温度变化对中国东北多年冻土地区地基承载力的影响

温度变化对中国东北多年冻土地区地基承载力的影响

1冻土地基对气候变化的敏感性自100世纪以来，地球气候经历了世界转型作为主要特征的显著变化，这尤其是北半球的高纬度地区。中国东北部的多年冻土处于欧亚大陆(高纬度)多年冻土带南缘。根据近50年的气象观测数据,该地区年平均气温普遍升高0.9~2.2℃;升温速率高于中国东北乃至全国其他地区的一般情况。按人类中等排放情况,至21世纪中期,中国东北气温将继续升高2.5~3.0℃。近年来,国际社会对于未来可能发生的气候变化对建筑、交通、水利基础设施安全的影响予以极大的关注。国内学者也就气候变化对重点或大型工程设施影响的评价开展了大量的研究工作。伴随着西部大开发和青藏铁路等重点工程建设,近年来对冻土地区工程稳定技术进行了深入的研究,但冻土地基研究的区域大多局限于青藏高原。冻土是一种对气候和环境变化极为敏感的不稳定地质体。而中国东北多年冻土由于温度高、厚度小,冻土热状况不稳定,对气候变化更为敏感。然而,目前有关东北多年冻土地区建筑地基承载力对气候变化的敏感性以及冻胀融沉作用变化趋势等方面的研究还少有报道,本文尝试在这方面开展一些研究工作。气候变化对冻土地区建筑物稳定性存在多方面的潜在影响。首先,由于冻土的强度主要由冰的胶结作用所提供,在气候变化的背景下地基温度的升高,冻土的强度以及冻土地基与桩之间的冻结强度会迅速降低,从而导致地基承载力的下降。随着多年冻土地基温度的升高以及多年冻土上限的下降,甚至完全融化,基础的融沉变形数量会逐渐加大,基础的蠕变速率会进一步加快。另外,在气候变化影响下,季节活动层厚度发生变化,会不同程度地影响地基对结构的冻胀作用的强度。冻土地区地基基础设计应建立在对冻土环境变化以及对冻土工程地质条件科学评价和变化趋势准确评估的基础之上。掌握冻土地区不同类型冻土地基对气候变化的敏感性规律以及冻融作用的变化趋势,对在工程建设和养护中,有针对性的提出设计、施工和维护方案具有重要的价值。然而,目前国内对于气候变化及经济活动影响下冻土工程地质评价以及结构稳定性变化趋势预报等方面的工作尚处于起步和研究探索阶段。在高温冻土或低温冻土以及高含冰量冻土或低含冰量冻土等不同类型的冻土地基中,哪种类型冻土地基的承载力对气候变化更为敏感等问题有待深入分析和探讨。按中等排放情景(0.05℃的年升温率)本文采用有限元方法,分析和预测中国东北大片多年冻土地区和岛状多年冻土地区不同含冰量类型冻土地基温度的状况变化以及季节活动层厚度的变化;利用温度场数值试验结果和已有的力学试验数据,综合分析了不同类型冻土地基承载力对地温和气温变化的敏感性,评估气温变化对各类冻土地基承载力的影响。2温度上升对基本温度的影响有限分析2.1土壤温度场模拟采用ANSYS平台进行带有相变的传热学有限元温度场数值模拟。根据当地工程地质条件,建立有限元模型。由于碎砾石以及含水率较低冻土的力学性质较为稳定,本文数值试验中仅选用黏性土进行分析,并选取15%、25%、35%、70%和100%等5种含水率作为典型地基土层含水率条件。鉴于当地厚层地下冰厚度一般不超过2m,将存在含土冰层的地基分为两层,上层为70%或100%的高含水(冰)量土,厚度为2m;下层为含水率为35%黏性土,厚度为18m。35%及低于35%含水率场地按均匀土层处理。各层土的热学参数(表1)均按文献[13-14]中的建议值选取。在高纬度多年冻土地区,冬季雪盖对桥梁地温状况影响不容忽视。为此,在地表设置一定厚度的雪盖层,采用生死单元方法模拟在寒季雪盖的隔热作用对地基温度场的影响。每年10月至次年3月激活雪盖单元,4~9月杀死雪盖单元。土中相变热按式(1)计算。式中:Q为相变热(kJ/m3);L为水结晶或冰的融化潜热,取334.56kJ/kg;ρd为土的干密度(g/cm3);w为土的总含水率;wu为冻土中的未冻水含量。根据文献[13-14],冻结黏性土中未冻水含量按式(2)确定:式中:wp为塑限含水率;K为温度修正系数;T为计算土的温度。根据东北多年冻土地区气象观测数据,年平均气温TMAAT和年平均气温较差A取值如表2所示。根据对近60年来东北地区气温资料分析结果和有关对气候变化趋势预估的研究成果,年平均气温未来升温速率取0.05℃/a。不考虑升温的气温变化方程为考虑升温的气温变化方程为桩体周围(暖季)地面和(寒季)雪盖顶面温度按第一类边界条件控制。根据现场实际观测数据得到的回归公式(5)确定:式中:Tsurface为地表温度;Tair为气温。有限元模型两侧和下边界不考虑地热流的影响,均设置为绝热的边界。2.2地温条件评价试验结果的分析2.2.1含冰量冻土地基对气温变化的响应数值试验结果表明,随着气温升高,不同类型冻土地基的温度状况变化进程各不相同,而不同地层深度的温度对气温变化响应存在一定的滞后效应。以初始年平均气温-2℃条件下不同含水率地基(3m处)为例,图1显示了地基年平均温度随年平均气温变化规律。对数值试验结果进行统计分析,得到各深度地温年平均值随年平均气温变化速率(升温期间,地温年均值变化量与年均气温变化量之比),如表3所示。从数值试验结果可以看到,在气温变化影响下,低温冻土比相同含冰量的高温冻土温度变化速率更快。这一数值试验结果与吴青柏研究员在青藏高原观测到的数据结果规律基本一致。但是,含水(冰)量对升温速率的影响有些复杂。对于低温多年冻土,高含冰量冻土(饱冰冻土和富冰冻土)比低含冰量冻土(多冰冻土和少冰冻土)变化速率更快,对气温变化更为敏感;而对于高温多年冻土,高含冰量冻土不如低含冰量冻土变化速率快。从数值试验结果中还可以看到,多年冻土地区中的季节冻土(融区)地温比多年冻土地基升温速率更快。在气温变化影响下,冻土地基的升温速率(地温对气温变化的响应)要受两个方面因素的影响和制约,一是地基土层的导温系数(或导热系数),二是冻土中参与冰-水的相变潜热数量。冻土地基含冰量较高时,温度变化则伴随更多数量的冰-水相变,因此,导致高含冰量冻土地基温度对气温变化的响应更为迟钝。但是,无论土层处于冻结状态,还是融化状态,高含冰(水)量土层的导温系数均大于低含冰(水)量土层,因此,如果单纯从热传导角度分析可以认为,高含冰量冻土地基(在东北地区高含冰量冻土地带往往也是季节活动层的潮湿地段)温度对气温变化的响应越强烈。在相同气温升温率情况下,如果初始冻土地基年平均温度较高(处于剧烈相变区段),地基温度变化伴随着大量的冰-水的相变过程,因此高含冰量冻土地基温度随气温变化速率较慢。如果初始冻土地基年平均温度较低,地温变化伴随相变热量较少,此时导热系数影响则成为主导影响因素,高含冰量冻土地基温度随气温变化速率更快。季节冻土地基年平均温度上升较快也是同样原因。2.2.2水冰量变化计算结果表明,随着气温的升高,多年冻土上限(最大季节融化深度)逐年降低。升温50a后最大季节融化深度(多年冻土上限)变化值如表4所示。多年冻土所处气温区域和冻土地温类型以及土层含水(冰)量大小对最大季节融化深度(多年冻土上限深度)及其变化有较大影响。当前气温(或地温)越高、地基土层含水(冰)量越小,最大季节融化深度(多年冻土上限)越深,融化深度随气温升高的增加量越大。随着气温升高,岛状多年冻土区的高温低含冰量冻土将会全部消失;50a内低温低含冰量冻土地基上限下降0.46~1.56m。高温高含冰量冻土最大融化深度增加值(0.58~8.22m)比低温高含冰量冻土最大融化深度增加值(0.28~0.35m)更大。含土冰层地基最大融化深度增加值较小。可见,随着年平均气温的上升,导致各类冻土地带呈现不同程度的退化趋势。3冻结强度对地基承载力的影响冻土地基的承载力主要取决于冻土的强度。对于桩基础,还应考虑桩侧冻土地基与桩体(桩侧表面)之间的冻结强度对地基承载力的贡献。冻土的强度和桩侧土体与桩体之间的冻结强度均受温度的显著影响,且在气温变化影响下多年冻土上限(最大季节融化深度)的变化还会影响桩侧表面冻结面积大小,进而影响冻土地基的承载力。3.1基础结构抗剪强度随立地温度的变化规律地基温度状况对冻土的承载力及冻结强度具有强烈影响。本文采用国内勘察设计规范以及与中国东北毗邻的俄罗斯规范和文献[17-18]中数据进行分析。图2和图3分别为明挖基础底部冻土承载力和(不同深度的)桩端冻土承载力随温度变化规律,图4和图5是基础与冻土界面抗剪强度随温度变化规律。图中D为沉桩深度,i为地基含冰量,F为粉黏粒含量。从图中可以看到,随着温度的升高,冻土的承载力和冻结强度急剧降低。特别是在高温区段,冻土力学性质受温度变化的影响更为显著。3.2冻土类型对地温变化的影响设T为地基温度,取T0=-1℃为参照温度,σ0为T0=-1℃时冻土的承载力(强度)参照值。对图2~5的数据进行分析,结果表明,σ/σ0与T/T0之间具有较好的相关性,即在相同条件下,冻土的承载力(强度)仅为温度的函数。如果采用幂函数描述温度对冻土的承载力或冻结强度的影响,冻土类型之间(对承载力的影响)的差别仅体现在指数m上,即式中:m为仅与土质及冻土类型有关的参数。通过回归分析(图6~9)得到各种冻土的参数m值,见表5。冻土的承载力(强度)随温度的变化率为显然,冻土地基承载力(强度)对地温变化敏感性取决于冻土类型(由参数m决定)和地基的温度T状况。考虑到采用冻土地基承载力相对变化量比绝对量Δσ能更好地反映其随温度变化的敏感性,冻土地基承载力的变化比率为冻土地基承载力(强度)对地温变化的敏感性,取决于冻土类型和地基温度。根据表5,含土冰层及高含冰量冻土m值较大,因此对地温变化较为敏感;而高温冻土(Tground的绝对值较小)较低温冻土承载力对地温变化更为敏感。例如,在其他条件相同时,-1℃地基敏感性是-4℃的4倍。3.3不同类型冻土地基对气温变化的敏感性明挖基础和桩基础桩端冻土地基承载力对气温变化ΔTair的敏感性,取决于冻土地基承载力对地温变化ΔTground的敏感性和冻土地温对气温变化ΔTair的敏感性两个方面。冻土地基承载力变化比率为显然,明挖基础和桩基础桩端冻土地基承载力对气温变化敏感性主要取决于4个方面因素,冻土类型(由m确定)、当前地基温度现状Tground和冻土地基温度对气温变化的敏感性以及气温变化的幅度ΔTair。气温变化幅度越大,冻土力学指标降低幅度越大。若考虑单位气温变化量(1℃)冻土地基的影响,则定义冻土地基承载力(强度)随气温变化敏感性指数sT为对于桩基础,除桩侧表面冻结强度随温度升高而降低之外,最大季节融化深度的增加也会导致地基承载力的下降。桩侧表面冻结强度的变化比率采用下式近似计算:式中:H为桩长;ΔH为最大季节融化深度的增加量,则冻土对桩的冻结强度随气温变化敏感性指数s′T为根据第2节中气温变化对地基温度场影响有限元分析得到的dTground/dTair结果,可以计算出不同类型冻土地基的气温变化敏感性指数sT如表6所示。对于低温冻土,含冰量越高,冻土地基承载力对气温变化越敏感,而含土冰层对气温变化最为敏感;对于高温冻土,含冰量越高,冻土地基的力学性能对气温变化敏感性越差(由于高温含土冰层在东北地区少有分布,本文则不予考虑)。深层冻土承载力对气温变化越敏感性较浅层弱,这主要是由于温度上升向深层传递的滞后效应所致。由式(10)可知,冻土地基当前温度越高(越接近0℃),温度变化对其力学性能影响越大,即高温冻土比低温冻土的力学性质对温度变化更为敏感。但根据有限元分析结果,随气温的变化,低温冻土温度升高的速率较高温冻土更快。因此,在相同的气温变化条件下,两方面的影响可能会部分抵消。综合作用的结果是深度3m处高温冻土地基承载力对气温变化较为敏感,而较深层位敏感性指数差别不大。随着气温升高,高温冻土融化深度变化较快,这成为影响冻结强度对气温变化敏感性的主导因素。4冻土地基设计原则和基础类型的确定年平均气温的上升,导致各类冻土地带呈现不同程度的退化趋势,进而也会在不同程度上影响构筑物的长期稳定性能。气候变化对多年冻土地区构筑物基础稳定性影响程度,取决于冻土地基温度状况对气候变化的响应(敏感性),以及冻土地基力学性质对地基温度变化的敏感性。地基初始温度状态和含冰量对冻土地基承载力随气温变化的敏感性具有显著的影响。含土冰层地基承载力对气温变化最为敏感。气候暖化对高温冻土明挖基础(浅层地基)承载力以及桩-土冻结强度影响较为强烈,而深基础桩端承载力受气候变化影响相对较小。多年冻土地基设计,应针对冻土工程地质条件和地基不同温度状态、冻土