 1 0 0 ) ) ( 1 。= 7 ( c + lo ( w 1 0 0 ) ) 其中c 一于土的比热，01 7 b t u l b 扩： w 一含水量。 ( 4 ) 容积热容量 容积热容鼍指的是单位体积的土体温度改变1 所需要的热量 示的是土体蓄热能力。土的容积热容量町按下式计算： ( 1 m = c p ， f 2 7 ) ( 2 8 ) 单位：k 。 m a ，它表 ( 2 - 9 ) 2 多年鸸；上球账的基本理论 ( 2 1 0 ) 武中：c 。、f 岢分州为融土和冻七的容积热容量；c 。、c ，分别为融土和冻土比热、 一，、p ，分别为融七和冻土的天然容重。 ( 5 ) 相变热 冻土在融化与冻结过程中会经历由固相到液相、液相到固相的转变，这种相变过程 往 伴随着热流的突变，也就是在很小的相变温度区产生大量的吸热或放热的现象，称 为相变潜热。相变潜热比起冻七的比热要大很多。冻土的相变热指的是单位土体中由水 分的相态改变所放出或所吸收的热量，单位：k j m 3 。一般t 的潜热采用下式表示，即 三= 1 4 4 y 似1 0 0 )m 弦) ( 2 - 11 ) 对f 冻土相变热的计算，我国的冻土地区建筑地基基础设计规范采用下式计算： q = l p ( w w 。) ( k 1 m )( z i 2 ) 式中卜州变热( 潜热) ； l 一水的结晶或冰的融化潜热，般工：程热式计算中取3 3 4 5 6 k j k g ； p 一土的干密度( k g m 3 ) ； w 一土的总含水量； w r 冻上中的未冻水含量。 ( 6 ) 多年冻士的冻结温度 的冻结温度指的是土中孔隙水稳定冻结的温度( 妇出现水的过冷现象，则是湿度 跳跃后的稳定冻结温度) ，不同的土具有不同的冻结温度从o 到一2 5 。c 或更低一些。十 的冻结温度对确定土的冻结深度和融化深度( 即确定自然条件下及与建筑物相互作用下 发生的一系列重要物理力学过程，如改变士内部连结作用的寒冻风化作用，裂缝形成、 冻张的区域) 具有重要的意义。土的冻结温度对于与土冻结作用有关的热工计算，特别 是对r 一定外界负温下给定时段里冻结深度有关的热工：计算是必需的。 2 ，1 4 冻土的力学性质 冻十的强度j 一要决定于冻上的温度，温度越低，抗压强度越高；加荷时间的长短， 对冻十强度影响也很大，加荷时问越短，抗压强度越高。当荷载作i j 历时延长时，颗粒 问胶结冰产生塑性流动而具有流变性，使冻土的瞬时强度大而长期强度小；随应变速率 的增大，冻土强度增大，破坏类型由塑性破坏向脆性破坏转变。冻土的强度与变形特性 与其他类型土的最大差别在f 其中冰的存在，冻上的力学特性主要取决于- 其中胶结冰的 性质。冰的强度随温度的降低而增加，并随冰晶的结构构造变化而变化。冰的强度随应 变速率的增人而增大，其破坏类型上表现为由塑性转变为脆性，冰的这些特性导致了冻 ：具有类似的特征。 东北林、j k 人学硕j 。学位论史 2 1 。5 冻土的温度分布和地面扰动对地温的影响 ( 1 ) 冻i 。的温度分布 地温的年度变化以最高和最低温度线表示。随着深度的增加，季节温度莠减小。 季节温度差为零时，这一点称为“年度零变化深度”。在此深度以下，温度在本年度内 变化很小。，在每一年内的部分时问里冻七衷面部分融化，这部分冻土被称为季节活 动层，它随着季节变化而交替冻融。 季节活动层和多年冻土的厚度依赖f 当地的气候条件、植被覆盖层和土壤肚质。多 年冻土的厚度会随着气候的变化或地表的扰动丽变化。当地面温度上升时，多年冻上层 变薄，季节活动层变厚。多年冻土层的厚度也是由多个因素决定的，包括地表温度和温 度沿深度上的增f ，速率。因为地壳深处的岩石是处于热融状态，造成r 地表以下土壤温 度随着深度增加而升高。这一温度的变化称为地热梯度。 ( 2 ) 地面扰动对地温的影响 多年冻土地区的冻土存在状态：e 要由周围环境的气候决定。但是，多年冻士的空间 分布、厚度和温度在很大程度上依赖于地表温度。地表温度虽然与气候密切才h 关，但是 也受其它几个环境因素的影响，例如植被类型和密度、积雪、排水和土壤类型。冻土是 岩石圈和大气圈热量平衡的产物，人类的生产生活大都涉及原地瓜的扰动，通常这些热 于扰造成了进入土中的净热流加。许多不同的热机制可对地裘起作用，这些热机制包括 空气的强迫对流和自然对流、长波辐射和短波辐射、蒸发和通过雪或有机层的传导。这 些热机制的变化可能是由于下列因素造成的：1 ) 地面粗糙度、吸收率和反射率的变化； 2 ) 地面高度变化，它可以引起积水和积雪方式的变化；3 ) 植被类型的变化和有机层厚度 的变化。 由于地表扰动引起进入土层的热量增加，在多年冻土地区通常认为是不利的，因为 它引起多年冻土变暖或融化。地面扰动通常以对称和不对称两种方式影响地温场。在对 称情况下，只改变地袁温度的年变化幅度，年平均地温保持不变，振幅增大将引起活动 层厚度增大和可能的融化f 沉( 主要是由于多年冻土中的冰融化) ，但大多数地面扰动 以不对称方式影响地温场，改变了年乎均气温与地表涅度的差值及地表温度变化的年摄 幅，由此引发多年冻t 退化。 2 2 多年冻土冻胀的基本理论 土体的冻胀是由于土的温度降到冰点下，体里的水分结冰体积膨胀，同时在士的 水势梯度作剧下未冻区的水分向冻结前缘迁移、聚集，并冻结体积膨胀而形成的。在自 然条件下，地基土及土工构筑物本身土质、水文或冻结条件的不均一性，造成建筑物的 不均匀冻胀变形而不能正常运行，甚至破坏，或者即使在冻结时尚能进行，但土融化后 便丧失承载能力而破坏，这就是我们常说的冻账破坏现象。 2 2 1 土体冻胀的机理 冻张是指土冻结过程中，卜中水分冻结成冰，使体积产，t 同程度扩账的现象。冻胀 8 一 ：童兰量圭童些竺董尘些：篁 可分为原位冻胀和分凝冻胀。孔隙水原位冻胀指土中所含的水由j 二冻结而造成的冻胀， 它可使上的体积增大9 ；分凝冻胀指卜体冻结后，由 ：士颗粒表面能的作用，外界水的 补给在温度梯度诱导下在一卜中迁移到某个位置向产生的冻胀，它可使土的体积增大1 0 9 倍，因此研究冻土的水热迁移问题是研究冻胀机理的关键。开放体系饱水中的分凝冻胀 是构成上体冻胀的主要原因，它包括两个物理过程：土中水分迁移和成冰作用。，但是由 于冻土本身组成的多相性( 含有矿物颗粒、冰、水、气体等) ，且在一定条件下会发生 相变，使得水热迁移的物理过程变得相当复杂，目前国内外的研究：l ：作大多停留在试验 阶段。”1 决定土体冻胀的主导因素是士中热流和水流状况，而土质、士中溶质的成份、含水 量和外界压力则在不同程度上影响土体冻胀的强度和速度，其中水分则是冻胀产生的直 接原因。 2 2 2 影响土体冻胀的因素 ( 1 ) 水分在冻胀中的作用 在自然条件中，水分、土质、温度是影响冻胀的三要素，而水分这一内在因素是影 响冻胀作用的主导因素。“ ”冻缩现象 士中有水分存在是造成冻胀的基本条件，但不是所有含水的士都会产生冻胀作用， 各种土的试验表明，只有当土的含水餐超过。定的界限时才会发生冻胀，当含水量小于 这一界限时，土层在冻结过程中表现为“冻缩”现象。因为在含水量较少条件下，虽有 部分水冻成冰，但仅充填部分的土孔隙之中，并不使士体体积增加；而组成土层的矿物 颗粒却存在着“冷缩热胀”现象。 2 ) 起始含水量 在稳定的负温条件下，使土层的冻胀系数n 。o 时的含水量称为起始含水量。对于 粘性土，起始冻胀含水量一般都小f ：土塑限含水量。当土中含水量大于起始冻胀含水量 后，土的冻胀作用就明显的表现出来。 3 ) 含水量 在封c j j 系统条件下，冻胀系数是随士中含水蟹增加而增大，最后趋于一个定值。当 土7 l 隙完全被水分所饱和时，冻结过程中充填于孔隙中的水冻结成冰，必将土中矿物颗 粒挤开，使土体积膨胀。再由于水分重分布作用，原来孔隙中的部分水分转移并冻结成 冰透镜体，使士层中形成了新的被冰充填的孔隙，因此，此范围之内的冻胀作用，不但 是水分就地冻结形成的冻胀，丽目还有相当一鄙分是水分转移所形成的冰透镜体所增加 的体积，所以冻胀系数增长迅速。当土层含水量处于流动状态，上颗粒悬浮于水中时， 冻结后，虽也有水分重分布现象，但t 孔隙几乎仍被冰所充填，其体积增加主要是水相 变成冰所增加的那部分，此时冻胀系数随含水量增加而增加的速度变缓。 ( 2 ) 温度对冻胀的影响 环境温度直接影响着正在冻结土的冻结速度，温度越低冻结速度越快。根据大量的 实验资料表明，对于开放体系，也就是有地下水补给的冻土在相同的条件下，负温度越 球北林业大学碗卜学位沧z 商，冻结速度越设，| ：! ；l 就越有利地f 水的迁移，形成较多的薄层冰透镜体从而造成较大 的冻胀。 ( 3 ) t 质条件对冻胀的影响 由于各种土对冻胀的敏感性不同，在相同的充分饱水条件下，有的 i 产：生剧烈的冻 胀，丽有的上冻胀作用却很微弱。般情况下，粘性二l 的冻胀敏感性比粗颗粒土的大。 在同含水量下，因干容重不同，冻胀系数丰h 差也很大。因为土的密实度大，孔隙度则 小，冻结过程就有较多机会阻碍冰在孔隙中的自由增长，而将部分矿物颗粒挤开，使土 层体积增人。而密实度较小的土层宵较大的孔隙度，冈此就有较多的自由空间让冰在其 中自由增长。二仁层含水量较大时，上的密度往往受含水量所控制，随岔水最增大孔隙度 增火。 ( 4 ) 冻结速率对冻胀的影响 当冻结速率过大时，士中水分来不及迁移，只有原孔隙中的水冻结成冰，冻胀率较 小而且保持不变；若水分补给充足，随着冻结速率降低，冻胀率增大。 2 2 3 冻胀率与冻胀力 评价土体冻胀及其对结构筑物的影响，通常采用冻胀率和冻胀力两个指标，它们都 是土体基本性质( 如物理化学特性、密度等) 及外界条件( 温度、外力等) 的函数，其 中冻胀力还和结构物的材料特性有关。 ( 1 ) 冻胀率 在我国反映土体冻胀性强度的指标常用的是冻胀率( f r o s th e a v er a t i o ) n ，也称 为冻结强度，它定义为冻胀量的增量与冻结深度增量的比值，卵= 蜕，舳为冻胀增 ， 量，矗是冻胀深度它与士体的性质及外界条件( 温度、压力 等有关，它沿深度的分布 是不均匀的。 ( 2 ) 冻上对桩基础的冻胀力。“ 冻胀力定义为土体冻结膨胀时由于受到桩基础的约束而对桩基础产生的力。冻胀力 的物理本质是由f 水相变成冰体积膨胀受到基础的约束而产生的，地基土的冻胀是产生 冻胀力的力源，水分迁移为冻胀力的形成提供了充分条件，基础和f 卧土层对冻胀七体 的约柬程度是决定冻胀力大小的关键。作用在基础底面且垂直于底面的冻胀力称为法向 冻胀力：沿着桩基础周边表面向e 作用的冻胀力称为切向冻胀力；作用存桩基础表面且 垂直于桩基础表面的冻胀力称为水平冻胀力。土的法向冻胀力数值受许多因素的影响： i e 冻土的性质( 土的分散性、吸附能力、颗粒表面的自南能水平等) ，土层的压缩性， 作用于- l - 上的外力和承受冻胀作h j 的桩基础的刚度。 对于多年冻土地区桩基础而苦，真正对桩基础的稳定性起主要作用的是切向冻胀 力，水甲冻胀力和法向冻胀力由于作用的位置、作用力向及作用力的大小对桩基础的稳 定性产生的影响较小，一股都可以忽略4 i 汁。而切向冻胀力对桩基础的作用最为明显而 且作用力较夫，多年冻土地区桩基础产：生的冻拔破坏就是切向冻胀力作用的结果，冈此 在多年冻卜地区进行桩基础设计和施，l ：时，切向冻胀力是需要考虑的最为重要因素，土 2 多年冻土冻胀的基本理论 的切向冻胀力数值对设计修建于多年冻土地区的建筑物的桩基础是十分重要的。 】) 冻胀力的产生及随深度的变化 冻胀力的伴随着土体冻胀的发生而产生的，它是随着冻结深度的增加而增大，在初 始阶段，冻胀力增加迅速，当冻深达最大冻结深度的1 3 l 2 时，冻胀力达最大值，此 后，随着冻深的继续增大冻胀力处于午h 对稳定阶段，当冻深达最大冻结深度后，冻胀力 便开始卜降。 2 ) 切向冻胀力的产乍 上体冻结时，基础与上颗粒之问的水胶粘连接成冰胶粘连接，这种连接是冻土对桩 基础冻结力的主要来源，桩基础与地基土冈冻结力作目而连接在一起，地基士冻胀时， 桩辇础划士体冻胀起阻碍作用，从而产生冻胀土体对桩基础的切向作用力，这就是切向 冻胀力。由此可知切向冻胀力产生必须满足两个条件：一是桩基础与地基土之间存在冻 结力的作用，二是地基士在冻结过程巾产生冻胀。如果冻结力不存在，即使地基土强烈 冻胀，作用于桩基础的切向冻胀力电是很小，如果地基土不冻胀，即使冻结强度很大， 同样是1 i 会产生切向冻胀力的，阑此这两个条件缺不可，是同时存在时才能发生切向 冻胀力。 3 ) 叫向冻胀力与土体温度的关系 冻胀力的产生和七体的冻胀一样，受到土中温度制约，当上体温度下降到冻结温度 时，桩基础即产生冻胀力，随着上体温度的降低，冻胀力迅速增大，在上体( 对粘性二卜 而言) 剧烈相变的温度区内，切向冻胀力增大较明显，当土体温度低于十体相变区温度 后，冻胀力的增长