（岩土工程专业论文）冻融环境下单桩的沉降特性研究.pdf

论文题目：冻融环境下单桩的沉降特性研究 专业：岩土工程 硕士生：范建兵 指导教师：杨更社 摘要 ( 签名) ( 签名)确争轩 随着西部大开发战略的实施和青藏铁路的修建，桩基础在寒区冻土工程中的应用越 来越多。寒区桩基的沉降是桩基设计的重要方面，其沉降特性一直是众多学者的研究热 点。本文在国内外学者研究的基础上，采用理论研究和数值模拟相结合的方法对寒区的 单桩沉降特性进行了研究。 在分析单桩的载荷传递机理、单桩的破坏模式的基础上，重点探讨了单桩沉降的载 荷传递法和剪切变形法。考虑到土的成层性和桩周摩阻力的变化，对库克剪切变形法进 行了探讨，使之更符合实际情况。根据冻土的力学特性，为更好地反映桩与土之间共同 作用的实际情况，分别建立季节性冻土区和永久性冻土区不同的单桩沉降力学模型，并 由此给出季节性冻土区和永久性冻土区单桩沉降的计算方法，进行了算例分析。运用大 型有限元软件a n s y s 进行了数值模拟，桩与土之间使用了接触面单元，并与本文的理论 计算方法得出的结果进行了对比分析。结果表明两者计算出的桩顶沉降随融深变化的趋 势基本一致，验证了本文理论计算方法的合理性，为实际工程的设计施工提供参考。 关键词：冻土；冻融；沉降：数值模拟 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：as t u d yo fs u b s i d e n c ec h a r a c t e r i s t i c s o fs i n g l ep i l eu n d e r f r e e z i n g - t h a w i n gc y c l ec o n d i t i o n s s p e c i a l t y ：g e o t e e h n i e a le n g i n e e r i n g n a m e：f a nj i a n b i n g i n s t r u c t o r ：y a n gg e n g s h e a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew e s to fc h i n aa n dt h ec o n s t r u c t i o no fq i n g z a n gr a i l w a y , p i l ef o u n d a t i o n sa l ea p p l i e de x t e n s i v e l yi nf r o z e ns o i le n g i n e e r i n gi nc o d er e g i o n t h e s u b s i d e n c eo fp i l ef o u n d a t i o n si st h em a i na n di m p o r t a n ta s p e c ti np i l ef o u n d a t i o nd e s i g na n d i t sc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l w a y sm a n ys c h o l a r s h o t s p o t t h es u b s i d e n c ec h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e p i l ei nc o l dr e g i o na r es t u d i e da n ds o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w n 、析t l lt h em e t h o do ft h e o r y s t u d y a n d c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，b a s e d o nt h ed o m e s t i ca n d f o r e i g ns c h o l a r s s t u d y a c h i e v e m e n t si nt h i sf i e l d o nt h eb a s i so fl o a dt r a n s f e rm e c h a n i s ma n dd e s t r u c t i o np a t t e m so fs i n g l ep i l e ，l o a d t r a n s f e rm e t h o da n ds h e a r i n gd e f o r m a t i o nm e t h o df o rs u b s i d e n c ec o m p u t i n go f s i n g l ep i l ea r e m a i n l yd i s c u s s e d c o n s i d e r i n gt h el a y e ro fs o i lm a s sa n dt h ec h a n g eo fb o d yf r i c t i o nf o r c eo f s i n g l ep i l e ，c o o k e ss h e a r i n gd e f o r m a t i o nm e t h o di sd i s c u s s e da n di sm a d et ob et a l l y 诚mt h e a c t u a l s i t u a t i o n a c c o r d i n gt o i t sm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t of u r t h e rs h o wt h ea c t u a l s i t u a t i o no fi n t e r a c t i o nb e t w e e n p i l ea n d s o i lm a s s ，d i f f e r e n t s i n g l ep i l e s u b s i d e n c e c o m p u t a t i o nm o d e l sa r eb u i l ti ns e a s o n a lf r o z e nz o n ea n dp e r m a f r o s tz o n e ac o m p u t i n g e x a m p l ei sg i v e na n da n a l y z e d i nt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no ff e m s o f t w a r ea n s y s ，c o n t a c t s u r f a c ee l e m e n ti su s e d i t sc o m p u t a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d 、析t 1 1t h er e s u l t s u s e dt h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o nm e t h o do ft h i st h e s i s i ts h o w st h a tt h et e n d e n c i e so ft o p s u b s i d e n c eo fp i l ea l o n gw i t ht h ec h a n g eo ft h a w i n gd e p t ha r em a i n l yc o n s i s t e n ti nt h e s et w o r e s u l t sa n dp r o v e st h er a t i o n a l i t yo ft h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o nm e t h o do ft h i st h e s i s s o ，i t p r o v i d e sr e f e r e n c ei nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fp i l ei np r a c t i c a le n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：f r o z e ns o i l f r e e z i n g - t h a w i n g s u b s i d e n c en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技夫擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；，m 侈- j l 六日期：力多旁# 日日 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：囊辨 指导教师签名：彳桶撕 沙o6 年参月2 日 1 绪论 1 绪论 1 1 论文选题背景和研究意义 我国幅员辽阔且是世界多年冻土分布面积的第三大国，其中多年冻土区面积达 2 1 5 x 1 0 6 k m 2 ，占国土面积的2 2 3 ，如果包括季节冻土在内，我国冻土面积约占国土面 积的7 5 ，北方各省和西部的青藏高原均属于永久性冻土区或季节性冻土区。多年冻土 主要分布在大小兴安岭、青藏高原和西部高山地区。而其中青藏高原的多年冻土分布面 积占我国多年冻土面积的7 0 ，为中低纬地带海拔最高、面积最大的多年冻土区。 随着我国西部大开发的推进，西部工程建设和资源的开发利用在我国的国民经济建 设中占有相当重要的地位。西部开发中所涉及到的各类工程非常广泛，其中包括水利 水电工程、道路建设工程、工业和民用建筑工程及采矿工程等，修建青藏铁路就是其中 之一。 西藏自治区地处祖国西南边陲的青藏高原，面积1 2 2 万k m 2 ，平均海拔4 0 0 0 m 以上。 西藏自治区是目前我国唯一不通铁路的省级行政区，进出西藏主要依靠公路和航空运 输。交通运输设施的落后，已经严重制约了这一地区经济、社会的发展，使之成为我国 主要的贫困地区之一。修建青藏铁路不仅是全国各族人民、青藏地区人民多年的梦想和 新中国老一辈领导人和几代建设者的夙愿，同时也是克服目前的交通“瓶颈”，加快青 海、西藏两省区经济发展，促进西部大开发的客观需要。 青藏铁路由青海省西宁市至西藏自治区拉萨市，全长1 9 5 6 k m 。其中，西宁至格尔 木段长8 1 4 k m ，1 9 7 9 年建成铺通，1 9 8 4 年投入运营。格尔木至拉萨段，全长1 1 4 2 k m 。 在青藏高原这种原始、独特、脆弱、敏感的地理生态环境中修建的青藏铁路是世界上海 拔最高、线路最长的高原铁路，翻越唐古拉山的铁路最高点海拔5 0 7 2 m ，经过海拔4 0 0 0 m 以上地段9 6 0 k m ，其中多年冻土地段约6 0 0 k m ，连续多年冻土区5 5 0 k m 以上。 “冻土 问题是青藏铁路修建的两大关键问题之一，青藏铁路穿越了广大的冻土地 区。冻土作为一个极为重要的关键因素，对工程的影响必须进行深入的研究，以此来保 证青藏铁路工程的顺利实施和正常运营。 冻土是一种对温度十分敏感且物理力学性质极不稳定的土体，由于冻土中冰的存在 决定了寒区工程建设独有的特点。人类的工程活动或多或少地破坏了土层中的水热平 衡，从而促进了土中冰的生长或消融，加大土体的冻结和融化深度，如不采取与一般条 件不同的特殊措施和方法，则既可能引起多年冻土区工程建筑物运行遭受冻害威胁，也 可能造成严重的经济浪费。由于冻害( 冻胀、融沉等) 的经常发生，造成寒区工程的 大规模破坏或不能正常运营，给国家造成了巨大的经济损失。同时地处寒区的各类已建、 西安科技大学硕士学位论文 在建、拟建工程，如房建工程、铁路工程、公路工程、水利工程、矿山工程、林业工程 等占全国工程总量的比重相当大，因此研究寒区冻融对工程的影响具有很大的实际意 义。 冻融，是指岩土的冻胀和融沉及其综合作用。在自然界中，尤其是在我国的西部， 由于季节更替，昼夜循环，会产生正负的温度差异，会对岩土体，尤其是强度较低含水 率较高的岩土体力学性质产生重要的影响。在负温条件下，土中的水冻结成冰，而在正 温条件下，土中的冰化成水。随着温度的变化，土中水常常由一种物理状态变成另一种 物理状态，在这一变化过程中，土体就会出现冻胀和融沉现象。土的冻胀主要是因为土 中原含水分和迁移而来的水分结晶，体积膨胀，引起冻土体积增大，结果在土层中产生 冻胀力，导致地表出现变形。土的融沉是冻土中冰融化变成水，体积缩小，导致土体内 出现的固结沉降。同时在连续冻融循环条件下，冻融会对土的结构性产生影响，从而影 响其力学性质。冻胀、融沉及连续冻融对岩土体的影响是我国西部岩土工程中所必须考 虑的因素。冻胀和融沉常造成建筑物基础被破坏，地面下沉，房屋开裂，道路路基变形， 影响交通运输。同样修建青藏铁路的过程中同样会遇到这类问题。 为解决上述问题，青藏铁路格尔木至拉萨段设有多座以桥代路特大桥，沿线方向依 次为不冻泉、巴拉大才曲、清水河、楚马尔河、可可西里、秀北、冬南、雅玛尔河、夏 北、夏南特大桥等。综合来看，青藏铁路以桥代路区段均位于连续多年冻土地带，大部 分属高温极不稳定多年冻土区，冻土地温一般在o 2 左右。沿线地势开阔，地形平坦， 植被稀疏。桥址范围内主要地层上部多为第四系全新统洪积粘性土、砂类土、圆砾石、 卵石( 碎石) 类土，下伏岩层多为泥岩、泥灰岩，局部地层中分布含土冰层。不良地质现 象主要表现为上限以下地层大多为多冰、富冰、饱冰冻土及含土冰层，而且含土冰层厚 度大、埋深浅、分布范围广，下伏的泥灰岩承载力低。在冻土区非河流地段，冻土的温 度和水分特征( 高温和高含冰量冻土地段) 决定了如果采取路基通过，现有路基结构形 式在热传导特性上还没有绝对的把握以保证冻土的热稳定性和路基的稳定性，而如果采 取合适的桩基类型的桥梁通过该类地段，则在技术上有更大的可靠性。 目前青藏铁路这样的冻土桥梁设计己增加到1 5 6 7 k m ，其代表性工程是其中位于海 拔4 7 6 8 m 昆仑山南麓可可西里的清水河特大桥，全长1 1 7 0 3 6 2 m 。由于清水河地区属于 多年冻土区，为解决冻土冻胀和融沉带来的危害问题，保证铁路路基的稳定性，此段路 基采取了“以桥代路的形式。可可西里自然保护区是藏羚羊、藏野驴等国家珍稀野生 动物频繁迁徙的地区，因此该桥的修建保证了野生动物可以自由迁徙。 此外，在这些“以桥代路”工程中，还有西藏境内第一长桥、青藏铁路第二长桥， 全长3 31 8 8 8 m 的头二九特大桥；藏北草原第一长桥全长1 9 5 0 8 8 m 的那曲特大桥； 穿过藏北明珠当雄县广阔沼泽湿地全长1 6 4 5 m 的当雄特大桥；海拔最高( 最高5 0 6 1m ) 全长7 3 1 0 9m 的唐古拉雪水河特大桥以及西藏境内跨冻土湿地在1 8 坡道上而建的全 2 1 绪论 长4 6 9 m 巴嘎榨大桥等。 根据冻土的观察数据以及考虑到全球变暖趋势的影响，设计部门已经将部分冻土地 段的铁路优化设计并“以桥代路”，确保冻土区工程的稳定性。“以桥代路”工程从原设 计的7 0 多k m 增加到1 5 6 7 k m ，其中冻土区“以桥代路 桥梁长达1 2 3 3 k m ，多年冻土 区线路近四分之一部分采取“以桥代路”通过。全线共建设大中型桥梁3 1 7 座，沿线的 一座座桥梁形成了雪域高原上一条亮丽的风景线。 由于冻土自身的特点，“以桥代路”工程中的桥梁广泛使用桩基础，使得桩的使用 量非常大，其中那曲特大桥用桩2 4 4 根，西藏境内的当雄特大桥所用钻孔灌注桩3 9 6 根，第一长桥清水河大桥用桩2 8 7 8 根。同时由于冻土自身的特点，寒区的其它建筑物 也使用桩基础。鉴于寒区冻土冻融循环变化以及其对建筑物造成的严重破坏，因此有必 要对寒区冻融环境下的单桩沉降特性进行研究，且长期以来冻融环境下的桩基沉降研究 就是寒区桩基工程研究中的重点和难点，因此有必要进行系统深入的研究。 1 2 本论文的国内外研究现状 1 2 1 桩基础的发展及研究现状 ( 1 ) 桩基础的由来和发展 桩基础是人类在软弱地基上建造建筑物的一种创造，是最古老、最基本的一种基础 类型。最早使用的是木桩，其使用源远流长。 1 9 8 1 年1 月，美国肯塔基大学的考古学家，在太平洋东南岸智利的蒙特维尔德附近 的森林里发现一间支撑于木桩的木屋。放射性碳6 0 检测结果表明，该桩距今至少已有 1 2 0 0 0 - - 1 4 0 0 0 年历史，是目前发现的最早使用的桩【l j 。 我国的考古学家于1 9 7 3 - 1 9 7 8 年间，在浙江省余姚市河姆渡村发掘新石器时代文 化遗址时，出土了占地约4 万m 2 的大量木结构遗址，其中有木桩数百根，其中圆桩直 约6 0 m m 1 8 0 m m 不等，方桩截面约6 0 m m l o o m m - - - 1 5 0 m m 1 8 0 m m 不等，板桩 厚度约1 4 m m - - 4 0 m m ，厚度约l o o m m - - 5 0 0 m m 不等。经测定，该处浅层和深层文化层 大约距今6 0 0 0 - 7 0 0 0 年，这是全球迄今发现的规模最大的木桩遗址。表明人类早在新 石器时代就设法以石器砍削成形的圆形、方形和板状木桩，在湖泊和沼泽地里成行排列 搭台作为水上住所，为的是不占耕地、防止敌人侵犯和猛兽袭击【2 】。 我国汉朝已用木桩修桥。到了宋朝，桩基技术己比较成熟。我国古代许多建造于软 弱地基上的重型、高耸建筑物以及历史名桥都是成功地运用了桩基础，才经受住无数次 地震破坏和海浪冲击而不失当年雄姿。今上海市的龙华塔和山西太原的晋祠圣母殿，都 是现存的北宋年代修建的桩基建筑物。至今在英国也保存有一些罗马时代修建的以木桩 为基础的建筑。直至2 0 世纪初，在上海建造的国际饭店、锦江饭店等2 0 层左右的标志 西安科技大学硕士学位论文 性建筑物还都采用了1 0 多米长的木桩【l 】。 人类应用木桩经历了漫长的历史时期。到1 9 世纪2 0 年代，开始使用铸铁桩修筑围 堰和码头。直到1 9 世纪后期，钢、水泥、混凝土和钢筋混凝土相继问世，它们先后被 用于桥梁、房屋等的各种上部结构，接着均被成功用作制桩材料。2 0 世纪初，美国出现 了各种型式的型钢，特别是h 型的钢桩受到营造商的重视。美国密西西比河上的钢桥大 量采用钢桩基础，3 0 年代开始在欧洲也被广泛采用。二次大战后，随着冶炼技术的发展， 各种直径的钢管桩陆续应用于基础工程。上海宝钢在工程中曾使用直径为9 0 e m ，长度 为6 0 m 的钢桩基础。到2 0 世纪末，上海建造的如8 8 层金茂大厦等超高层建筑，已经采 用了8 0 多米长的钢管桩【3 1 。 以混凝土或钢筋混凝土为材料的另一种类型的桩，是就地灌注混凝土桩。本世纪2 0 年代到3 0 年代已出现沉管灌注混凝土桩。上海在上世纪3 0 年代修建的一些高层建筑的 基础，就曾采用沉管灌注混凝土桩。到了5 0 年代，随着大型钻孔机械的发展，出现了 钻孔灌注混凝土桩或钢筋混凝土桩。 从成桩工艺的发展过程看，最早使用的桩基施工方法是打入法。打入的工艺从手锤 到自由落锤，然后发展到蒸汽驱动、柴油驱动和压缩空气为动力的各种打桩机。此外还 发展了电动的震动打桩机和静力压桩机 4 1 。 总之，在近代由于新材料和先进施工机械的出现，为桩基础的飞跃发展创造了条件。 今天它已成为高层建筑、大桥、码头和石油海洋平台等最常用的基础形式。在施工技术 进步、桩型开发应用和设计理论研究等方面至今仍然异常活跃，显示出桩基础强大的生 命力和广阔的发展前景。 ( 2 ) 单桩承载力的确定 桩基承载力的分析和确定被认为是桩基设计最困难的问题之一。为解决这一问题， 人们做了大量的理论研究、室内模拟试验和现场试验，提出了许多计算和确定承载力的 方法。不过，可以说迄今为止尚未找到求解桩基承载力问题的较为完善的方法。尽管已 研究和提出的方法其数量是庞大的，途径是多样的，但都不够理想，都存在着这样或那 样的不足和缺点。桩基设计的最终目的是使桩基础能满足上部结构在承载力和容许变形 方面的要求。桩的承载力确定的主要方法可以分为以下几大类：静力计算法、原位测试 法和经验法。 静力计算法 静力计算法的实质是求得桩的桩端阻力和桩侧摩阻力，由二者之和得到单桩的承裁 力。 原位测试法 原位测试法确定单桩的承载力最常用的方法有：静力触探试验，标准贯入试验和旁 压试验。 4 1 绪论 经验法 建筑桩基技术规范中的方法【5 j 建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - - 9 4 ) 采用以可靠性理论为基础的概率极限状态设计 法，以可靠度指标1 3 度量桩基的可靠度，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行 设计。 铁路桥涵设计规范中的方法【6 】 该方法给出了极限侧阻力、极限端阻力的经验值，并以此求得极限承载力除以安全 系数得到容许承载力。极限侧阻力只随土的类别和状态而变；极限端阻力则对于粘性土 只随土的状态而变，对于粗粒土除了随密实度而变化外，还考虑了深度效应。 此外还有前苏联建筑法中使用的方法。 总体而言，由上述方法确定的承载力由于其经验性很强，忽略因素比较多，故准确 性也比较低，不能随意搬用。但因其理论和方法比较简单，因此常用于非重要工程的设 计和初步设计。 ( 3 ) 单桩沉降法的计算方法 目前计算单桩沉降的方法主要有弹性理论法、分层总和法、剪切变形传递法、荷载 传递分析法及有限元分析法等五大类。 弹性理论法 弹性理论法把地基土看作是均匀、连续、各向同性的线弹性半空间体，用弹性连续 介质理论去模拟桩基土体的荷载响应。以弹性理论为依据的各种计算沉降的方法一般都 在桩的位移与临近土的位移之间给予了相互协调的条件，借助于轴向荷载下桩身的压缩 求得桩的位移，又应用荷载作用于半无限体内一点所产生的m i n d i i n 位移解求得桩周土 体的位移。由于弹性理论假定桩土界面普遍满足弹性，即界面不发生滑移这一条件， 沿界面诸相邻点的桩的位移应与土的位移相等，由此即可解得桩身摩阻力和桩端阻力的 分布，并进而求得桩的位移分布。最具有代表性的是p o u l o u s 法的分析原理【_ 7 1 。弹性理 论法把土体看作线弹性体，用弹性模量e 。和泊松比两个变形指标表示土的性能( 主要 是弹性模量e 。) 。但是由于取得比较精确的e 值的很困难，该方法的推广使用受到了限 制。另外，该方法由于假定土体为线弹性体，因此，该方法适合在当桩承受的荷载不是 很大的时候。而当桩承受的荷载较大，桩土之间的相对变形比较大时，用该方法计算的 结果误差较大。又由于该方法的计算工作量很大，在求解分层土时难度就更大，很难用 手工求解，这样也限制了它的推广【l 】【8 】【9 】。 分层总和法 分层总和法是根据桩端各土层的参数分别计算各层的沉降然后由各层沉降之和求 得沉降量。该方法是计算建筑物浅基础沉降量最常用和最简便的方法。该方法主要适用 于桩径大，桩侧摩阻力的荷载分担比小，桩端底面积大时的沉降计算。该方法不能考虑 西安科技大学硕士学位论文 桩侧的摩阻力，单桩本身的弹性压缩产生的沉降以及桩与土间的滑移对沉降结果的影 响。 剪切变形传递法 剪切变形传递法由c o o k e 提出【l0 1 。为了简化计算，在建立摩擦桩的荷载传递物理模 型时，作了如下假定：( 1 ) 当荷载水平较低时，桩在轴向荷载p 的作用下的沉降较小，桩 与土间不产生相对位移，即桩沉降时周围土体随之发生剪切变形，剪应力r 从桩侧表面 沿径向扩散到土体中去；( 2 ) 分析时假定桩侧上下土层之间没有相互作用；( 3 ) 摩擦桩一 般在工作荷载时，桩端承担的荷载比例较小，沉降主要由桩侧传递的荷载所引起。该方 法也过于简单，忽略的影响因素较多，如地基土的成层性，土参数随深度的变化，桩端 沉降等。 荷载传递分析法 荷载传递分析法由s e e d 和r e e s e 首先提出【1 1 1 ，后经k e z d i 【1 2 1 、佐藤悟【1 3 1 、c o y l e 和r e e s e 1 4 1 、v i j a y v e r g i g a 1 5 】等人相继发展。我国学者潘时声【1 6 】等人也作了大量的工作。 有限元法 有限元方法是2 0 世纪六七十年代发展起来的强有力的数值分析方法，并且随着个 人计算机的普及和发展，它几乎成为最为强大的数值分析方法。c l o u g h 等( 1 9 6 6 ) 首先将 有限元引入到土力学计算分析中【l 7 1 。由于其解决问题的可靠性和有效性，有限元法在桩 基工程中也得到了广泛的推广和应用。它可以在计算中同时考虑影响桩基础性能的许多 因素，比如土的非线性、固结时效性以及动力性能等性质。d e s a i ( 1 9 7 4 ) 应用了二维等效 的平面应变模型来分析群桩问题【l8 1 。p o u l o s 应用轴对称的形式分析群桩问题，并且将土 体考虑为理想弹塑性连续体【1 9 1 。c h e u n g 等( 1 9 9 1 ) 考虑了土体的弹塑性性质和分层性质来 进行单桩性状的分析【2 0 】。陈雨孙、周e ( 1 9 8 7 ) 在桩土之间引入了节理单元以模拟桩土之 间的滑移，对纯摩擦型的钻孔灌注桩进行了有限元分析1 2 l j 。汪克让和荆勇对桩基础进行 了三维的弹塑性分析【2 2 j 。 总之，上述几种方法都存在合理科学地选取桩、土参数，也即如何确定桩身的应力 应变关系，桩土接触面的应力一应变关系，土的应力应变关系，这也是分析桩土相互作 用的关键所在。几种方法各有优缺点。弹性理论法能考虑土的连续性，在一定程度上能 考虑桩与土的相互作用，但其在理论上存在缺陷，分析桩的非线性受力特征存在困难； 剪切位移法原理简单，基本假设合理，但在群桩分析中，未能考虑第三根桩以外桩的存 在；荷载传递法机理比较方便，传递函数曲线的测得是个难点；有限元法能考虑地基土 的不均匀性及桩与土的相对滑移、大桩引起的参与荷载影响，是分析桩的工作性能的比 较有效手段。桩与土之间的荷载传递形式实际上是曲线形的，将其假定为折线型传递函 数的目的主要是为了能够求解出桩身荷载传递基本微分方程的解析解，而曲线型传递函 数则更符合桩与土之间的荷载传递特性，但无法求出闭合的解析式，需要运用数值求解 6 1 绪论 的方法。 1 2 2 冻土工程的发展及研究现状 寒区冻土已有1 6 0 多年的研究历史，但直至1 9 世纪前期，冻土及其温度场的研究 基本认为是初步探索过程。1 8 9 0 年俄国成立了冻土委员会，此后开展了较广泛的研究。 1 9 2 7 年，前苏联科学家苏姆金的苏联境内永久冻结土壤一书问世，标志着冻土学开 始成为一门独立学科。1 9 2 9 年苏联科学院成立世界上第一个研究冻土的专门机构一多年 冻土研究常务委员会。北美、西北欧等其它国家和地区，与苏联一样，主要是自然资源 的开发推动了这些国家冻土温度场及相关学科研究的进展。上个世纪期阿拉斯加的开 发，1 9 4 2 北美战备公路的严重冻害，开始了冻土方面理论上较全面的研究。在加拿大这 项研究的蓬勃发展也主要源于极地多年冻土区石油天然气等资源的开采。7 0 年代后，这 些国家相继进入研究的高潮，除自然资源开发的需要外，其主要原因之一是现代检测手 段和计算技术在冻土研究中得到充分应用。 前苏联在1 9 世纪6 0 年代后，随着西伯利亚的开发，铁道的建筑，开始对冻土进行 广泛的研究幽j 。在1 9 0 4 1 9 1 4 年间修建的阿穆尔铁路常因冻融影响而损坏，每年要耗费 大量的资金维护，促使进一步对冻土工程地质的研究，并在后来的贝加尔一阿穆尔铁路 干线修建中完成了大量的冻土研究工作【2 4 】。前苏联在冻土力学、冻土温度状况计算等理 论分析方面有其独到的见解，对冻土学研究有很大的借鉴作用。 在北美，第二次世界大战以前主要进行了一些与道路工程相关的季节冻土研究和在 地质勘探过程中附带进行了多年冻土的研究。第二次大战中，美国军事部门在亚北极地 区的建设中遇到了困难，于是开始了对工程冻土学的大规模研究。1 9 6 2 年，美国陆军部 将北极建设与冻结作用实验和多年冻土研究所合并成立了寒区研究和工程实验室 ( c 也l ) ，专门从事北极战争条件、房屋建筑、道路工程等研究。6 0 年代以来，北极 海洋石油大量开发，开始了北极海岸和海底多年冻土研究。1 9 7 5 1 9 9 7 年在多年冻土和 冻土环境保持问题的认真研究的基础上，修成了贯穿阿拉斯加南北长达1 2 8 0 k m 的石油 管线。在加拿大，除国家建筑研究所以外，还有能源矿产资源部，运输部等进行冻土工 程研究【2 5 1 。 中国对冻土现象早有记载【2 引，如徐霞客游记曾提及山西五台山顶有“龙翻石”。 但我国对冻土开展系统的研究起步较晚直到2 0 世纪6 0 年代以后，正式开始研究仅有3 0 余年历史。上世纪5 0 年代，余力教授开始对人工冻结凿井温度场进行研究。徐攸在( 1 9 6 2 ) 研究了天然细砂地基的温度场。在此期间，主要开展室内外观测和实验的经验方程计算 研究；用稳定非稳定一维线性问题的解析法和半解析法进行研究。直至7 0 年代后期， 才逐渐开展非线性相变温度场的数值模拟。国内土的冻胀与建筑物冻害防治( 童长 江、管枫年等【2 7 】，1 9 8 5 ) 、冻土中水分迁移的实验研究( 徐学租、邓友生等【2 引，1 9 9 1 ) 、 7 西安科技大学硕士学位论文 土体冻胀和盐胀机理( 徐学租、王家澄等【2 9 。，1 9 9 5 ) 、冻融土中的水热输运问题 ( 李述训、程国栋【3 0 1 ，1 9 9 5 ) 等从不同的侧面对冻土物理学的发展做出了贡献。 国内，冻土力学的研究按研究内容分为：实验冻土力学与应用冻土力学。吴紫汪、 马巍在研究不同围压下冻土的三轴抗剪强度特性时发现：冻土与普通融土有相同的强度 性质，即冻土的抗剪强度随围压增大而增大，但当围压超过某一极值时冻土弱化，这是 由于围压的继续增大加速了孔隙冰的压融，降低了冻土颗粒间联结强度【3 l 】。朱林楠等对 冻土退化环境下的道路工程提出了严格保护、部分保护、不保护等四项设计原则与设计 方法【3 2 j 【3 引。李东庆在研究气候变暖和人为因素共同作用下多年冻土退化的情况下路堤临 界高度时，引进道路营运时间并应用了动态模拟分析计算方法【3 4 】。刘鸿绪对建筑的不同 基础下的冻胀力进行了系统分析与评述【3 引。丁靖康对冻土区挡土建筑物的设计和冻胀力 计算进行了分析研究【36 。对于冻土破坏机理和蠕变机制的了解，苗天德等提出了冻土蠕 变的微结构损伤理论及通过构造冻土蠕变耗散势提出了相应的损伤演化方程p 7 】【3 8 】。对影 响冻土力学性质的根本因素水、热迁移的理论研究也有着各自的发展。 至今，在我国己基本形成包括普通冻土、冻土的物理力学和工程冻土的较完整的冻 土学研究体系，从定性到定量，从宏观到微观，从理论到实践，进入全面发展的时期。 冻土学的研究工作为寒区工程的建设奠定了良好的基础。 1 2 3 寒区桩基工程的发展及研究现状 桩基础是应用比较广泛的一种基础类型，在寒区工程中也得到了广泛的使用。在现 场试验和理论分析方面，国内外的许多学者开展了大量的工作并取得了丰硕的成果。在 深季节冻结区或高含冰量多年冻土，如果建筑物在冻土敏感地基上，桩基可提供很多优 点，桩基施工对热动态干扰最小，可以最小程度地使结构物受到冻土冻融的影响以及免 受多年冻土退化的影响，桩能把结构物荷载传送到结构物使用期内土支承强度保持相对 稳定的深度【2 5 j 。 在不良地质条件如饱冰、富冰冻土，青藏铁路设计方案之一为旱桥方案，即“以桥 代路”，来保证路基的稳定性。其基础通常为桩基或柱基，桩基通常又为摩擦桩，桩身 材料为混凝土【3 9 1 。多年冻土地区混凝土桩有以下三种，各有优缺点【4 0 1 ： 钻孔打入桩 适用于不含块石和漂石的由粘性土、砂性土和卵砾石土所构成的塑性冻土地基。其 优点是前期承载力较高，可以连续施工；对桩周地温的扰动较小，回冻较快。缺点是： 需要配备打桩设备；桩的平面位置和标高不易控制，不利于拼装化；受施工机械限制， 桩径不大。 钻孔插入桩 适用于各种岩性和冻土条件的地基。其优点是：适用于各类冻土地基；施工设备较 8 1 绪论 简单；桩位及标高容易控制，有利于承台、梁的拼装化；对初始温度低的地基，能较快 回冻，连续施工。缺点是：对初始温度较高的地基，回冻时间较长，前期承载力低，不 能连续施工；受施工机械的限制，桩径也不大。 钻孔灌注桩 由于低温早强混凝土的试验成功，使多年冻土地区采用钻孔灌注桩成为可能。适用 于多年地温低于5 的各类冻土中。其优点是：承载力大；施工设备较简单，并且能充 分利用当地的砂石料。缺点是：对桩周地温的扰动较大，回冻时间较长，不能连续施工。 ( 1 ) 国外对冻土中桩基的研究进展 美国陆军部冷区研究与工程实验室【2 5 】在费尔班克斯多年冻土区，根据工程所在环境 的特殊性，在低温早强混凝土的试验成功以前，在多年冻土区优先使用钻孔插入桩。改 变桩身的表面可提高冻结力，更好地理解冻土的流变性能有助于我们理解包括能改善预 测桩的承载力的桩的工作机理。冻土中桩周的冻结强度受桩身材料及桩身尺寸、桩的安 装方法、回填材料、冻土的流变和加荷方法的影响。冻土的应变速率、地温、土冰中的 混合物对桩的承载力影响最大。土的类型、地温己给定，可调整桩的材料及其尺寸和回 填材料来优化桩的承载力。对于以沿桩表面摩擦发挥其支承作用的摩擦桩，在多年冻土 区一年中最危险的时期通常是晚夏至初冬，那时荷载主要支承深度处的多年冻土的温度 处在其最暖期。 。 k w b i g g a r 和d c s e g 0 1 4 1 】【4 2 】在加拿大盐质永久冻土区进行了单桩载荷试验， 发现回填材料的不同，可使得桩与回填材料相接触界面的强度比回填材料与冻土相接触 界面的强度大，这样桩的承载力受回填材料与冻土相接触界面的剪切强度所控制，承担 荷载的表面积增大，可充分调动冻土的剪切强度，对于给定的桩，不加大桩的尺寸即可 增加桩的承载力。 俄罗斯费奥多罗维奇等【2 4 j 对西西伯利亚北部多年冻土上建筑物桩结构的改进进行 了总结，认为需要增加充填于钻孔与桩之间空隙中砂浆的强度，使得沿桩的侧面的总抗 剪强度等于沿砂浆与孔壁多年冻土接触面的总抗剪强度，因此桩端下的压力实际转移到 整个面积上，地基土的强度性质完全被利用，但对这种地基土而言，桩的最大承载力已 经取决于钻孔的大小，桩的截面不变，沿桩长度的强度相等，不可避免使桩中下部的材 料性质未被充分利用，中部不到一半，下部只达1 0 - - - 1 5 ，甚至更低。因而提出组合桩、 变截面桩、带有横向格栅构件的桩、上下部构件采用不同材料的桩，这些改进不仅使得 桩承载更加合理，而且降低桩的成本1 2 2 3 。 俄罗斯塔尔古良、戈尔斯特【2 4 】对贝加尔一阿穆尔铁路干线条件下设置桩基的方法进 行了探讨，认为一般采取的融土沉桩法不太适合或完全不适合多年冻土，推荐了3 种多 年冻土沉桩法并分析了其优缺点和适用性。还介绍了一种使用蒸气振动导管在冻土中掘 进的新方法。 9 西安科技大学硕士学位论文 v y a l o v , s s ，s l e p a k ，m e ，l u n e v , m v 1 4 3 j 介绍了试验室和现场在冻土中单桩和群桩 的承载特性，表明土变形的特征受桩间距和土的性状影响，对于大间距，群桩的承载能 力由群桩中单桩的承载力和单桩的数目所决定，对于小间距，关系是不确定的而且需要 对桩的沉降进行特殊的分析，提出了基于理论研究的单桩和群桩沉降公式，强烈表示通 过应用应变硬化蠕变理论来考虑冻土的流变特性。 此外，加拿大u n i v e r s i t yo fm a n i t o b a ( 马尼托巴大学) 的p u s w e w a l a 等建立了冻土与 结构物相互作用的计算模型畔】。 ( 2 ) 国内对冻土中桩基的研究进展 我国从8 0 年代起，对多年冻土地区桩基础的应用开展了大量试验和研究工作，相 继开展了桥涵地基土的冻胀性、桩基础抗冻拔等课题的研究，对桩基础与冻土之间的热 平衡关系，垂直与水平承载力、设计计算方法、参数选择和适用范围进行了较为深入的 探讨，并在青藏高原多年冻上地区建造了五道梁、清水河和昆仑山三个桩基础试验场【4 5 】。 铁道部科学研究院西北研究所励国良等【4 0 】在青藏高原进行了多年冻土地区桩基试 验研究，包括钢筋混凝土钻孔打入桩、钻孔插入桩、钻孔灌注桩，探索了施工工艺、回 冻过程、适用条件及工程评价，提出了多年冻土地区桩的水平、垂直荷载试验方法，利 用试验中得出的实测位移、弯矩数据，采用差分并结合优选的方法，反算出了地基系数 的分布及各种设计参数，供有关工程使用，并对试验数据进行了系统的归纳和总结，得 出了一些很有实用价值的结论。 中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室张建明、朱元林、张家懿 【4 6 】对冻土中模型桩在动载作用下进行了沉降试验研究，试验结果表明，冻土中桩的沉降 过程主要是冻土在剪应力荷载作用下的流变过程。桩的沉降速度随冻土温度的升高而增 大，随桩表面粗糙度的增大而减小，随地基刚度的增大而增大等与普通土中桩承载特性 相似的规律。当冻土中含水量达到饱和时，桩的沉降速度最小，当荷载水平较高时，对 应于动载下的沉降速度小于静载，随着荷载水平的降低，动载与静载对沉降速度的影响 效果逐渐接近。 哈尔滨建筑大学邱明国、李海山等一7 】对冻土中桩基破坏模式进行了模型试验研究， 根据模型试验得到的单桩荷载沉降曲线，对在竖向荷载作用下的冻土中的等截面竖 直桩和锥形桩的破坏模式进行了初步探讨，得出了均质冻土中等截面竖直桩的荷载 沉降曲线呈陡降型，其承载力主要受冻结强度所控制，而锥形桩破坏过程缓慢，极限状 态下呈“塑性破坏”特征的结论。 土与桩基础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，竖向荷载作用下单桩与上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，横向荷载作用下单桩与土体的相互作用采用地 基反力系数法和弹性理论法【4 8 】。 1 0 1 绪论 1 3 本问题的提出 随着寒区工程建设的加剧，寒区桩基得到了迅速的发展，但有关寒区桩基方面的研 究甚少，大都是一些有关桩周温度场的变化和一些工程技术措施，而有关寒区桩基承载 力和沉降特性方面的研究就更加少了。 尽管以荷载传递分析法为比较实用的、效果较好的方法。然而目前仍缺乏一种形式 上比较简单但又能较好地反映桩与土实际作用的荷载传递模型，其工程设计方法至今仍 处于半经验半理论的状态。目前规范所采用的桩基承载力公式基本上是按桩周摩阻力与 桩底反力作简单的代数迭加来建立的，不能反映出桩的沉降特性，桩的静载试验是确定 桩基承载力的最科学的和最广泛被使用的一种方法，但由于它的费用昂贵，费时费工， 只限于重要的一级建筑物或有重要构件的工程中才采用，同时有时也是很不现实的。 对于寒区桥梁的桩基础，除了需满足本身的结构强度、地基土的承载能力和稳定性 外，还需对桩基沉降量有一定的要求。冻土地区的桩基承载力与温度是密切相关的，冬 季桩基在冻融活动层厚度范围内受切向冻胀力而被上抬，而到夏季时，地表因冻融活动 层融化而沉陷，桩的承载力设计中是不考虑冻融活动层对桩承载的贡献，将桩置于足够 深的永久冻土层，这样使桩的成本急剧增加。 同时室内试验、现场实测均等表明，冻土中桩的承载特性与沉降特性明显不同于融 土，主要表现在： 1 冻土中桩的承载力受地温制约。桩周土体的物理力学性质随温度变化而变化，当 温度降低时，承载力增大；当温度升高时，承载力减小。而融区的单桩承载力随温度的 变化几乎可以不考虑。 2 冻土中桩的沉降随上部冻融活动层的温度即融深的变化而变化。夏季桩周土体温 度升高融化并发生融沉，土体的力学性质降低，同时桩顶的沉降加大；在冬季桩周土体 温度降低冻结并发生冻胀，土体的力学性质增强，同时桩的沉降减少。而融区的单桩 沉降基本上不随季节的更替而变化。 1 4 本文研究内容 本文结合我国目前工程实践和现行规范，以及当前桩一土相互作用问题的研究方法 和成果，结合冻土自身的特殊性质，建立适用于寒区冻土地基中单桩的桩侧摩阻力和桩 端阻力数学计算模型，通过理论推导，建立起相应的计算方法，在此基础上提出了考虑 冻胀力的单桩竖向极限承载力的计算公式，重点研究竖向载荷作用下单桩的沉降计算方 法。 由于冻土自身的特殊性以及桩一土作用机理的复杂性，本文仅对寒区的钻孔灌注桩 进行分析，并仅分析其在回冻充分完成后的状态。同时运用大型有限元计算程序a n s y s 西安科技大学硕士学位论文 建立了单桩一冻土相互作用的有限元模型，考虑冻融循环情况下模拟不同冻深时单桩在 竖向外荷载的作用下的应变状态和位移分布情况，并与本文的理论计算方法相对比分 析，来验证本文理论计算方法的合理性。 其具体研究内容： 1 收集总结国内外关于单桩的载荷传递机理，单桩的破坏模式，各种竖向承载力与 沉降的计算方法，重点研究单桩沉降计算的载荷传递法和剪切变形法。考虑了土的成层 性和桩周摩阻力的不均匀性，对c o o k e 的剪切变形沉降计算方法进行了有益的探讨。 2 研究寒区冻土工程相对融土地区所具有的工程特殊性，并对寒区冻土冻害的机理 和作用进行了定性分析，对冻土的冻胀率进行了探讨，提出一点的冻胀率。