冻土区桩基回冻过程对单桩承载力和桥梁施工的影响分析

考虑大气温度、水文地质条件，混凝土入模温度、冻土初始地温场的影响及相变效应，以传热学为基础，给出了冻土区单桩地温场控制微分方程、边界和初始条件，以及其空间分析的有限元计算模式。结合工程实例对青藏高原典型湿润性地段多年冻土区的钻孔灌注桩单桩回冻过程温度场进行了计算，给出了桩身温度随深度及吲冻时问的变化。以设计规范为基础对单桩回冻过程中温度场的变化对单桩承载力的影响及施工进程的影响进行了分析，所得结论可为多年冻土区桥梁工程施工计划的制定提供理论依据。     

高原多年冻土区隧道浅埋段热棒群防护工程效果评价EI北大核心CSCD

以G214公路高原多年冻土区姜路岭隧道浅埋段热棒群防护工程为例,通过对隧道天然工况下和热棒群防护下的隧道围岩地温变化特征及冻融圈变化规律的研究,评价了利用热棒群对高原多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护的工程效果。研究表明:天然工况下隧道施工产生的冻融圈范围大于2.2 m;冻融圈回冻时间大于4 a;在热棒群防护下姜路岭隧道出口左洞洞侧人为冻土上限抬高0.5 m;隧道洞顶冻融圈的回冻时间为1 a,洞侧冻融圈回冻时间为2~3 a;地温总体上呈现出类似于正余弦曲线的变化形式,暖季地温较大,寒季地温相对较小,且随着时间推移,同期地温在逐渐降低;评价认为利用热棒群对多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护可以快速消除施工给隧道冻土围岩带来的热干扰,维持洞周冻土围岩的稳定,同时在洞周形成冻土防渗帷幕,阻隔冻结层上水向隧道结构方向的渗入,是一种有效保护隧道多年冻土环境的工程措施。     

高原多年冻土区隧道浅埋段热棒群防护工程效果评价

以G214公路高原多年冻土区姜路岭隧道浅埋段热棒群防护工程为例,通过对隧道天然工况下和热棒群防护下的隧道围岩地温变化特征及冻融圈变化规律的研究,评价了利用热棒群对高原多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护的工程效果。研究表明:天然工况下隧道施工产生的冻融圈范围大于2.2 m;冻融圈回冻时间大于4 a;在热棒群防护下姜路岭隧道出口左洞洞侧人为冻土上限抬高0.5 m;隧道洞顶冻融圈的回冻时间为1 a,洞侧冻融圈回冻时间为2~3 a;地温总体上呈现出类似于正余弦曲线的变化形式,暖季地温较大,寒季地温相对较小,且随着时间推移,同期地温在逐渐降低;评价认为利用热棒群对多年冻土区隧道浅埋段进行主动热防护可以快速消除施工给隧道冻土围岩带来的热干扰,维持洞周冻土围岩的稳定,同时在洞周形成冻土防渗帷幕,阻隔冻结层上水向隧道结构方向的渗入,是一种有效保护隧道多年冻土环境的工程措施。     

高原冻岩隧道施工中融化圈深度对围岩稳定性的影响分析

冻岩隧道施工中，开挖、初衬、保温层和二衬等作业，产生的施工热量及洞内外空气的热交换，将影响冻土围岩原始地温场。这种地温场的扰动，破坏了冻土地层的热力学平衡。使其冻土的热物理力学性能发生改变，其中包括冻土的融沉性、冻土回冻过程的膨胀性以及隧道的稳定性等工程力学性能。因此，保护冻土、减少施工对冻土原始地温场的扰动是冻土隧道施工的重要控制因素之一。通过建立冻土围岩、支护衬砌结构、隔热保温层和洞内环境气体热力学模型，根据实际工况和实测洞内环境温度及地温，应用ANSYS有限元程序，对不同施工工况下围岩的温度场变化进行模拟，分别研究毛洞暴露时间、初衬施作时机、初衬持续时间等不同状况下，冻岩温度场的扰动规律、融化圈深度。根据不同施工方法下融化圈大小对洞室稳定性的影响，为冻土隧道施工控制和决策提供科学依据。     

混凝土水化热对多年冻土地温的影响研究

通过分析距桩中不同距离的冻土温度随时间的变化特征,得出了桩周冻土的回冻时间、不同距离的多年冻土地温随时间的变化曲线及变化规律,总结了桩周冻土的温度变化曲线特征是由于混凝土水化热释放热能以及周围冻土释放冷能的双向影响,得到了桩基础水化热的扩散半径.试验结果对多年冻土地区工业、民用建筑的建设研究具有很大的理论意义和工程实用意义.     

多年冻土区桥梁工程桩基础服役期温度场研究

 选取青藏高原国道214沿线低温基本稳定区查拉坪旱桥桩基和高温不稳定区花石峡试验场桩基,对其运行期内地温进行连续监测。基于现场地温实测数据,从冻土上限、冻结及融化过程3个方面,分析桩基对冻土地温的影响,显示因桩基良好的导热性能加剧了桩周冻土与大气的热交换,桩周地温年较差明显增大。结合勘察设计资料建立数学模型,应用有限元数值模拟方法就桩基对地温场的长期影响进行预测,结果表明,未来50 a气温上升2 ℃的情况下,桩侧冻土上限与天然上限差异有所增大,桩侧多年冻土温度升高,该现象在高温不稳定冻土区表现得更为明显。所得结论可为多年冻土区桩基设计、降温保护措施采取及运行管理措施实施提供参考。     

太阳辐射及气候变暖对冻土区单桩承载力的影响

以传热学理论为基础建立冻土区单桩地温场的热分析模型,采用有限单元法在考虑裸露桩基表面吸收太阳辐射同时与大气自然对流换热、冻土相变、气候变暖条件下,计算了青藏高原典型的湿润性永久冻土区桩周冻土未来40 a的升温过程及桩基承载力变化,分析裸露桩长和初始年平均气温对地温及桩基承载力的影响。结果表明:太阳辐射和气候变暖使桩土界面温度升高导致单桩承载力降低;裸露桩长越长吸收的太阳辐射越多,主要体现在冬季,温度升高承载力下降,夏季升温不明显;初始年平均气温对桩基础承载力影响显著,初始年平均气温升高1℃,冬季桩基础承载力下降800~1 000 kN,夏季承载力下降400~700 kN。     

岛状多年冻土地区桥梁桩基回冻后承载力的静载与动测对比试验研究

为了准确掌握岛状多年冻土地区桥梁钻孔灌注桩的回冻时间及桩基回冻后的承载力,在岛状多年冻土地区选择2个试验地点,每个试验地点浇筑了2根15 m长的试验桩,并在其中一根试验桩处布设温度监测系统,采集桩基回冻过程中的温度数据,根据温度监测结果判断桩基回冻状态,在桩基完成回冻后进行静载与动测试验,测出桩基极限承载力。监测及试验结果表明:试验桩所在区域岛状多年冻土地温约为-1.9℃,桩基完成回冻后桩身内部温度与桩侧1 m处的土体温度变化趋势相同,相同深度处的温差小于0.1℃;用静载法实测出的各土层回冻后的桩侧摩阻力值修正高应变动测法桩–土力学模型中的土层参数,计算曲线与实测曲线拟合较好;动测与静载试验所得到的桩基极限承载力误差为3.91%,试验结果相符合。研究成果可为类似冻土条件下的桩基设计及承载力检测提供理论依据。     

青藏直流输电工程粗粒冻土地基温度监测与分析

为分析青藏直流输电线路工程冻土地基的冻结情况及其对基础安全稳定性的影响,在青藏高原五道梁地区对装配式原型基础冻土地基进行1个冻融过程的地温监测,结合该地区气温资料,分析粗粒冻土地温随时间变化特点和沿深度分布情况。监测结果显示：地温呈周期性波动,振幅随深度增加而减小,原状和回填冻土地基上部均存在冻融状态交替的冻融活动层;监测期内基础底部冻土处于冻结状态,基础安全稳定;原状和回填冻土最大融化深度分别为3.0和3.2 m,通过建立地温估算公式,并利用地温变化幅值、均值等结果,得到原状多年冻土上限为3.1 m,与工程勘测和监测结果一致;建立冬季时高孔隙率回填冻土地基传热方程,分析地基传热性能和与孔隙率直接相关的地基中空气自然对流速度对地基回冻的影响。研究表明：冻土回填扰动加剧地温波动的振幅和增大冻土融化深度,但影响程度和范围有限;输电线路冻土装配式基础冬季施工,在冻融活动层深度内保持地基适当孔隙率,既可在冬季加速地基回冻,又可利用土体自然固结和融沉,提高压实度,从而在暖季减弱热量向地基深部扩散,有利于地基保持冻结。     

多年冻土基桩回冻中承载力测试研究

在多年冻土区混凝土灌注桩的施工中,水化热会导致桩周冻土温度升高和部分融化,随着水化热的减少以及向周围冻土传热,桩周土开始慢慢回冻。在此回冻期间,采用自平衡测桩方法对灌注桩的承载力进行了测试。结果表明,经过一个月的回冻时间,基桩即能提供足够的承载力,从而保证下一步施工的正常进行。     

考虑大气温度变化的冻土区桩基承载力预测

大气温度变暖情况下,研究冻土桩基承载力变化规律,可为设计年限内预测工程结构物的工作状况提供科学依据。根据桩端入土深度及桩土相互作用原理分别对季节性冻土地区桩基和多年冻土地区桩基进行分类,并建立相应的桩土相互作用模型。以实际桩基工程为例,首先,建立大气温度与地温之间的关系,得出冻结期和融化期地面平均温度;然后,建立冻土区季节冻结及季节融化深度和地面平均温度与多年冻土厚度的关系,得出冻土区季节冻结及季节融化深度变化和多年冻土厚度变化;进一步综合季节冻土及多年冻土桩基工作状况的不同,结合已建立的考虑温度变化的桩土相互作用模型,基于现行规范的单桩承载计算公式并考虑不同的土性物理参数的基础上,最终建立大气温度变化与桩基承载力相关方程,预测桩基承载力变化状况。以上研究方法可运用于冻土区桩基承载力初步预测。     

多年冻土区未回冻钻孔灌注桩承载性质试验研究

为研究青藏高原多年冻土区钻孔灌注桩在未回冻状态下基桩承载力和变形性质,解决后续承台、桥墩(台)的施工、上部结构的铺架以及对工期的影响等问题,本文结合青藏铁路以桥代路特大桥工程进行高温细颗粒多年冻土钻孔灌注桩的现场静载试验,根据现场地温测试及静载荷试验资料,分析了桩-土体系回冻过程及其回冻过程中桩侧摩阻(或冻结力)的分布,获得钻孔灌注桩灌注后不同地温条件下的竖向承载力及变形性质,为后续工程的施工提供技术依据。     

低温多年冻土地基大直径钻孔灌注桩未回冻状态承载性质试验研究

 多年冻土地基由于大直径钻孔灌注桩桩身混凝土水化热造成桩周冻土融化,而桩体混凝土灌注初期桩土体系不具备冻结强度,导致钻孔灌注桩初期承载力很低。研究低温多年冻土地基大直径钻孔灌注桩未回冻状态的承载力和变形性质,可为工程施工工期安排提供技术依据。结合青藏铁路索南达杰特大桥工程进行低温多年冻土大直径钻孔灌注桩地温测试及现场静载试验,为此设置桩土界面测温孔(SB)、桩侧测温孔(SC,距离桩壁30 cm)以及未受施工扰动的基准地温孔(JZ)。获得夏季灌注桩混凝土入模温度为11 ℃,不同龄期桩土体系的地温分布,并分析桩土体系的回冻过程。测试数据表明：混凝土灌注完成30 d以后,桩顶至地表下2 m为正温,地表下2 m到桩底桩身表面均为负温,在－0.43 ℃～－1.26 ℃范围内变化;灌注50 d以后,桩土界面地温逐渐降低,为－1.0 ℃～－1.85 ℃,与未受扰动天然地基地温相比,桩土体系尚未完全回冻。同时进行不同地温条件下基桩的现场静载试验,分析竖向承载力、变形及桩侧摩阻(或冻结力)分布特性。当加载到最大荷载(7 600 kN)时,桩顶竖向位移达到4.93 mm,卸载后未恢复的变形为1.01 mm,说明低温多年冻土地基钻孔灌注桩在未完全回冻状态下(试桩龄期30 d)基桩具有较高竖向承载力,且变形量小。     

漠河多年冻土区砼灌注桩承载力形成时间数值分析

根据带内热源伴有相变瞬态温度场的控制方程,在空间域内用采用混合单元的有限元网格划分,在时间域内用有限差分格式划分的混合解法编制有限元计算程序。针对黑龙江省漠河多年冻土区场地,根据实验得到的不同水泥水化热释放热量,进行钻孔灌注桩周土体温度场数值计算,分析影响砼灌注桩冻结强度形成的因素和变化规律及原因。研究表明砼浇注温度、不同外加剂组合水化热放热量对桩壁土体温度有显著的影响。在漠河多年冻土区,建议混凝土外加剂选用粉煤灰+硅粉+早强剂+减水剂组成,灌注桩混凝土向冻土钻孔中浇注温度应控制在5℃,这样可以大大缩短混凝土灌注桩承载力形成时间。     

冻融作用下基桩竖向振动动力特性研究

主要研究三维轴对称条件下饱和双层土中基桩竖向振动,通过建立饱和双层土中桩竖向振动问题的简化层间连续模型,求得了桩顶动力响应频域解析解及时域响应的半解析解,分析了冻融作用对基桩竖向振动的复动刚度的影响。提出在多年冻土地区或季节性冻土地区进行动力基础设计时,应以最不利情况为设计对象。对多年冻土,应以上部出现的最大融深来考虑,对季节性冻土,则应以未冻土来考虑。在多年冻土地区的动力基础施工中,应尽量保持地基的冻结状态,并指出冻融作用会对基桩的检测工作会产生一定的影响。     

冻土区桩基础冻胀过程中钢筋与混凝土黏结性能劣化机制研究

冻土区钢筋与混凝土之间的黏结性能对温度的响应更为敏感,并且桩内部因钢筋与混凝土之间的线膨胀系数差异引起的温度应力不容忽视,因此有必要对其进行研究.首先通过分析并建立计算模型,得到模型中沿桩基横截面的温度分布.接着,推导了温度应力的计算公式.然后基于弹塑性厚壁圆筒理论,推导了在温度梯度影响下钢筋与混凝土的黏结强度计算公式...     

冻土区现浇桥涵基础水化热的有限元模拟

结合工程实际,研究了夏季施工时基础开挖以及混凝土浇筑产生的水化热对基底冻土温度场的影响规律,可以为座落在冻土区的基础工程的设计与施工提供指导,并对相关工程采取必要的措施维护其稳定性及有关问题的进一步研究具有参考意义。     

低承台2×2能量桩基础单桩运行热力耦合特性研究

能量桩技术是一种集地源热泵和建筑桩基功能于一体的新型节能技术。为了研究能量桩在运行过程中的热力学特性及其对基础结构的影响规律,依托低承台2×2群桩基础,开展单根能量桩加热工况下的群桩基础热力响应特性现场试验,实测能量桩、对角桩及承台的温度和应变等变化规律,着重分析能量桩本身由于温度变化引起的力学特性、及其对桩周土体、邻桩和承台等结构的影响规律。研究结果表明,本文试验条件下,加热工况下低承台2×2桩基础中单根能量桩桩身中部产生的最大约束压应力值约为3.94 MPa,约为考虑桩体被完全加热和完全约束情况下的应力上限值的48%;在温降和运行桩的共同影响下,承台中部将产生约为1.05 MPa的附加拉应力(约为混凝土抗拉强度值的43.8%);在温度和上部荷载的耦合作用下,能量桩桩顶位移达-0.6 mm,约为桩径的0.6‰。     

青藏高原多年冻土路基温度场公路空间效应的非线性分析

多年冻土路基温度场的公路空间效应包括路基尺度效应与路面结构效应。利用考虑冰水相变与水分迁移的热流传导等效参数模型,数值模拟公路路基不同高度、不同宽度、不同边坡坡度的尺度效应与公路沥青路面、水泥混凝土路面、砂砾路面的结构效应,分析高原多年冻土路基温度场的变化。结果表明,青藏高原多年冻土对公路空间效应反映敏感,路基尺度直接影响地基温度场的变化,路基高度、边坡坡度与地基吸热量呈负相关性,路基宽度与吸热量呈正相关性;在高原强太阳辐射环境下,沥青路面吸热对冻土地基温度场影响剧烈,沥青路面吸热量是砂砾路面的1.7倍左右。研究认为,与其它线状工程相比,公路宽幅路基、沥青路面热效应是多年冻土路基温度场改变的关键因素,未来青藏高原多年冻土区高速公路建设必须妥善处理因公路空间效应引起多年冻土地基升温融化而导致的工程稳定与安全运营问题。