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。     

多年冻土区管桩基础抗拔承载性能试验研究

以青藏直流联网工程为背景,进行上拔和水平力组合荷载作用下管桩基础抗拔承载性能真型载荷试验。结果表明:冻结期冻土地基整体处于冻结状态,地基回冻情况良好;融化期最大融化深度与地基多年冻土上限较吻合,多年冻土层无明显退化迹象。上拔加载过程桩底接触土压力减小,冻结期活动层范围内桩侧土压力明显增大,融化期活动层范围内桩侧土压力大大减小,其余位置土压力变化不明显。冻结期基础位移量显著低于融化期,冻结期抗拔及水平承载力高于融化期,上拔承载力高于水平承载力;上拔荷载与位移关系可采用幂函数模型进行预测。试验所得基础抗拔承载力与规范法计算结果比较吻合,表明冻土地区桩基础抗拔承载力规范计算方法是可靠的。     

多年冻土地区工程桩竖向承载力三维数值分析

根据冻土与混凝土圆柱问冻结强度试验,得出冻土温度对冻结强度影响强烈的特点.将混凝土灌注桩、桩周冻土及桩土接触面简化成有限元集合体,编制了三维非线性有限元程序.计算的荷载一沉降曲线与漠河多年冻土区现场试验荷载-沉降曲线吻合程度良好,验证了该模型的适用性;对不同的冻土温度、桩径、桩长等因素进行了参数影响分析,得到对桩承载力...     

挖孔灌注桩在多年冻土中融区的应用

<正> 多年冻土中的融区是在冻土腹部地区,由于温泉或大河流水的热量造成该地区不存在多年冻土,其地质特征既不同于多年冻土,又不同于一般融土。虽然地面一定深度下的土没有冻结,但它有一层较厚的季节冻土层,其厚度一般在3～5M。由于这层季节冻土层的存在,在其冬季冻结时土壤产生冻胀隆起,夏季融化时土壤又下沉。这样会给建筑物造成一定程度的危害,所以在工程设     

人工冻融条件下模型桩基竖向静荷载试验研究

在室内人工冻融条件下,对-7℃、-3℃以及上层融化的人工冻土模型桩基进行了静荷载试验。试验主要研究了不同冻结温度下冻土中单桩的桩顶位移-荷载关系、冻结过程中桩的竖向上拔位移、融化过程中桩的沉降位移以及荷载作用下桩身轴力分布情况。试验表明:冻融环境对桩的位移影响很大,不同温度对桩的承载力也有很大影响。对于冻土冻融区的桩基工程,应特别重视上层冻土融化时可能造成的工程问题。     

桩底水热效应对模型桩–冻土流变特性影响的试验研究

为了研究冻土区桩底水对桩基稳定性的影响,制作混凝土模型桩及桩底水热效应装置并采用对比试验方法对模型桩顶逐级加载开展桩底水热效应对冻土桩–土流变特性影响的模型试验研究,得出桩身切向冻结应力传递函数曲线及桩端阻力传递函数曲线,分析不同荷载等级下桩底水对桩土相对位移及桩端阻力,桩–土流变特性,荷载传递特性,桩基承载特性的影响。结果表明:桩底水的作用减弱了冻土桩侧冻结强度及桩端地基土的抗力,造成桩土相对位移过大,加大了桩–冻土的流变效应,影响了桩侧冻结力和端阻力承担荷载的比例而使得桩基过分依靠桩侧切向冻结力来承受荷载且上述作用随着荷载的增大而增大,造成桩基承载力严重下降。     

多年冻土区桩基温度场监测及数据分析

为获取岛状多年冻土地区钻孔灌注桩和桩周冻土的温度场变化规律,依托大兴安岭岛状冻土区漠大线林区伴行公路工程,在K216+746处工程桥桩位置建立试桩试验场。通过对试验场地桩-土的温度监测,得到试桩浇筑完之后,桩体的温度随时间的变化曲线和桩侧冻土不同深度处的温度随时间的变化曲线。从中发现冻土上限位置以上部位的桩-土的温度受到外界大气温度变化的影响显著,越往下影响越弱;桩基的回冻期为2个多月;混凝土水化热横向传递速度为0.2m/d,热扰动范围为1~2倍桩径。     

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。     

建筑物通风管基础与保温层结合的保温措施研究

在多年冻土区层数较低的房屋可采用通风管基础形式,保证建筑物下冻土地基的稳定。多年冻土上部活动层每年都随着季节的变化而发生冻结、融化,引发冻胀、融沉危害。由于地基土本身热物理性质的不均匀性,以及地基土在几何空间上温度的不均匀性,使得建筑物在地基土融化时常常产生不均匀沉降及裂缝,由此造成多年冻土区建筑物的一系列特殊的工程地质灾害,带来巨大的经济损失。为解决此问题,多年冻土区建筑物可采用通风管基础形式,保证建筑物下冻土地基的热稳定性。本文针对通风管基础中保温层的保温效果进行了深入研究,从而说明在冻土区建筑物中采用通风管基础这种通风散热措施与保温层相结合的必要性和保温层设计原则。     

多年冻土区桥梁桩基础抗震性能及影响因素分析

为研究多年冻土区桥梁桩基础抗震性能及影响因素,以中国多年冻土区广泛存在的高承台桩基础为研究对象,通过拟静力试验结合有限元方法探讨了多年冻土区桥梁桩基础地震破坏特征及冻土层物理力学特性变化对其抗震性能的影响规律。结果表明,随着土体温度的降低,桩–冻土体系的水平承载力、初始刚度均呈增大趋势,桩身位移在土体冻结前后变化显著。土体初始含水率的改变对桩–冻土体系的水平承载力及桩身位移的影响较小,但以土体最优含水率为界限,界限含水率两侧桩–冻土体系的刚度变化存在较大差异。土体压实度的改变对桩–冻土体系的水平承载力及桩身位移的改变影响较小,桩–冻土体系的初始刚度随着压实度的增大而增大。因此,在冻土区桩基础桥梁抗震设防中应当充分考虑桩周冻土物理力学特性变化对其抗震性能的影响。     

考虑多年冻土蠕变特性的抗拔桩 非线性有限元分析

 结合青藏铁路多年冻土区钻孔灌注抗拔桩现场载荷试验,依据场地多年冻土地温实测资料、物理力学参数以及冻土类型,考虑多年冻土蠕变特性,对冻土区钻孔灌注抗拔桩进行非线性有限元分析。桩–土体系有限元分析采用三维十节点四面体等参单元,桩–土相互作用采用面–面接触单元;同时,假定桩–土体系本构模型服从Drucker-Prager屈服准则。通过数值模拟计算结果与抗拔桩现场载荷试验的对比分析,结果表明,考虑冻土蠕变的分析结果与试验值较为接近,不考虑冻土蠕变时,当外载荷较大时桩顶上拔位移的计算值要比试验值小43%左右,但外载荷较小时两种计算结果差别不大。因此,考虑冻土蠕变的分析方法更比较符合多年冻土区钻孔灌注抗拔桩的实际受荷特点。     

应力释放效应对抗拔桩承载力影响分析及应用

抗拔桩受力时,桩身径向微量收缩,桩周土体侧向应力释放,桩侧摩阻力降低。文章将桩对土的卸载作用导致摩阻力降低值与不考虑该作用时摩阻力之比,定义为单桩抗拔承载力折减系数J_s。定义土体的回弹模量与压缩模量之比为土的压缩回弹比λ_j。利用极限平衡状态方程,针对刚性桩、钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩与钢管桩,分析了不同的土体压缩回弹比λ_j所反映的应力释放程度对承载力的影响。结合外径1.7 m,长81.3 m,壁厚25 mm的大直径超长抗拔钢管桩静载荷试验进行验证。结果表明压缩回弹比λ_j能很好反映土体应力释放对承载力的影响,是抗拔桩侧阻力低于抗压桩的主要原因,承载力计算值与实测值相符,其精度远高于现行规范方法,可供工程实践与科学研究参考。     

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。     

季节性冻土和多年冻土对场地地震反应的影响

季节性冻土和多年冻土的存在，对场地的地震反应将产生一定的影响。根据一维波动理论，应用水平层状场地地震反应的等效线性化有关程序，对季节性Ⅰ，Ⅱ类场地的冻土区和多年冻土区在不同地震波作用下的反应进行计算，分析冻土层的变化对场地地震反应的影响。计算结果表明：在季节性冻土区，冻土层使自由场地的地面峰值加速度减小，且随冻土地温降低，冻土厚度增大、地面的加速度减小。对Ⅱ类场地的冻土层影响大于Ⅰ类场地；在多年冻土区，冻土层厚度越大，Ⅱ类场地的地面加速度越小，而在Ⅰ类场地上没有此规律。多年冻土上界以上为融土时，地表面的加速度峰值比上界以上为季节性冻土时要大。     

多年冻土区灌注桩桩–冻土相互作用有限元分析

 基于ANSYS有限元软件平台，建立多年冻土区灌注桩桩–冻土相互作用有限元模型。通过面–面接触实现桩与冻土间黏结、滑移和开裂的状态模拟，给出接触参数的合理取值，并将其对P-S曲线的影响进行分析。结合工程实例，对多年冻土区灌注桩基础在垂直静载作用下的内力和沉降进行分析研究。研究结果表明：多年冻土区桩基的承载力主要由桩侧冻土层的黏聚力提供；三维高阶接触单元能较好地模拟桩与冻土系边界条件的非线性，真实地反映多年冻土区单桩的实际受力状态；有限元计算值与实测值吻合较好，从而证明模型建立的正确性。     

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。最后给出了桩的直径、混凝土保护层厚度以及钢筋与混凝土的线膨胀系数应满足的要求。以工程实例对桩基础的各个土层状况进行分析,在假设土的干容重、冻土的总含水量、地中热流值、冻土的导热系数不变,季节冻融层为强冻胀土的条件下,分别对单桩和群桩基础的冻拔问题进行了验算。结果表明:得到的临界承载力模型可以为寒区冻土层中桩基础的稳定性评估提供数值分析依据。     

考虑破坏模式的水泥土桩承载力计算与研究

根据现场试验桩体破坏模型,通过简化得到假定的滑动面,借助该滑动面上桩体和桩周土的极限平衡条件,推导出水泥土单桩极限承载力公式。以济南市绕城高速公路工程为例,用本文推导水泥土单桩承载力公式与传统承载力公式的计算结果与现场试验结果进行比较,研究结果表明:本文承载力公式考虑了桩的现场破坏模式、桩土的受力分析、桩周土对桩承载力提高作用等影响,经工程实例验证,其结果比较相符,具有一定实际意义。并通过计算分析可得:从单桩承载力角度上考虑水泥土桩存在有效桩长,水泥土桩承载力的关键在于浅层桩身强度。研究结论可为类似工程的设计施工提供借鉴。     

单桩水平承载力数值研究

采用FLAC3D建立了有限差分模型,对单桩水平荷载进行了分析,重点研究了软土层厚度、土参数的改变对桩身位移的影响情况,并藉此对软土地基的桩、土共同作用机理加以阐述,为提高桩的水平承载力提供重要的参考依据。     

竖向荷载作用下单桩三维模型参数分析

运用大型数值分析软件GTS,通过设置摩擦接触单元来模拟桩与土之间的共同作用,对桩-土进行三维有限元模拟;分析了桩-土模量比、桩的最终剪力、剪切模量、法向刚度、桩端承载力等因素对桩荷载-沉降(p-s)曲线的影响。分析结果表明:在竖向荷载作用下考虑桩-土间接触与非接触对桩顶竖向位移影响较大;接触面最终剪力、剪切模量、桩端弹簧刚度及土体的弹性模量都会对单桩在竖向荷载作用下荷载-沉降曲线产生显著的影响,而桩端承载力和接触面法向刚度不会对桩荷载-沉降(p-s)曲线产生影响。