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寒区桩基热稳定性研究进展

更新时间:2016-07-05

0 引言

苏联和加拿大是最早进行冻土基础研究的国家,研究成果丰富,处于世界领先地位。如苏联学者出版了《多年冻土与多年冻土上的建筑物》《房屋及构筑物与多年冻土相互热作用》等著作,加拿大马尼托巴大学Puswewala[1]建立了冻土与结构物相互作用计算模型。我国对冻土区基础设计研究的工作开展较晚,20世纪50年代起对东北地区进行了系统的冻土研究工作,80年代初期经青藏公路整治改建,逐渐开展了不同类型桩基的研究。桩基础是工程建筑中常用的基础形式,由于其对地温场扰动小、 回冻快、 承载高、 抗冻胀能力强、 施工简便,在青藏高原多年冻土区被广泛使用。在桩基使用过程中,其稳定性是最重要的考虑因素。关于桩基稳定性研究,基于承受荷载的考虑,众多学者致力于研究桩基抗拔、 抗压能力[2-4],桩基与周围土体冻结力、 桩基承载能力及桩基沉降等[5-6]。大量的研究结果及寒区工程经验表明,多年冻土区工程构筑物基础的力学性质与冻土的热状况密切相关[7],为了防止桩基不均匀沉降、 倾覆等问题,有必要对桩基热稳定性进行深入研究。本文在查阅文献资料的基础上,从人类活动、 气候变化、 桩基保护等方面对桩基热稳定性研究进展进行了总结,并提出了下一步的研究思路。

3)Mann-Kendall突变检验显示,环太湖地区各站点气温突变年较为接近,但仍存在先后,且各站均表现为气温由低向高的突变,突变年发生在1992年前后,与有关研究结果较吻合(李国栋等,2013)。环太湖地区基本上都在20世纪80年代初发生了降水的突变现象,与全球的降水突变一致(宋燕和季劲钧,2005)。由于环太湖地区各站仍存在降水突变发生先后的差异,这可能与各地区城市化发展程度有关(郭凌曜,2009)。

2016年秋季选用10个糯玉米自交系N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9、N10作为母本,4个玉米自交系T1、T2、T3、T4作为父本(测验种),采用不完全双列杂交配制40个杂交组合,亲本来源及其种质特征见表1。母本系成都市农林科学院自育的二环系,父本系从四川省农业科学院生物技术核技术研究所引进的自交系。

1 研究方法

桩基热稳定性研究,通常从室内模型试验、 现场试验、 理论分析等方式开展。室内模型试验是研究桩基常用的方式。研究者利用相似理论基本原理,确定模型几何相似比,使用原型材料模拟桩基、 原状土填满桩周,然后将模型箱体放入试验机箱内,通过土体中布置冻结管(只模拟某负温情形)或者采用自动控温系统(考虑土体冻融)对箱体内部空间进行控温。桩端上方可固定位移计测试桩端与桩身的变形; 桩身可贴电阻式应变片、 应变式压力盒,分别测量应变及桩侧壁与冻土相互作用力; 土体表面及内部可放置热电偶,用来获取冻土地基温度分布[8-9]。有些学者为了研究气候变化对冻土活动层的影响,直接在土体表面上覆盖拨片式热交换器,在桩基及热交换器上放置热源,用来模拟冬季雪层覆盖、 夏季大气升温等情形[10]

由于多年冻土的复杂性,室内模型试验难以很好地反映桩基的实际工作情形,尤其是桩基温度场的分布变化、 桩基浇筑过程产生的水化热等问题。因此,寒区桩基热稳定性研究多结合现场试验进行。在现场系统观测布设方面,土体温度、 变形、 含水量监测极为重要。单桩温度监测多布于桩基四角,根据不同地基的热影响范围、 不同间距放置温度传感器,群桩监测一般需要考虑地温分区、 地质情况、 地形、 土质及桩形态发生改变等[11]。现场测试和数值模拟表明,进行桩基热传导分析时,桩影响范围小于桩间距,所以通常选取单桩来研究[12]。考虑到水分迁移、 施工条件及热影响,水分检测一般只对装配式、 大开挖锥柱式基础进行观测,在每个基坑内,随着施工过程分层放置水分检测探头。变形监测多采用全自动伺服型全站仪,在塔腿靠近根基的位置建立长期观测点,对塔腿垂直位移、 水平位移、 塔腿间平距斜距进行监测,测量仪器需要将高程误差、 水平位移误差分别控制在 2.0 mm和12.0 mm 范围内。

多年冻土区的桩基类型主要分为钻孔打入桩、 钻孔插入桩以及钻孔灌注桩。打入桩虽然回冻快,但是其并不适用于含有石块的塑性冻土地基,且桩的标高和平面位置难以控制。钻孔插入桩虽然桩位和标高容易控制,也适用于各类地基,但是桩基前期承载力低,其热稳定性还受到回填土体温度、 密实度、 含水量等多方面影响。灌注桩是冻土工程中常采用的桩基形式,其承载力大且施工时不需要复杂的施工设备,但在桩基施工完成后,混凝土将会产生大量的水化热,如果不及时采取碎石垫层铺设等措施,可能造成桩基下沉坍塌。

不同研究人员在使用模型试验、 现场试验、 理论计算中的某类方法时,同类方法比较结果各自差异并不大,只是考虑的因素不同,得到的结论略有差异。按照桩基影响范围,有对单桩或者群桩进行分析; 按桩基不同形状,有短桩、 锥形桩、 方形桩、 圆形桩等; 按照桩基不同构成材料及土体不同性质,产生的水化热和扰动半径也有差异。

2 工程活动的影响

在多年冻土区进行桩基础施工时,土体会受到热扰动,从而破坏冻土的稳定冻结状态,短期改变其热平衡,尤其是混凝土桩基的灌注,大量的水化热会使混凝土温度急剧上升,导致桩基周围土体融化,桩基承载力严重下降。随着桩与土体热量不断交换,桩基逐渐降温,一段时间后,土体恢复冻结状态,桩基承载力恢复,这个过程被称为冻土回冻过程。而回冻的快慢,受到了混凝土水化热、 桩基入模温度、 土体含冰量等多个因素的影响。

模型试验有其局限,现场试验费时费钱费力,且试验点的数据结论无法推广至任意其他土体。如果研究问题规律清晰,数学模型能反映问题实质,理论分析计算是一种较好的办法。不少学者利用热量传输控制方程以及适宜的初始条件和边界条件,建立了桩-土相互作用模型,分析了桩基回冻过程、 桩侧温度场变化规律,计算结果和试验数据比对良好,这对于解决寒区桩基热稳定性问题有非常重要的指导意义。

Subasi等[13]基于模糊推理系统(ANFIS)得到水泥水化热的计算方法,提出了两种水化热预测模型。混凝土在浇筑时,桩基温度会急剧上升,随着服役期增长,水化热逐渐减弱[14](图1)。浇筑完毕后,桩周土体也会受到水化热的影响,沿桩基半径方向温度影响与离桩基中心的距离成反比,而桩底面以下土体径向受热程度要小于桩长范围内桩侧土体径向受水化热影响程度[15](图2、 图3)。陈赵育等[16]采用楚玛尔高平原现场实测年平均数据,利用C20硅酸盐混凝土,根据数值方法,得出了水化热对土层的最大扰动范围约为桩径5倍的结论。熊炜等[17]指出,施工后200 d,土体温度都难以恢复到开挖前的状态(图4),混凝土水化热对地温热扰动是一个长期过程。

在废水pH值为6、石墨烯加入量为3 mg/L、H2O2加入量为7 mL/L、n(Fe2+)∶n(H2O2)为1∶1.5条件下进行反应动力学分析,并以最适条件下的传统Fenton反应体系作为对照。

图1 距离桩侧1 m不同深度的温度曲线[14] Fig.1 Soil temperature profiles of 1-m from pile side changing with service period[14]

图2 沿桩体径向温度随时间变化[15] Fig.2 The soil temperature variations with time along the pile radial direction[15]

图3 桩底面以下2 m深度处温度随时间变化[15] Fig.3 Soil temperature at the depth of 2 meters beneath the pile bottom changing with time along the pile radial direction[15]

图4 8 m深度处土体温度随时间变化[17] Fig.4 Soil temperatures at the depth of 8-m changing with time along the pile radial direction[17]

在桩基施工过程中,回填土无法压实,往往残留大量空隙。在暖季土层融化期,水分会随着土体空隙向下移动,最后会在桩基底部形成水团; 在冬季土层冻结期,水分会随着土体空隙向上移动,导致塔基周围大量冻结,严重影响桩基稳定性[21]。而当传热量一定时,相同的土层中含冰量越高,单位面积土层吸收热量的能力越强,土体融化深度越小[16](图5),相应的碎石铺垫也要做改变。

表1 不同入模温度下的桩底融化深度[19] Table 1 Thawing depth beneath the pile bottom changing with mould temperature[19]

入模温度/℃681015桩底融化深度/cm34384455

表2 不同入模温度下的回冻效果[20] Table 2 Refreezing times and maximum temperature rises at mould temperature of 5, 10 and 15 ℃[20]

入模温度/℃最高升温/℃9#孔5#孔回冻时间/d9#孔5#孔510.22.117151013.23.324221516.54.63331

混凝土入模温度也会影响土体回冻过程。入模温度过高,将影响土体固结与强度,目前青藏铁路施工规定混凝土入模温度不得高于5 ℃[18]。随着桩基入模温度升高,桩周土体受到热源影响,将增加桩底融化深度(表1),在工程施工过程中,如果桩底产生融化层,则必须铺垫碎石来维持桩基稳定[19]。贾艳敏等[20]研究了不同入模温度下桩基的最高温度值,以及桩周土体的回冻时间,试验表明入模温度越高,回冻时间越长(表2),但该影响小于水化热对回冻时间的影响。

由上述分析可知,对于钻孔灌注桩基,在保证桩基承载能力情况下,减小桩径、 加大桩基埋深,选用低水化热的混凝土材质以及降低桩基入模温度,都能够减少桩基对周围土体的热扰动,加速土体的回冻过程。在对钻孔进行回填时,需要严格控制土体的密实度和含水量,减少水分迁移对桩基的影响,增强桩基在土体冻融过程中的稳定性。

图5 不同含冰量条件下桩基中心融化深度随时间变化[16] Fig.5 Maximum thawing depth at the center of pile changing with time and different ice contents[16]

此外,桩基热稳定性还与桩基埋深、 桩基半径大小、 桩的长短等因素有关。相同条件下,浅埋桩基与土体接触面积较大,因此其对土体热扰动较大; 深埋桩基影响相对较小,回冻过程快。随着桩基半径增大,桩基浇筑时用料必然增多,这将会增加混凝土释放的水化热,同时桩侧与土体接触面积增大,土体受影响程度变大,最终导致土体的回冻时间延长。同理,增加桩长也会延长土体的回冻时间[22]

3 气候变化的影响

为了维持桩基长期服役过程中的热稳定性,众多学者对缓解桩基冻胀融沉问题进行了深入研究[30]。从1945年开始,苏联广泛使用控制冻胀力的方法来防止基准点和桩基的破坏。另外,将桩基锚固至多年冻土层也是减轻桩基冻拔损害的一种好的方式[31]。而使用最广泛的则是土体保温材料和热管保护措施。

图6 50年后最大融化深度分布[27] Fig.6 Maximum thawing depth under different warming patterns after 50 years[27]

图7 桩基中心及天然地面的地温曲线[28] Fig.7 Ground temperature profiles of the center of pile and original ground after 2 and 50 years[28]

4 桩基保护措施

工程扰动和气候变暖是影响桩基础长期稳定性的两个重要因素[23],桩基灌注影响了土体冻融和回冻过程,而气候升温将导致冻土活动层变厚。众所周知,人类工程活动将导致全球气候变暖。金会军等[24]保守估计,到2040年,全球气温可能升高1.1 ℃。Jin等[25]预计,到2100年,年平均气温可能升高4 ℃。鉴于此,众多学者对全球变暖影响多年冻土问题开展了研究。IPCC第四次评估报告综合了人类活动、 温室气体排放、 经济发展状况等因素,预测了未来气候三种不同升温模式,分别为A2模式(高碳排放,经济快速发展,年均升温0.052 ℃)、 A1B模式(中碳排放,经济发展,年均升温0.04 ℃)和B1模式(低碳排放,环境可持续发展,年均升温0.023 ℃)[26]。针对这三种不同模式,陈赵育等[27]建立数学模型,模拟了50年后青藏高原桩基的热稳定性,图6显示在不同的气候升温速率情形下,桩基周围土体的融化深度有明显的差异,A2模式融化深度明显大于A1B和B1模式。在A2模式下,穆彦虎等[28]采用数值方法模拟了桩基及周围土体的温度变化(图7)。结果表明,在温度升高情况下,冷季地表温度和桩中心温度均会升高,由于桩基由混凝土制成,其导热系数远大于周围土体,其受大气影响更为明显。Li等[29]从冻土年平均地温出发,分析了年平均地温分别为-0.5 ℃、-1.0 ℃、 -1.5 ℃的区域(图8),发现随着气候变暖,融化深度均逐渐增加,在-0.5 ℃ 情形下融化深度增加最大,且30年后其融化深度增加率明显大于其余两者。由此得知,冻土区域年平均地温越高,受气候变暖的影响越大。全球气候变暖的趋势难以改变,为了能使桩基长期服役,保证稳定的承载能力,对桩基的保护是众多学者致力于研究的方向。

纳入标准:(1)具有脊髓型颈椎病的典型症状如肌力、感觉减退,病理征阳性等,经至少6个月保守治疗无好转者;(2)经MRI确认压迫节段至少≥3个;(3)随访时间至少为1年,并有完整的随访期复诊资料。排除标准:(1)主要症状表现为根性或轴性症状,而非压迫脊髓引起;(2)合并有后纵韧带骨化、椎管狭窄、黄韧带肥厚、骨折或肿瘤等其他颈椎疾病;(3)接受前后路联合手术,或过往经历颈椎手术者。

本研究探讨了老年脑卒中合并H型高血压与心-踝指数、颈动脉中膜厚度之间相关性,评估高同型半胱氨酸对动脉功能及结构的影响,为诊断和治疗老年脑卒中合并H型高血压提供一定的理论依据。

图8 不同年平均地温条件下桩基附近土体融化深度随时间变化[29] Fig.8 Thawing depths of the soil around the pile changing with time as mean annual ground temperature (MAGT) being -0.5, -1.0, -1.5 ℃[29]

土体铺设保温材料的目的在于降低热交换能力来减缓多年冻土的退化。从20世纪70年代起,美国、 加拿大、 日本等国家开始使用发泡聚苯乙烯(EPS)和聚氨酯(PU)作为土体保温材料[32]。由于该项措施结构简单而且花费较少,在工程上被经常采用。关于其作用机理和效果存在两种不同观点,一部分学者认为将保温材料放置在人工的冻结面上层,可以阻止多年冻土的退化; 而另一部分学者认为多年冻土退化无法阻止,土体铺设保温材料不仅阻碍了夏季高温的热交换,也妨碍了冬季低温对土体的作用,该措施只能延缓冻土退化的进程[33]。温智等[34]分析了青藏公路昆仑山保温材料(EPS)的地温观测资料,发现路基中铺设保温材料能使路基中的热交换量大为下降,并根据青藏高原5年的观测经验指出,保温材料适于用路堤地表温度较低的区域,不适用于高温区域[35]。Duan等[36]进行了土体铺设保温材料室内模型试验,结果表明虽然土体表面的热交换受到抑制,但桩基与大气的热传导过程将会影响土体温度场的分布,使用空气对流桩是一个改善该问题的好办法[37]

热管保护措施之所以能够被广泛使用,很重要一个原因就是其拥有出色的传热能力,实验证明热管的导热系数是纯铜的200~500倍[38]。在众多形式的热管中,液气封闭的热虹吸结构较为简单,经济实惠,所以多使用在热交换、 电子元件冷却、 太阳能转换等方面。热管主要靠蒸发液体工质、 冷凝蒸发气体来达到调温的作用,其工作原理如图9所示。在工程作业过程中,热管蒸发器部分被埋入土体,当冷凝器温度低于蒸发器温度时,热管开始工作,液体工质吸收热量蒸发为气体(图中蓝色部分),在压力作用下,上升至冷凝器中冷凝(图中橙色部分),由于重力作用,冷凝液将沿管壁流回蒸发器中[39]。热管如此循环工作,土体中的热量会不断被送至大气中。在实际工程中,只有当土体含冰量较高时才考虑使用热管。另外,年平均地温的差异也会影响热管的放置,当年平均地温(MAGT)高于-1 ℃时,每4个桩基对称放置8个热管,如图10(a)所示; 当年平均地温低于等于-1 ℃时,每4个桩基对称放置4个热管,如图10(b)所示[40]。在青藏直流联网工程中,热管蒸发器部分根据热管埋入深度一般制作为7~9 m长,而冷凝器部分一般为2 m长,蒸发器部分埋入土体中,冷凝器部分置于大气中[28]

图9 两相封闭热管工作示意图[39] Fig.9 Functional scheme of a two-phased closed thermosyphon[39]

图10 桩基与热管放置示意图[40] Fig.10 Two placement schematics (a, b) of the pile (black) and thermosyphon (white)[40]

在冷季时,由于热管的加速降温效果,热管周围土体温度会快速改变且呈“纺锤形”,再加上桩基导热系数大于土体,桩基受到周围热管影响,会在其底部产生冰团,这将增加桩基的承载能力[40]; 在暖季时,热管停止工作,浅层土体温度主要受到大气温度的影响,而桩基导热系数大于土体,所以桩基周围的融化层要比天然土体大[41]。尤其是浅埋桩基,在暖季时融沉剧烈,为了解决这一的问题,Mu等[42]利用数值模拟的办法,在使用热管的同时在土体表面铺上保温材料,计算结果表明这种结合使用的保护措施能够有效减少桩基周围土体最大融化深度。

5 小结与展望

本文从工程活动影响、 气候变暖影响和桩基保护措施三个方面对桩基热稳定性进行了总结。文中大多文献涉及青藏高原现场观测数据、 数值模拟物理参数等。青藏高原纬度低,相对于高纬度地区而言,其多年冻土层较薄,气温较高,地温梯度变化大,对环境变化也更敏感,很多研究结果或工程经验无法与高纬度地区通用[43],但二者的研究思路和方法都是一致的。

众多学者对桩基热稳定性开展研究,鲜有文章涉及回填过程中土体不密实导致地表水渗入的情况,含水量的变化对冻土热扰动及热管的冷却作用存在重要的影响。Duan等[10]认为桩基与大气间的传热会影响土体温度分布,导致桩基周围冻土活动层发生变化。Lyazgin等[44]指出,桩基截面形状可以影响桩基的承载力。而桩基形状对土体温度分布是否有影响也是接下来值得研究的问题。

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陈辉,张泽,冯文杰,史向阳,明姣,杜玉霞
《冰川冻土》 2018年第2期
《冰川冻土》2018年第2期文献

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