锥柱式桩基础明挖基坑回填土回冻过程模型试验研究

史向阳 张泽 李东庆 张中琼

摘 要：结合工程实际，通过室内模型试验方法，研究锥柱式桩基础明挖基坑回填土在模拟实际环境温度条件下的回冻过程.结果表明，在模拟平均温度为-2.71 ℃的环境温度条件下，正温极值时刻表层土体融化深度约6.1 cm，回填土冻结深度随着冻融次数的增加而增厚，经历13次冻融循环，冻结层厚度达20.0 cm；桩基沿着水平向和纵向对回填土回冻过程产生影响，但其影响范围有限；土体和桩基与空气界面温度存在差异，桩基和空气界面处温度接近低温试验箱内空气温度，土体和空气界面处与空气温度差别较大，正温极值状态，空气温度高于土表温度5.0 ℃，负温极值状态，空气温度低于土表温度6.7 ℃.试验结果有助于进一步认识此类桩基回填土实际回冻过程，为确定模型试验控温条件及数值模拟边界条件提供参考.

关键词：锥柱式桩基础；模型试验；回冻过程；回填土

中图分类号： TU47 文献标志码：A

文章编号：1674—2974（2018）07—0125—10

Abstract： Based on the engineering construction method，the refreezing process of backfill is investigated by model test method under simulated ambient temperature. The results indicate that the frozen layer thickness increases with the freeze-thaw cycles when the simulated average temperature is -2.71 ℃. The thawing depth is about 6.1 cm at maximum ambient temperature in every freeze-thaw cycle， and the frozen layer thickness increases to 20.0 cm after 13 freeze-thaw cycles. The pile foundation has an effect on the refreezing process of backfill in the horizontal and longitudinal directions， but its scope of influence is limited. The interface temperature between air and pile is close to the air temperature， but the interface temperature between air and soil is very different from air temperature. The air temperature is higher than air-soil interface temperature by 5.0 ℃ at the maximum ambient temperature， and lower than air-soil interface temperature by 6.7 ℃ at the minimum ambient temperature. This experiment results help to further understand the actual refreezing process of backfill， and provide reference for determining the control conditions in model test and the boundary conditions of numerical simulation.

Key words： cone-cylindrical pile foundation；model tests；refreezing process；backfill

冻土指处于零摄氏度以下并含有冰的各类岩石和土壤，其工程性质复杂[1]，与基础工程之间作用密切.桩基础因其埋置深度大，相对其他浅基础而言受环境影响较小，能够为上部结构提供较大的承载力，在冻土区得到了广泛的应用.有关冻土区桩基础方面的研究，多集中于钻孔灌注桩的回冻[2]，环境升温和太阳辐射[3]及特殊地质条件下[4-5]的桩基热力稳定性研究，研究方法包括现场原型试验、模型试验、数值模拟等.在多年冻土区，桩基承载力的形成主要依赖于桩侧冻结力的发挥[6]，维持冻土地基低温的环境亦是目前研究的重点之一[7-8].在季节冻土区，浅层土体发生周期性冻融，冻融与荷载作用下土体内部水分场重分布[9]，桩基因土体冻胀发生胀起或冻拔破坏，在保证桩基承载力和满足变形要求的条件下，减小或消除桩侧切向冻胀力[10]是桩基础设计和施工的主要原则.

输电线路是典型的非连续的线状工程，塔基的稳定性关系到整条线路的稳定[11].锥柱式桩基础是一种带底座的渐扩式锥形桩，能够克服部分冻胀力，抗拔和抗压承载性能良好，在输电线路工程中得到了大量的应用[12].在工程实际中，此类桩基的施工先明挖基坑，其后进行支模灌桩，待混凝土形成一定的强度，进行拆模，最后对基坑进行回填施工[13].锥柱式桩基础锥身部分带有一定倾角，当表层土体发生季节性冻融时，能够起到减小基础侧表面切向冻胀力的作用，加之底座部分起到锚固作用，其抗冻拔效果较好.一般地区，桩基的稳定性主要体现在其力学稳定性[14]，而在冻土地区，热稳定性显得尤为重要.因而，此类桩基回填土的回冻程度直接关系到锥柱式桩基础的承载力和抗冻胀性能，因此有必要对此类桩基回填施工后热状态做进一步研究.目前，对此类桩基的研究依然落后于工程实践，结合此类桩基施工的特殊性，忽略地基“冷量”沿水平向对基坑內回填土冻结的影响，将桩基和回填土单向回冻视为最不利情况，研究回填土的回冻过程.

本文采用室内模型试验方法，研究锥柱式桩基础及回填土在冻融循环作用下回填土的回冻过程，即冻结层随冻融循环的发展规律，分析桩基础在回填土回冻过程中所发挥的作用，同时结合“空气-桩基”和“空气-土体”界面测点温度分析界面温度差异，为进一步探讨边界条件做准备.以期对锥柱式桩基础在此类施工方法下的回填土的回冻过程及桩基温度场有更全面的认识，进而为此类桩基的设计提供依据.

1 模型试验设计

1.1 桩基础模型尺寸

锥柱式桩基础是一种带底座的渐扩式锥形桩.根据无荷载条件下冻土模型试验相似原理，在土质、温度、含水量等与原型一致时，模型几何比的平方与时间比相等[15]，即cl = ，为了方便操作和数据处理，用24 h模拟实际一年365 d，因此ct = 365，相应的几何比cl = 19，即缩尺比为1 ∶ 19.据此对锥柱式桩基础进行缩尺，利用不锈钢模具倒模方法预制桩基模型，模型内部配筋，浇筑混凝土成桩，其后对模型桩进行养护.其中模型桩底座为方形，边长165 mm，高20 mm，坡高10 mm，锥身高210 mm，锥底半径100 mm，锥顶半径40 mm，桩基模型如图1所示.

1.2 试验用土

试验采用取自现场的青藏粉土，塑限14.6%，液限22.0%，颗粒级配曲线如图2所示.试验填土控制干密度约为1.83 g/cm3，参考天然场地土体含水量，装箱含水量为15%.填土过程中，进行分层填筑，采用人工击实的方法，严格控制回填土密度，保证回填土压实度在95%以上.

1.3 温度传感器布置

本模型试验在冻土工程国家重点实验室小型环境温度模型试验箱内完成，模型试验保温箱尺寸为50 cm × 50 cm × 35 cm，四周和底部绝热.如图3所示，锥柱式桩基础模型位于模型箱体正中，温度传感器在箱体中心断面上单侧布置，土体内部15个温度测点，土表3个温度监测点，各测点水平和垂向间距为7 cm.为了方便表示，坐标轴以沿水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，X轴位于土体表面，Y轴沿桩基础轴心.距离土表（Y方向）0 cm、7 cm、14 cm、

21 cm、28 cm、35 cm处分別用A、B、C、D、E、F表示，距桩心（X方向）0 cm、7 cm、14 cm、21 cm分别用1、2、3、4表示，字母与数字组合表示温度测点位置.桩顶布置1个温度测点Z1，模型箱内部上方布置1个环境温度测点H1.

2 试验方法

选取青海省玛多县城气象站的数据资料，根据每月的平均温度，对年温度变化曲线按式（1）进行拟合.根据冻土模型试验相似原理，满足如上几何比cl =19的条件下，用室内试验24 h模拟实际365 d的温度变化，即模型试验冻融周期为24 h.

输入环境模型试验箱控温系统中，温度变化曲线如图4所示.

本文考虑明挖回填施工的最不利情况，研究暖季施工条件下回填土的回冻过程，因此在室温下填筑后，调节低温试验箱温度为8.7 ℃，并维持一定时间，待土体内部温度达2 ～ 6 ℃后开始式（2）控温的冻融循环.试验过程中从模型箱底部固定水头对土体进行补水，土体表面进行隔水处理.采用全自动全天候数采仪，实时对温度进行采集和存储，数据采集频率为1/min.

输入控温曲线温度与实测内部空气温度有所差异，本文所涉及环境温度均以指内部空气温度.试验共进行14次冻融循环，历时14 d，主要研究冻结层的形成及发育过程，试验以冻结层发育至桩基底部作为终止标准.

3 试验结果分析

选取第1、2、4、7、10、13 冻融周期环境高温极值和低温极值时刻各测点温度，对试验结果进行分析.为了方便表示和研究，高温极值和低温极值时刻分别以H和L表示，如试验条件，同一周期内L时刻早于H时刻0.5 d.根据试验数据分析典型周期距桩不同位置处温度随深度的变化、不同埋深处土体对环境温度的响应及混凝土和土体与空气交界面温度在同一环境温度下的差异.

3.1 典型周期温度分析

如图5 ～ 7所示，距桩心7 cm、14 cm、21 cm位置处，自上而下分别布设有5、6、4个温度测点，其值能够反映距桩不同位置处土体表面和土体内部温度在环境温度作用下的变化.

从图5 ～ 图7可以看出，距桩不同距离处土体内部温度随冻融过程的发展均出现不同程度的降低，其中初始的2个冻融周期，内部土体温度变化较大，土体出现了整体的降温，以E3测点（14，28）处温度测点低温极值时刻为例，1L时刻为6.04 ℃，2L时刻1.99 ℃，降温幅度达4.05 ℃.可见初始2个冻融循环对土体温度表现为降温的作用，但未在高温极值时刻形成冻结层.从第4周期看出，土表以下7 cm处在高低温极值时刻均为负温，但冻结水平较低，表明经历4次冻融循环，回填土表层以下开始出现冻结层.第4、7、10、13周期土表以下7 cm高温极值时刻温度均为负温，表明环境高温极值时刻融化深度未超过7 cm.第4周期以后，冻结层厚度逐渐增大，且在高温极值时刻冻结水平高于低温极值时刻，如C4测点（21，14）处温度测点在第10周期高低温极值时刻分别为-0.24 ℃和-0.11 ℃.出现这种现象的主要原因是热传导过程与时间相关，势必出现土温和环境温度变化周期一致但是相位角不同的情况，表现为土温变化滞后于环境温度.

3.2 不同位置处温度随冻融过程变化

利用各测点在整个试验过程中的数据，分析冻融过程中温度沿深度方向和水平向的变化，分析其变化规律，从而对回冻过程有进一步的认识.

3.2.1 x = 14 cm处各埋深测点温度变化

图8为距桩14 cm处土表和土体内部不同深度处温度随冻融过程的变化曲线.可以看出，7 cm以下土体温度在初始2个冻融周期受冻融影响有了大幅降低，其后周期存在小幅波动.土表0 cm受环境温度影响较大，温度呈现出明显的周期性变化，变化趋势与环境温度保持一致，但与环境温度振幅存在差异；7 cm埋深处温度依然呈周期性波动，但是温度波动幅值已明显小于土表，且在该埋深处土体温度变化已经表现出了一定的滞后性；14 cm埋深处温度随冻融过程存在小幅周期性波动，其值总体高于7 cm埋深处土温；21 cm埋深处温度从第3周期开始基本保持不变，其值始终高于以上埋深位置处温度.所关注测点中，21 cm埋深处温度受环境温度变化影响最小，土体温度沿深度方向变化的趋势和幅值与土体性质和上覆土层厚度存在相关性.

3.2.2 桩基对土体温度影响分析

桩基与土体材料不同，因而在不同埋深处，距桩不同远近位置处其温度存在一定的差异，选取土体表面、7 cm、14 cm、21 cm埋深处温度测点，对比分析桩基础对回填土沿水平向的影响程度.

图9为土体表面距桩7 cm和14 cm的温度随时间变化曲线，从温度变化曲线可以看出，桩基础对回填土表面并未产生影响，表面土体温度的控制影响因素为环境温度.

图10为7 cm埋深处距桩7 cm、14 cm、21 cm的温度随时间变化曲线，初始2个周期土体出现了明显的降温，第3 ～ 5周期存在小幅波动，第5周期开始呈周期性波动，但"温度-时间"关系并非三角函数，并且滞后于表面土体温度变化.7 cm埋深处温度受环境温度和桩基础共同影响，但是距桩不同距离处温度变化曲线近似重合，因此桩基础对7 cm埋深范围内土体影响可忽略，该埋深处土体温度控制影响因素依然为环境温度.图11为14 cm埋深处距桩7 cm和14 cm的温度变化曲线，在初始2个冻融周期，其值差别很小，但是从第3周期开始，温度出现一定差异，表现为距桩7 cm处土体温度高于14 cm处，差值约0.1 ℃.可见，14 cm埋深处土体温度同样受环境温度影响，呈周期性波动，该埋深处桩基础的热良导作用开始显现，沿水平向对土体温度产生影响.

图12为21 cm埋深处距桩心0 cm、7 cm、14 cm的温度随时间变化曲线，埋深21 cm已位于桩底，其中0 cm处测点位于桩基正下方，7 cm处测点位于桩基底座边缘下方，从温度变化曲线可以看出，3个位置处温度变化并不大，近似重合，可见桩基并未对21 cm埋深处土体温度产生大的影响.

桩基主要由钢筋混凝土材料构成，其导热性能优于冻融状态下的土体，相比于土体，桩基材料是一种热的良导体.混凝土透水性能差，内部自由水含量少，冻融过程中，受水分影响较小，对温度的响应更为积极，因而桩基础能够为深部土体和环境之間提供良好的热交换通道.对回填土回冻过程在竖向和水平向产生影响，如14 cm埋深处，距桩7 cm相比于14 cm处土体，其影响值虽仅有0.1 ℃，但这种差异在整个冻融过程中始终存在.

综上，回填土温度受环境和桩基础共同影响，表层一定范围内土体受环境温度控制，呈周期性变化，环境温度是回填土内部温度变化的主控因素.而所关注的桩基的热良导作用并不对整个桩基埋深范围内桩周土体产生影响，仅对一定埋深和距桩一定水平距离范围土体温度产生影响，其影响值较小但始终存在.

3.3 界面温度分析

桩顶和土体表面布设了温度传感器，用以了解“空气-桩基”，“空气-土体”在界面处的温度变化，对比分析桩顶、土表与环境温度之间的差异，为模型试验设计和数值计算确定边界条件提供依据.

图13为桩顶和环境温度变化曲线，可以看出桩顶对环境温度的响应较为积极，变化趋势与环境温度变化保持一致并且同步，每个周期内桩顶温度极值和环境温度极值较为接近.第1 ～ 6冻融周期，二者温度极值差异较小，第7周期起桩顶温度与环境温度极值存在一定的差距，并且在环境正温极值和环境负温极值状态二者差值不同，表现为负温极值状态差值大于高温极值状态.以第11周期为例，正温极值状态时，桩顶温度低于环境温度2.2 ℃，负温极值状态时，桩顶温度高于环境温度2.8 ℃.

从图9看出土体表面温度受桩基础影响不大，因而取土体表面距离桩心14 cm处温度测点进行对比分析.从图14看出土表温度振幅明显小于环境温度，并且负温极值差别大于正温极值.不考虑水分迁移引起的表面土体温度变化，极值取均值后，正温极值状态下土表温度低于环境温度5.0 ℃，负温极值状态下土表温度高于环境温度6.7 ℃.图15为土体表面和桩顶温度随时间变化曲线，可看出二者变化规律一致，但土体表面小于桩顶温度振幅，且这种差异随冻融周期增长而减小并逐渐趋于稳定.

土体表面对环境温度的响应主要受土体冻融状态热物理性质和土中水分变化影响.土体冻融状态

的容积热容量，可用下式表示[16]：

式中，C为土体的容积热容量，下标 f和u分别表示土体冻融状态；Csf和Csu分别表示冻融状态的骨架比热；W为土体含水量；下标i和w分别表示

冰和未冻水含量，Cw为水的比热，取4.18 kJ/（kg·℃）；Ci为冰的比热，取2.09 kJ/（kg·℃）；ρd为土体干密度.

融化状态的土骨架比热总是大于冻结状态，以亚黏土为例，Csu和Csf分别为0.84 kJ/（kg·℃）和0.77 kJ/（kg·℃），即Csu > Csf，同时Cw = 2Ci.因此，融化状态土体容积热容量大于冻结状态土体容积热容量，即存在

同时，正冻过程中，冻结锋面向下移动，冻土中未冻水受温度势影响向冻结锋面迁移，正融过程中，水分受重力势影响向下迁移.含水量W在宏观上表现为冻融次数的函数，表面土体在反复冻融作用下，水分向下迁移，致使冻融状态表面土体容积热容

量差异减小，因此其温度波动幅值随冻融发展趋于稳定.

环境箱内实测温度与输入温度存在差异，本文环境温度特指内部实测温度，如式（2），对输入温度和内部空气温度差异不做讨论.环境箱内部空气温度拟合如下：

从图14可看出，土表温度与环境温度差异较大，平均温度相比环境平均温度有所升高，振幅减小，但是角速度和初始相位角基本一致.因此，结合控温曲线式（1），土表温度写成：

土体与空气界面温度测点反应表面土体温度，融化状态土体容积热容量大于冻结状态，且随着冻融次数的增加，表面土体含水量减小，使得冻融状态土体容积热容量差异减小.土体冻融状态比热的差异和含水量的减小导致土体表面温度在负温极值与环境温度差值大于高温极值的差值.桩顶温度变化

振幅随时间增加有减小的趋势，待试验结束后观察到桩顶有水渍，可能与试验过程中混凝土中有水分渗入有关.

本试验中，不仅对土体内部温度进行测量，而且对桩基、土体和空气界面温度进行测量，对确定桩基热分析边界条件具有指导意义.从试验结果看出，界面温度并非定值，随冻融过程存在一定变化，与环境温度和介质自身性质相关，并且与其热状态存在一定的联系，水分是引起界面温度变化的主要因素.因此，模型试验与数值模拟相互验证、确定边界条件和室内模拟环境条件时，须正确区分和认识输入温度、内部实际环境温度和界面温度.

3.4 冻结层厚度变化趋势分析

图16为第2、4、7、10冻融周期高温极值时刻回填土中0 ℃等温线图，从图中可以看出冻结层厚度随冻融过程的发展变化，经过前2个周期的冻融，能量累积，2H时刻在桩基两侧土表下埋深约10 cm处出现零星分布的冻结区域，尚未形成连续的冻结层；4H时刻桩基两侧形成对称分布的两片连续分布的冻结层，但桩侧依然处于未冻结状态；7H时刻桩周形成貫通的冻结层，冻结至桩基底座处，基底处于未冻结状态；10H时刻除表层土体受环境温度影响处于融化状态外，桩身及桩底均达到冻结状态.

根据距桩14 cm处各测点高温极值时刻温度数据，采用线性内插的方法，求解0 ℃的位置，用以了解冻结层厚度随冻融过程的发展变化规律.从图17可以看出，在本模型试验中，每个冻融周期高温极值时刻达到的融化深度相近，约6.1 cm，为此时冻结层的上限（非冻土上限），冻结层厚度随冻融过程持续增加，从第4周期桩周土体出现连续的5.4 cm冻结层，至第13周期，冻结层厚度达20.0 cm.第11周期之前，冻结层厚度发展较快，第12周期至试验终止，冻结层厚度增长速率减缓.

环境温度是土体冻融状态发生变化的直接影响因素，在冻融作用下，表层土体冻结和融化交替进行，但是对下部土体而言，其冻融状态直接反映土体中能量的耗散和积累程度.本文所模拟环境平均温度为-2.71 ℃，因此负温带来的能量积累是冻土层厚度增厚的直接原因，同时在冻结层形成过程中，冻结层下部未冻土温度成为影响冻结层厚度发展的主要影响因素.随着冻融循环的发展，冻结层下部的未冻土温度持续降低，能量进一步向环境耗散，因此，环境温度和冻结层下部的未冻土热状态共同影响冻结层随冻融循环的发展速率.试验结束后，发现桩基底座下部土体中有水分集聚的现象，而土中水发生相变需释放大量相变潜热，第11周期后，冻结层厚度发展至水分集聚埋深处，冻结层厚度增长速率减缓，表明在本文试验条件下，冻融循环作用对土体温度影响深度趋于稳定.在本文所模拟的环境温度下，冻结层厚度的增长规律表现为先快后缓的特点，但是总体来看回填土的回冻是一个漫长的过程.

4 结 论

1）回填土回冻试验中，环境温度和桩基础共同影响回冻过程，环境温度是土体内部温度变化的主控影响因素.桩基础较之土体具有良好的导热性质，但是这种热良导作用并不对整个桩基埋深范围内桩周土产生影响，仅对一定埋深，距桩一定水平距离范围内的土体热状态产生影响，如14 cm埋深，距桩7 cm处温度高于较距桩14 cm处约0.1 ℃，其影响值虽小，但始终存在于整个冻融过程.

2）通过对“桩基-空气”和“土体-空气”界面处的温度进行测量和对比，桩基对环境温度响应较为积极，温度变化接近于环境温度，土表温度变化与环境温度差别较大，正温极值状态，差值达5.0 ℃，负温极值状态差值达6.7 ℃，而这种差异主要由土体自身热物理性质和土中水引起.该结果对正确认识不同材料与空气界面热状态和确定数值计算边界条件具有指导意义.

3）在所进行的冻融试验周期内，能量持续累积，冻结层发展至桩底，冻结层厚度经历快速增长和缓慢增长两个阶段，仅考虑环境温度单向作用，锥柱式桩基础明挖基坑回填土的回冻是一个长期的过程.

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