考虑非对称冻结的塔杆基础模型实验研究

熊维林，葛洪林，富海鹰

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

诸如高速铁路、公路等线路网在穿越季冻区时，由于地基土受到持续多年冻结作用，导致这些地区的主要电力线路的塔杆基础存在严重的冻拔问题。特别地，对于存在斜坡的非对称冻结情况，电线杆不仅会发生向上拔起的现象还会发生转动倾斜现象，如图1所示典型工程。由于塔杆桩基位于路基边坡顶部，在常年季冻条件下不仅存在拔起，还逐渐表现出明显的向坡面倾斜的位移趋势。该案例揭示了一种由冻拔力和水平冻胀力叠加作用导致的变形模式(变形简化力学机理示意图如图1)。冻拔是由于负温的影响，冻土与桩身胶结在一起，形成一定冻结强度，紧接着随土体冻胀，产生的切向冻胀力驱动桩克服自重、上部荷载以及桩土间摩擦力向上拔起。而侧向倾斜则是由于斜坡的土体受到冻结作用发生体积膨胀对桩侧存在挤压效果进而产生了水平力，该水平力作用于桩侧朝向远离坡面，使得桩发生了侧向倾斜。因此，该变形模式存在2类位移，此类变形模式会进一步导致拉线崩断以及拉线受力不均匀造成杆塔倾斜甚至倾覆等病害，不仅导致巨大的经济损失还会引发安全问题。因此，研究存在斜坡的非对称冻结情况的桩基变形特性以及其力学机理，对输电塔工程的安全和维护具有工程价值。多年来，国内外学者通过模型实验、数值模拟、理论解析等方法，对桩基冻胀做了大量的研究，得出了丰富的成果。早在1985年，PCHELINTSEV等[1-2]就研究了如何测定季冻区桩基的切向冻胀力和法向冻胀力，并提出切向冻胀力和法向冻胀力具有联合响应，同时建议，为了防止冬季在冻胀土壤上建造的桩基发生故障，有必要在规范中考虑分析作用在桩上的冻胀力超过其断裂强度的情况。针对输电线路塔杆基础，LYAZGIN等[3−5]考虑了在不利的自然和气候条件下，控制决定结构柱基运行稳定性和可靠性的主要因素的方法，使得塔杆桩基免受冻胀的危害。近年来，国内外学者，基于实测数据或理论方法集中讨论了穿越多年冻土区的铁路输电线路塔桩基础受冻拔的影响，以及路基冻胀变形规律，研究结论推动了提高冻土区铁路输电线路塔桩基础的稳定性的发展[6−10]。也有学者以理论为基础，首次导出了冻胀力的三维时空分布，并且揭示了寒区冻土层退化后，桩基趋于不稳定[11−12]。TONG等[13]通过试验测出了在冻结过程中作用于桩基侧面的土体水平冻胀力，而且还从实验中得出影响水平冻胀力的2个主要因素是温度和含水量。随着工程技术的进步，为减轻冻胀对路基以及桩基的病害，涌现大量的抗冻技术。部分学者提出以螺旋杆桩抵抗冻拔，并研究了不同类型以及工况下螺旋杆桩的抗冻拔效应，还设计了新型的多年冻土保护装置[14−15]。在理论研究方面，也有学者开始讨论更加完善的桩基冻胀计算模型以及预测冻胀量的方法，利用提出的计算方法所得结果与室内实验、数值模拟以及工程算例吻合较好[16−17]。

图1 典型塔杆变形与其简化力学机理示意图Fig.1 Diagram of typical column deformation and its simplified mechanical mechanism

上述研究较为系统地提出了冻胀桩基的研究方法，以及解决冻胀桩基病害问题的方案，研究结果极大地促进了冻胀桩基的稳定性发展。需要指出的是，虽然学者们已经研究出相较其他基础有明显抗冻拔优势的桩基，但大多基于对称冻结条件研究冻胀作用，对于非对称冻结条件下路基以及桩基特性的讨论仍不够充分，这将影响实际工况下抗冻拔措施的决策。因此，本文通过模型实验对路基边坡坡顶设有桩基的模型进行连续非对称冻结，同时监测桩的冻拔位移、侧向位移以及温度场的发展规律，并且发明和试验了一种非对称扩底锥形桩，对季节性冻土区桩基优化设计与防冻害措施具有现实的指导意义。

1 材料与方法

1.1 土样性质与实验原理

本文选用的冻胀实验土样为易冻结土，取土点位于高海拔冻土区青藏铁路西格段项目施工现场，经过处理后，仅留下小于等于0.075 mm的细颗粒部分，为重塑土。土颗粒最大干密度1.652 5 g/cm3，最优含水率20.225%，液塑限分别为31.51%与20.03%，土体在最优含水率状态下进行试验。根据土的工程分类指标，该土定义为粉质黏土。同时，为了估算冻深，对土样进行冻结温度实验，得到该土样在最优含水率时的冻结温度为−0.12℃[18]。依据图1的典型工程案例所简化的力学作用机理，本文设计了相应的室内模型试验方案，实验设计材料主要包含带边坡的填土路基，桩，以及冷板，桩的布置位置设置于路基边坡坡顶。实验方案简化的示意图如图2所示。

图2 实验方案示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental scheme

1.2 实验设施及过程

试验采用卧式冰箱作为试验箱(图3)，其内部几何尺寸为1 750 mm×680 mm×650 mm。为保证二维冻结同时满足模型尺寸，四周采用保温板镶嵌，模型桩垂直埋设于试验箱中，并从顶板1个孔中穿出(图4)。顶板分为2块，路基表面顶板水平放置于填土表面，路基边坡顶板贴合坡面放置，2个冷浴循环机(如图3，温度波动范围：−20～1 00℃，精度：±0.05℃)与之相连，以持续提供负温条件。试验箱的顶部覆盖隔热材料，使箱中形成稳定的冻结温度场。实验开始前将2块顶板温度调为5.5℃，持续96 h，使土体的初始温度稳定在5.5℃左右。实验开始后分别调整顶板温度至−10，−15和−20℃进行试验，同时，打开冰柜开始运行以达到保持环境温度的效果。该方法相比自然环境温度易于控制且更加稳定(温度控制在−3℃～−1.5℃，并且实验期间一直控制冰柜在该温度范围)。在上一个温度加载条件下，土体温度稳定后紧接着进行下一个温度加载条件试验，期间读取冻拔位移、侧向位移以及温度数据。

图3 主要实验仪器Fig.3 Main experimental instruments

图4 冰箱顶部俯视示意图Fig.4 Top view of refrigerator

在本次室内模型试验中，选用按10:1等比例缩小的土体模型以及模型桩进行分析，包括2种类型的桩(图5)。模型桩的相关尺寸参数见表1，其中D为直径，h为桩长，R为底盘半径。

表1 模型桩参数Table 1 Model pile parameters

图5 2种模型桩Fig.5 Two kinds of model piles

1.3 实验方案与仪器布置

试验箱中的传感器布设见图6。使用灵敏度高的№温控电阻传感器测量温度，精度±0.1Ω，然后通过计算公式转换间接计算温度。电阻传感器共分2列，埋设于桩身附近，2列与桩身间距分别为8 cm和16 cm，每列传感器上下间隔5 cm，底层传感器与桩头齐平，一共12个，分别连接至数据采集系统(DT80G)。在冻结试验进行时，冻拔位移与侧向位移分别使用一个固定于桩顶的竖向位移百分表和一个固定于桩侧的侧向位移百分表测量(图6)，试验方案见表2。考虑3种顶板温度加载条件连续下降，冻拔位移与侧向位移同时测量。

图6 温度传感器布置图Fig.6 Layout of temperature sensor

表2 实验方案Table 2 Experimental scheme

2 结果与讨论

2.1 温度场

如图8所示，本文采用阶段加载设置的方式对温度进行加载，具体分为3个加载阶段，且3个阶段连续加载。其中，第1阶段采用−10℃的负温条件加载，第2和第3加载阶段分别采用−15℃和−20℃加载。图9为工况1各个加载阶段的2列温度−时间曲线。整体而言，3种负温度条件下的温度场−时间曲线分布规律不同，土体温度随时间变化呈阶梯型。最终土体温度在距离桩身16 cm处动态平稳在−9.5～−10.3℃范围内，平均下降15～15.8℃，而距离土体8 cm处则动态平稳于−10.1～−11.6℃范围内，平均下降15.6～17.1℃。加载过程中，初始试验时，土体达到温度稳定所需时间较长，达225 h，2列数据皆稳定在−4～−7℃的范围，平均下降9.5～12.5℃。但达到冰点后土体温度稳定所需时间仅为初始试验时的一半，并且下降温度相对值较小，仅为2～2.5℃。

图8 温度加载曲线Fig.8 Temperature loading curve

图9 工况1温度−时间曲线Fig.9 Temperature-time curves of working condition 1

数据显示，达到稳定阶段时，远离桩身(即近模型边界处)的温度略微低于近距离桩身(即趋近于模型中心处)温度。这说明在持续非对称冻结条件下桩周的温度场分布不均匀，并且模型边界处的土体更容易冻结。具体的，对于顶板温度条件在−10℃时，整个土体温度场的变化规律在埋深较大处大概分为4个阶段：初始温度下降最快且持续时间较短，然后出现温度“平台”，紧接着下降率开始逐步增加并且呈现下降速率平稳的阶段，这个阶段持续时间最长，最后迅速趋于平稳状态阶段。而深度较浅的土体则不存在温度“平台”。

将顶板温度降低为−15℃后，此时，土体温度数据变化规律与初始不同，显示为5个阶段：首先快速下降到某一低温，存在这样的阶段变化，是由于土体的过冷温度所致。紧接着发生短暂的温度上升阶段，上升到某一温度同样是短暂的平稳，然后开始逐渐下降，最终随时间演化达到动态平衡。然而，顶板温度降低到−20℃后，温度变化规律则缩减为3个阶段，相比前一温度条件数据，维持平稳阶段消失，这与土体含水率紧密相关。由于在土体经过了前2个负温条件冻结后，含水率大大降低，再次降低温度冻结量降低，仅少部分自由水可冻结，在−20℃的冻结温度下，很快开始下降。

图10为温度随深度的分布曲线，由图10可知，土体在顶板温度为−10℃的条件下，冻深就已超过30 cm，即桩底至路基表面土体完全冻结。具体的，距桩身8 cm处，在144 h后桩底以上土体基本完全冻结，冻结后的土体温度呈线性降低，未冻结层呈对数降低，且104 h后路基面以下10 cm厚的土层温度相同。而距桩身16 cm处，在128 h后桩底以上土体就已经基本完全冻结，冻结后的土层和未冻结层温度皆呈对数降低。随着顶板温度条件的不断下降，桩底温度也不断下降，土体冻深逐渐增大。

图10 温度-深度曲线Fig.10 Temperature-depth curves

由于工况2除改变模型桩以外其他一切条件皆与工况1相同，因此，实验所得温度场数据与工况1规律相同。

2.2 位移分析

2.2.1 工况1结果分析

图11为工况1位移−时间曲线，竖向位移百分表和侧向位移百分表布置见图7。

图7 位移测量示意图Fig.7 Schematic diagram of displacement measurement

图11 工况1位移-时间曲线Fig.11 Displacement time curves of working condition 1

在分阶段非对称冻结条件下，2类位移都在土体温度稳定后逐渐趋于稳定。在初始负温的作用下，桩基冻拔量以及侧向偏移量10 h左右开始出现。稳定后的量值都较大，达0.53 mm和0.2 mm。土体达到冰点后，即降低冻结温度至−15℃和−20℃后的实验，桩的冻拔以及侧向位移增量减小。对于−15℃的条件，冻拔和侧向位移增量仅0.24 mm和0.043 mm，占初始位移的48%和21.5%。而顶板温度条件再次降低到−20℃后，桩基冻拔和侧向位移增量为0.125 mm和0.02 mm，仅占初始数据的23.58%和10%。整体冻拔量最终达到了0.826 mm，侧向位移为0.263 mm。实验数据表明，不断进行负温加载，对土体进行连续冻结后，桩基冻拔量以及侧向位移增量逐渐减小。这是因为土体中大部分水分已经冻结，再持续降低温度冻结增量减小，冻胀量减小，冻深也维持稳定。

对比各阶段冻拔位移与侧向位移规律：初始时，冻拔位移以及侧向位移随时间呈单调上升的趋势。后续加载阶段，则随时间变化存在位移曲线平台，具体表现在加载初期以及加载结束的一段时间内。存在这样的现象主要是归结于土体冻深的改变。初始时，土体水分含量较多，可冻结量较大，冻胀率大，冻深改变较快，因此几乎不存在位移曲线平台。而后续加载阶段中，由于初始温度的加载使得土体温度达到稳定状态，冻深也达到稳定，因此2类位移随即达到了稳定状态出现位移平台，在下一温度加载条件开始时，由于冻深还未及时改变，位移平台会稳定一定时间，而新的加载条件下位移同样会达到稳定而出现平台。

最后从位移随温度的变化规律看，桩基产生位移的原因可以归结于冻结完成时，由于体积膨胀作用，冻深范围以内的土体体积膨胀，对桩身形成竖向以及水平挤压、竖向拉拔作用，同时产生切向和法向冻胀力，且切向冻胀力对抗拔桩影响较大，因此冻拔位移较大。数据显示温度下降越快，2类位移的增加越明显，后逐渐趋于稳定。分析认为，该种变化形式主要与土体的冻胀量随温度的变化规律有关，冻胀温度越低冻胀越明显，冻胀深度越深，冻胀作用越明显，桩顶水平竖向位移越大，土体温度稳定后该温度下的冻结全部完成，位移随之稳定。但当桩身完全处于冻深范围内时，冻胀量逐渐减小。分析认为，当冻深超过一定范围，整体冻胀量增长速率减缓，对桩结构的切向冻胀力以及法向冻胀力增长速率也减缓。

图12 非对称扩底锥形桩示意图Fig.12 Schematic diagram of asymmetric belled tapered pile

为减小冻拔量以及测向偏移，本文发明了一种非对称扩底锥形桩。设计桩示意图如图11所示，该桩的作用原理是：桩底凸台抵抗切向冻胀力，减小桩的冻拔量，远离斜坡的凸台相对靠近斜坡凸台多余的部分抵抗转动倾斜力，减小桩的侧向位移。本实验采用图5的2号模型桩模拟该桩作用效果。

2.2.2 工况2结果分析

图13为采用非对称扩底锥形桩试验所得结果。与原不做任何措施的光滑桩比较，冻拔位移与侧向位移都有明显的减小。在连续冻结下，冻拔量最终稳定在0.355 mm，侧向位移仅为0.076 mm，总体量值减少率分别为57.02%和71.1%，桩基作用效果显著。

图13 工况2位移-时间曲线Fig.13 Displacement time curves of working condition 2

初始试验条件下，桩出现侧向偏移量的时间则相比工况1晚了近15 h。2类位移量值也大为减小，冻拔位移从原有的0.53 mm迅速递减为0.35 mm，而侧向位移也同时从0.2 mm减小为0.051 mm，侧向位移减少率达77.3%。−15℃温度条件所导致的桩基冻拔量以及侧向偏移量皆不足0.01 mm，量值增加极小。在冻结温度下降到−20℃后，侧向位移有个较大的增量，达0.022 mm，增长率为40.74%，而冻拔位移则几乎无增量。相比较采用完全光滑桩在冻结温度下降到−20℃后的实验数据，冻拔位移大大降低，侧向位移增量相当。但实验结果表明，该新型桩在前面加载阶段的作用后冻结温度下降至−20℃再次加载时抵抗侧向偏移能力有所减弱，抗拔能力则依旧满足，说明该桩型抗拔能力高于抗侧向偏移能力。究其原因，在前期2类冻结温度的叠加作用下，土体中水分迁移至冻深附近，但此时冻深已经十分接近甚至超过桩底，再次将冻结温度至−20℃后，由于在桩底上下范围内的水分含量较多，在该温度加载条件下土体内的水分冻结量增大，并且在−20℃的侧向冷板温度作用下路基边坡冻深增大，法向冻胀力有所增加，此时本文采取的措施尺寸已经无法满足抵抗侧向偏移的能力，因此侧向位移会出现与常规桩几乎相同的增量。

3 结论

1)温度方面，分阶段加载冻结温度条件下，土体温度呈阶梯型下降，初始实验温度随时间的变化规律与后续加载阶段的温度场变化规律不同，并且初始实验温度稳定时间大约为后续阶段的2倍，后续温度加载条件下的土体温度稳定所需时间相同，桩周温度场分布非均匀。

2)位移方面，季节冻土区塔杆基础受土体冻胀影响，桩基整体呈现上拔、外倾趋势，位移量与路基冻深呈现正相关关系。冻结过程中，冻拔位移与侧向位移随时间的变化规律类似，初始温度加载阶段2类位移随时间稳定增长，后续阶段的温度加载则显示出位移曲线平台，2类位移在初始加载阶段量值皆最大，且光滑桩总位移远大于非对称扩底锥形桩。

3)对于非对称扩底锥形桩，在−10℃和降低至−15℃的冻结温度条件下，抗冻拔以及抵抗侧向偏移的能力满足要求，但在冻结温度下调至−20℃后，由于前期2类温度的叠加作用，此时抵抗侧向位移的能力近似于普通光滑桩，抗拔效果仍优于普通光滑桩。