（工程力学专业论文）考虑切向流变的多年冻土区桩基沉降变形研究.pdf

l i l li i i l l l lk l lii1l l l l l l l l l l l l liiii y 18 8 5 9 6 4 r e s e a r c ho fs e d i m e n t a t i o nd e f o r m a t i o no fp i l ef o u n d a t i o ni n p e r m a f r o s ta r e ac o n s i d e r i n gt a n g e n t i a lr h e o l o g y y a n g y o n g p e n g b e ( c h a n g a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 2 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e i n e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rs o n gx i m a y ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：圹劲杆呜 日期：仞t ，年易月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 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，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：编弼 导师签名。未瘕 日期：m ，年月弓e 1 日期：。? u ，年石月7 日 硕士学位论文 目录 摘要v a b s t r a e t v i l 第1 章绪论1 1 1 多年冻土的流变特性研究2 1 2 多年冻土区桩基研究3 1 3 桩一土相互作用数值计算研究4 1 4 本文构想6 1 4 1 主要研究内容6 1 4 2 研究方法6 1 4 3 创新点7 第2 章青藏高原多年冻土区自然地理条件及桩基概况8 2 1 青藏高原多年冻土区自然地理条件及特征8 2 1 1 气温8 2 1 2 气候冻结融化能力9 2 1 3 降水1 0 2 1 4 地质构造、地形地貌1 1 2 2 青藏高原多年冻土区桩基设计特点1 2 2 2 1 青藏高原多年冻土区桩基承载力计算方法12 2 2 2 多年冻土区桩基抗冻拔稳定性1 3 2 3 本章小结1 4 第3 章多年冻土蠕变变形基本方程1 5 3 1 冻土流变特性1 5 3 1 1 冻土蠕变的物理实质1 5 3 1 2 冻土蠕变机制1 7 3 1 3 影响冻土蠕变的主要因素1 9 3 2 冻土蠕变方程1 9 3 2 1 冻土蠕变一般方程2 0 3 2 2 衰减性蠕变方程2 2 3 2 3 非衰减性蠕变方程2 2 3 3 桩周冻土的流变特性和极限长期强度2 4 3 4 本章小结2 5 第4 章青藏高原多年冻土区典型桩基沉降变形特性及原因分析研究2 7 考虑切向流变的多年冻土区桩基沉降变形研究 4 1 多年冻土区钻孔灌注试验桩基的施工2 7 4 2 多年冻土区试验桩基现场试验监测2 8 4 2 1 桩基变形监测2 8 4 2 2 工程地质钻探3 0 4 2 3 现场及室内试验3 1 4 2 4 桩周及桩基附近多年冻土地温监测3 1 4 3 桩基变形特征分析3 1 4 4 试验桩基场地冻土工程地质条件及地基土物理力学特性32 4 5 桩周地基多年冻土温度特性分析33 4 5 1 评价准则3 3 4 5 2 地基多年冻土温度沿深度变化曲线3 3 4 5 3 地基多年冻土温度沿时间融化进程曲线3 5 4 6 变形原因分析3 6 4 7 本章小结3 6 第5 章考虑切向流变的青藏高原多年冻土区桩基沉降变形数值分析3 7 5 1 有限差分法软件一一f l a c 3 d 简介3 7 5 2 桩土耦合系统数学模型4 0 5 2 1 基本假设4 0 5 2 2 桩一土耦合系统的控制方程4 1 5 3 土的本构关系4 1 5 3 1 土的弹塑性关系4 1 5 3 2 桩周多年冻土本构关系4 3 5 4 考虑切向流变的多年冻土区桩基变形数值计算模型4 5 5 5 边界条件及计算参数的选取4 6 5 6 算例及分析4 6 5 6 1 模拟加载条件下桩基及周边土体的应力状态4 7 5 6 2 模型加载条件下桩基及周边土体的位移分析4 7 5 6 3 算例数据与现场实测变形资料对比分析结果4 9 5 7 本章小结5 0 第6 章青藏高原多年冻土区桩基沉降变形工程整治措施5 2 6 1 青藏高原多年冻土区桩基沉降变形工程整治原则5 2 6 2 青藏高原多年冻土区桩基沉降变形整治的工程措施5 2 6 2 1 热棒5 2 6 2 2 片石保温5 4 6 2 3 防排水措施5 4 硕士学位论文 6 2 4 综合性整治工程措施5 5 6 3 本章小结5 5 结论5 7 参考文献5 8 致j 射6 3 附录a攻读学位期间所发表的学术论文目录6 4 硕士学位论文 摘要 随着青藏高原多年冻土区人为活动及工程建设的剧增，桩基作为建 筑工程极为重要的基础形式将发挥着不可替代的作用。桩基的稳定直接 影响到其上工程建筑物的安全及正常运行，因此对桩基稳定性的研究是 至关重要的。青藏高原多年冻土区特殊的自然地理特征及冻土工程地质 条件使得桩基的长期强度成为温度、含冰量、荷载、时间的函数，全球 气温升高、人为活动以及水热环境的改变，将影响桩基的长期强度，桩 基在长期荷载作用下桩周多年冻土将发生流变，引起桩基的缓慢沉降， 给该地区桩基的稳定带来安全隐患。 本文通过对既有变形桩基周围地基多年冻土进行现场勘察、现场及 室内试验，并对桩基变形进行现场长期监测，对青藏高原多年冻土区桩 基变形特点及规律进行了研究。同时借鉴已有的桩基研究成果及数学模 型，结合青藏高原多年冻土区桩基的边界条件，利用有限差分软件 f l a c 3 d 研究青藏高原多年冻土区桩基的沉降变形机理，提出了针对桩 基沉降变形的工程整治措施。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 通过对青藏高原多年冻土区既有典型桩基进行现场变形监测， 分析研究了该桩基的沉降变形特点，即该桩基在观测期内整体呈下沉趋 势，变形呈“寒季缓慢沉降，暖季加速下沉”趋势，具有间歇性、季节性 及周期性的特点。 ( 2 ) 通过工程地质钻探、现场及室内试验、桩周地温场监测等方式 研究监测桩基的变形原因。即该试验桩基所处地段多年冻土厚度较小， 多年冻土热稳定性较差。该试验桩基桩周高温高含冰量多年冻土升温退 化，桩周多年冻土在长期荷载作用下易发生切向流变，引起桩基下沉。 ( 3 ) 借鉴已有的桩基变形模型及桩土耦合系统数学模型，应用有限 差分软件f l a c 3 d 对青藏高原多年冻土区桩基在长期荷载作用下蠕变下 沉进行数值模拟，数值计算结果与试验桩基的实际监测数据进行对比， 结果吻合，进一步证实了桩周多年冻土蠕变是导致桩基沉降变形的主要 原因。 ( 4 ) 针对青藏高原多年冻土区桩基在长期荷载作用下由于桩周多年 冻土蠕变产生的变形问题，本文提出应用热棒、片石保温等工程措施降 低桩周多年冻土地温，以减少桩基在长期荷载作用下的蠕变量，用来减 缓或阻止多年冻土区桩基由于桩周多年冻土蠕变而产生的沉降变形。 v 考虑切向流变的多年冻土区桩基沉降变形研究 ( 5 ) 提出了青藏高原多年冻土区桩基在设计时应考虑全球气温升高 以及水热侵蚀条件下多年冻土环境的变化，以及多年冻土升温条件下桩 周多年冻土在荷载作用下的流变作用，并对桩周多年冻土的蠕变速度以 及蠕变量进行控制，以减小桩基在长期荷载作用下的沉降变形量及沉降 变形速率。 关键词：青藏高原多年冻土桩基沉降蠕变 a bs t r a c t w i t hm o r ea n dm o r el e a p o fh u m a ni m p a c t sa n de n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n i n p e r m a f r o s to fq i n g h a i - t i b e t a n p l a t e a u ,p 1 i e f o u n d a t i o np l a y e dav e r yi m p o r t a n tp a r t a sf o u n d a t i o nf o r m 1 n a r c h i t ec t u r a le n g i n e e r i n g t h e s t a b i l i t yo ft h ep i l e f o u n d a t i o n e f f e c t e dt h eb u i l d i n gs u p e r i n c u m b e n t t h e e f f e c t s o fs p e c l a i n a t u r a lg e o gr a p h y c o n d i t i o n a n d d i f f e r e n tp e r m a 士r o s t e n g i n e e r i n g c o n d i t i o n ， m a d et h el o n g 。t e r m s t r e n g t h o fp i l e f o u n d a t i o nb e c o m et h ef u n c t i o no ft e m p e r a t u r e ，i c e - c o n t e n t ，l o a d a n dt ime i tw o uldcha ngebe c auseoft heris ingt er np era t u r e ，the h u m a ni m p a c ts ，a n dt h ec h a n g eo ft h eh y d r o t h e r m a l e n v l r o n m e n t t h ep i l ef o u n d a t i o nw o u l ds l o w n e s ss e t t l e m e n tf o rt h er h e 0 1 0 g y o fp e r m a f r o s ta r o u n di t ，w h i c hc ausef r o ml o n g t er ml o a d i t s u n s a f et ot h es t a b i l i t y o fp i l ef o u n d a t i o n t hecha ra e ter is t ic andr u le oft hedef or ma t io nh a dbelng rese a rched ，a f te rman ym et hodsbeingp u tinprac t ice ，in c lud ing f i e l dr e c o n n a i ssancea n de x p e r i m e n t ， i n d o o re x p e r i m e n t ， a n d l o n g t i m eo bs e r v a t i o na b o u tt h e d e f o r m a t i o no fp i l ef o u n d a t i o n s i m u l t a n e i t y ，r e f e r e n e i n g t h ee x is t i n gr es e a r c hr e s u l t sa n dm a t h m o d e lo fp i l ef o u n d a t i o n ，a n dc ons i d er i n gt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n o fp er m a f r o s t o f q i n g h a i t i b e t a n p l a t e a u ，t h e s e t t l e m e n t m e c h a r t is mh a db e i n gs t u d y e du s i n gt h es o f t w a r ef l a c 3 d a n d t h er e p a i rm e a s u r ea ls oh a db e i n gg i v e df o rt h es e t t l e m e n to fp l l e f o u n d a t i o n ： ( 1 )o nt h er es u i t so ff i e l do bs er v a t i o no fp i l ef o u n d a t l o n d e f o r m a t i o ni nq i n g h a i t i b e t a n p l a t e a up er m a f r o s ta r e a , t h e c h a r a c t er is t i co fp i l ef o u n d a t i o nd e f o r m a t i o nh a db e e np 0 i n t e d i nt h eo bs e r v et i m e ，t h ep i l ef o u n d a t i o n w h o l es h o w e ds u bs i d e d , t h ed e f o r m a t i o ns h o w e ds l o w i n gi n c o l ds e a s o n sa n ds p e e d u p1 n wa r mse asons ，ow nedin ter m it tence ，se a sona lit yan dper iod ici t y ( 2 ) t h er e a s o n so ft h ep i l ef o u n d a t i o nd e f o r m a t l o nh a d b e e ns t u d i e db yt h em e a n so fe n g i n e e r i n gg e o l o g i cb or i n g ，f i e l d v 考虑切向流变的多年冻七区桩基沉降变形研究 and indoorex per imen ts ，obse r va tion of g r ou ndte n p era t ure be c ausethet h ick nes sofper maf ros taro u nd t hepilef ou nda tio n w ass m a l l er ，t h et h e r m a ls t a b i l i t yw asw o rs e ，t h ep e r m a f r os tw a s i nad e g e b er a t i o nc o n d i t i o na n dd e v e l o p e dr h e 0 1 0 9 y ，a 1 1o ft h is m a dt h ep i l ef o u n d a t i o nt a k e np l a c eo fc r ee ps u bs i d e d ( 3 ) c o n s i d e r i n g t h ee x is t p i l e f o u n d a t i o nd e f or m a t i o n m o d e la n d p i l e - s o i lc o u p l i n gs ys t e m m a t hm o d e l ，b s e dt h e sof twa r ef lac3dtodothenu mer icl simu 1a t ionofthecre epof p i l ef o u n d a t i o nu n d e r1 0 n g t i m e1 0 a di nq i n g h a i - t i b e t a np 1 a t e a u t h es i m u l a t i o nr es u l tsf i t t e df o rt h ef a c t ，pr o v e dt h ec o n c l u s i o n t h a tt h ecr e e pm a d et h ep i l ef o u n d a t i o ns u bs i d e d ( 4 ) basedont heresea r chresu 1ts ，ma nyme asureshadbe en a d v a n c e d ，i n c l u d i n gt h er m a lpr o bes ，r u b b l es l o p ep r o t e c t i o n ， a te r pt oo fanddr a inage thet argetw astoreducet hetempera tu r e o ft h ep er m a f r os ta r o u n dt h ep i l ef o u n d a t i o n ，r e d u c et h ee r os i o n f r o mt h es u r f a cew a t era n ds u p r a p e r m a f r osw a t er ，f i n a l l yr e d u c e t h es u bs i d e n ceo ft h ep i l ef o u n d a t i o n (5)d es i g n p i l e f o u n d a t i o ni n q i n g h a i t i b e t a n p 1 a t e a u p e r m a f r o s ta r e as h o u l dcons i d e rt h ec h a n g eo fp er m a f r o s t e n v ir o n m e n tcaus e db yr is i n gt e m p er a t u r ea n dt h e r m a le r os i o n ， cons i d er t h e r h e 0 1 0 9 y o ft h e p e r m a f r o s ta r o u n dt h e p i l e f o u n d a t i o n ，t a k em e as u r et oc o n t r 0 1t h ecr e e ps p e e da n dc r ee p de f o r m a t i o n k e yw o r d s ：q i n g h a i - t i b e t a np l a t e a u ；p e r m a f r o s ta r e a ；p i l ef o u n d a t i o n ； s u b s i d e n c e ；c r e e pd e f o r m a t i o n v 硕士学位论文 第1 章绪论 随着青藏高原多年冻土区人为活动及工程建设的剧增，桩基作为建 筑工程极为重要的基础形式将发挥着不可替代的作用。举世瞩目的青藏 铁路建成通车是在高海拔低纬度多年冻土区工程建设中的创举，“以桥代 路”为保障青藏铁路安全稳定发挥重要作用，而桩基的稳定性将是重中之 = 己 重。 多年冻土地区桩基础的研究涉及到冻土学、传热学、桩基础的设计 与计算、桩一土相互作用等多个方面，是一个涉及面比较广、综合性比 较强的问题。解决多年冻土地区工程设计、施工、养护问题是冻土学研 究的最终目的。近年来，冻土工程研究在渠道、输油( 气) 管线、道路、 水利等方面均取得明显进展。我国在上世纪5 0 年代首先从东北地区开始 了系统的冻土学研究。上世纪6 0 年代，中国冻土工作者为冻土地区一系 列工程的建设做了大量工作，并在室内外系统开展了冻土物理力学和热 学性质的试验研究。19 7 8 年以来，我国冻土研究进入了新的全面发展时 期，对多年冻土地区的考察和抗冻害问题的研究更加深入。通过对冻土 区的水文地质和工程地质工作，以及专门组织的区域冻土考察，初步查 明我国多年冻土区面积约215 万平方公里，确立了我国世界第三冻土大 国的地位。 冻土具有明显的流变特性，其抗剪强度与多种因素有关，而主要由 土体的负温、外压力和荷载作用的时间决定 1 - 5 】。试验表明：冻土的温 度越低，其抗剪强度越高。在温度接近于零度时，冻土的内摩擦角实际 等于未冻土的内摩擦角，而粘聚力则比融土的大；冻土在荷载作用下 其粘聚力和内摩擦角发生较大的变化( 主要表现在含粘粒较高的冻土) 。 在长期荷载作用下，冻土的抗剪强度随时间降低，主要是由于冻土在 荷载作用下发生流动，降低了冻土的强度。 冻土流变是冻土在常荷载作用下变形随时间发展的过程，冻土流变 量和流变速率是温度、含冰量、时间及荷载的函数，这些参数影响着的 多年冻土流变特性。现有的多年冻土区桩基的设计思想就是消除季节活 动层土体冻胀而引起桩基的“冻拔 以及依靠桩周多年冻土的冻结力加 桩周土体的摩阻力，消除桩基的沉降量及冻胀量。经过对青藏高原多年 冻土区桩基进行调查，发现个别处于高温高含冰量及多年冻土厚度比较 薄地段的桩基变形主要表现为沉降。本文主要依据青藏高原多年冻土区 个别桩基变形特点，分析其变形特点及规律，并研究其沉降变形原因及 1 考虑切向流变的多年冻土区桩基沉降变形研究 机理，提出青藏高原多年冻土区桩基的沉降变形整治工程措施。 多年冻土区桩基在长期荷载作用下的流变将会导致桩基的缓慢沉 降，成为桩基的“慢性病”威胁多年冻土区建筑物桩基稳定，其在全球气 温升高、多年冻土地表条件恶化及水文条件改变等的影响下将产生长期 的较大的沉降变形，直接导致多年冻土区桩基或建筑物破坏。 1 1 多年冻土的流变特性研究 冻土的流变研究对于确定冻土地基强度和变形有重要的意义，国外 早在2 0 世纪3 0 年代就开展了冻土流变的研究，但较系统进行此项工作 还是在2 0 世纪5o 年代以后，而且取得了明显进展，提出了一系列冻土 流变理论【1 1 ，有些己在工程实践中得到了推广应用。但是由于冻土是复 杂的多相体，其属性往往随着土的温度和含水率( 冰) 状况而改变，因 此，目前对于冻土流变机理的认识也没有得到根本解决，在工程实践中 也存在较多急待解决的问题，冻土流变形仍是当前冻土研究中一个重要 课题。 对于冻土流变学的研究，前苏联著名的冻土学家，著名的冻土流变 学创始人维亚洛夫是最早从事冻土流变学研究的人，他认为冻土在试验 室条件下的流变特性可以分为衰减性蠕变和非衰减性蠕变【4j 。而非衰减 性蠕变又包含三个阶段：不稳定蠕变阶段、稳定的流动阶段、急剧流动 阶段。同时认为冻土区桩基回冻过程中由于水分迁移在桩基周围形成厚 度从极薄的一层至几毫米的冰层，冰膜的存在加剧了桩周冻土的蠕变。 提出了多年冻土在荷载作用下衰减性蠕变和非衰减性蠕变方程。 我国比较系统地进行冻土力学的理论研究起始于2 0 世纪7 0 年代。 旨在解决青藏铁路建设中冻土力学问题。其冻土强度与蠕变研究也是沿 袭前苏联的研究方法，通过大量室内外试验取得了许多成果，给出了工 程设计的应用参数1 2j 。 马巍等【6 】在“冻土蠕变及蠕变强度 一文中通过对冻土进行三轴和 单轴试验，阐述了三轴蠕变过程与单轴蠕变过程的前两个阶段可用统一 的蠕变方程表述，蠕变强度随时间的发展呈衰减趋势，最终趋于冻土的 长期强度。冻土蠕变的强度准则可用抛物线型方程给出，当应力小于 6 m p a 时，此强度准则与试验值吻合很好，当应力大于6 m p a 时，其差值 随时间增大越来越大。 马小杰等【7 】在“高温高含冰量冻土蠕变试验研究 中得出：高温高 含冰量冻土单轴压缩蠕变过程具有衰减特征。高温冻结粘土在相同温度 条件下含水率4 0 时强度最大，含水率l2 0 时次之，含水率8 0 时强度 2 硕士学位论文 最小。 吴紫汪等【8 】认为在冻土变形过程中存在着两个相互对立的现象一一 结构的弱化作用和强化作用，这两者同步进行。随时间的推移，如果结构 强化占优势，则变形具有衰减特征；如果结构弱化占主导，则发展以破 坏而告终的非衰减蠕变。蠕变过程中结构缺陷的增生与扩展制约着土的 结构的强化与弱化作用，控制着蠕变过程形态特征。 盛煜等【l3 】在“应用蠕变理论对冻土在增应力过程中的蠕变规律的几 何分析 中对蠕变理论进行了深入的研究，认为蠕变可分为老化理论、 遗传蠕变理论、硬化理论、流动理论，并分别给出状态方程。 截止目前，我国在冻土强度和蠕变的研究中已提出了冻土强度及破 坏特征；冻土及地下冰的蠕变规律；以及冻土承载力及长期强度确定方法； 并在第一台国产低温三轴仪上进行了系统的冻土三轴压缩和蠕变试验。 近年来还提出了冻土蠕变热力学模型及冻土蠕变破坏准则的一般形式。 目前，正在尝试引入热力学理论、断裂理论、损伤理论、位错理论和冰 一水相平衡等邻近学科的理论，开展多方面的试验，采用宏观统计与揭 示微观物理本质相结合的方法，探索建立冻土本构关系、应力松弛及蠕 变的物理模型 4 , 9 - 1 2 】。 1 2 多年冻土区桩基研究 中铁西北科学研究院( 原铁道部科学研究院西北研究所) 励国良等【1 4 1 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。 张建明等 1 5 - 1 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。当冻土中含水率达到饱和时，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。 b i g g e r 17 1 和s e g o 18 】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 3 考虑切向流变的多年冻土区桩基沉降变形研究 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，可充分提高冻土的 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。 程永锋等【”】认为温度是冻土桩基承载力的主要影响因素，且同一温 度下冻土桩基上拔承载力比下压承载力小。 俄罗斯费奥多罗维奇等【2 0 】对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10 l5 ，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 。 v y a l o v ，s l e p a k ，l u n e v 【2 1 】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，通过应用应变硬化蠕变理论来考虑冻 土的流变特性。 邱明国、李宁、吴世明等1 2 2 - 2 4 1 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一沉降曲线，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一沉降曲线呈陡降型，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。 沈忠言、祁长青、黄茂桓等 2 5 - 2 7 1 ，认为动力作用的速率效应可使冻 土的强度有所提高，冻土的最终动强度是两种动力效应的综合结果。 对于多年冻土区桩基的研究，n i n gl i 、m aw e i 、f e n gx i o n g 、a 1 - h o u r i 、 吴亚平、张军伟 2 8 - 3 4 】等国内外学者对桩基的变形特点进行了大量的阐 述。 1 3 桩一土相互作用数值计算研究 不管是采用连续介质力学方法还是地基响应法来建立桩基力学行为 4 硕士学位论文 分析的数学模型一般都是十分复杂的，特别是非线性数学模型，直接得 到问题的解析解或半解析解很困难，因此常常采用各种数值计算方法来 模拟桩基的力学特性，其研究成果也是桩基研究内容中最为丰富的一部 分。程昌钧教授【3 5 】及其研究组在桩基的数学建模及力学分析方面做了大 量系统的研究，为桩基的定性分析、数值模拟提供了理论依据。主要的 数值计算方法包括有限元方法、样条有限元方法、边界元方法和他们相 结合得到的混合方法等，对于动力学问题，还经常采用各种类型的摄动 法、复模态分析法、多时间尺度法、g a l e r k i n 平均化方法以及非线性动 力系统中的方法等35 1 ，b u t t e r f i c l d 和b a n c r je c 3 6 】应用m i n d l i n 基本解建 立了弹性土体的边界积分方程，并应用边界元求解了桩土相互作用的问 题。e l l i s o n 等 3 7 】、c h r i s t i a n o 等【38 1 、r a n d o l p h 39 1 、f a r u q u e 和d c s a i 4 0 】 利用有限元方法研究了轴向力作用下桩基的力学特性问题。m u q t a d i r 和 d d s a i 【4 l 】利用三维有限元模型求解了双曲型本构模型条件下桩土相互作 用。k u h c l m e y e r 4 2 】首先在频域内利用有限元方法对线弹性桩土系统的动 力响应问题进行了分析。a n g e l i d e s 等 4 3 】发展了这种有限元方法，在一定 条件下提出非线性粘弹性的线性化计算方法，并对非线性桩土系统进行 了研究。a r i s t o n o u s 4 4 】利用有限元方法系统研究了在弹塑性模型下桩土滑 移、间隙等对桩土相互作用的影响。 田海、暴雨 4 5 - 4 6 】在桩基和土体相互作用分析中做了大量的研究工 作，桩土相互作用分析中一个关键环节是两者相互作用面上的接触问题。 从数值方法的角度来说，接触分析大致分为三类途径【4 7 1 ：一是迭代法或试 验误差法；二是罚途径；三是直接法，即是把接触问题处理成一个约束 二次规划问题【48 1 。在岩土工程问题中，被广泛使用的方法是在土与结构 接触界面上构造不同形式的界面单元来模拟两者相互作用的力学行为， 即刚度位移法和内约束单元法( 拉格朗日乘子法) 。其中前者的突出特 点是在两接触材料的界面处人为地引入一类“粘连单元”，通过选择和迭 代来调整这类单元的性质参数以近似模拟界面的力学行为。对于这方面 的研究，g o o d m a n ，g h a b o u s s i ，k a t o n a ，h c r r m a n n ，d e s a i 等 4 9 - 5 5 】以及国内 的殷宗泽、雷晓燕 5 6 - 5 7j 都做过大量工作。 有限元方法是解决桩基力学问题常用的方法，该方法在模拟桩土相 互作用等方面有独到之处。人们利用有限元应用软件，可实现各类工程 结构的应力场、应变场、温度场以及动力响应分析的定量计算。对于复 杂的桩土耦合系统，特别是耦合非线性系统而言，寻找精度高、计算量 小、收敛速度快、稳定性好的数值方法值得关注 5 8 - 6 6 】。 综上所述，已有多年冻土桩基研究主要集中分布在我国东北地区、 5 考虑切向流变的多年冻土区桩基沉降变形研究 俄罗斯远东地区及美国阿拉斯加等高纬度低海拔多年冻土区，在这些地 区桩基的变形主要表现为冻拔，因此在设计和维护中主要解决桩基的冻 拔问题，一般的处理方案为季节活动层周围土体换填弱冻胀土和涂层润 滑剂以减少桩体的冻拔。根据这种研究结果在青藏铁路建设初期进行了 多年冻土区桩基的回冻、极限承载力现场试验。但是对于青藏高原多年 冻土区桩基，尤其是青藏铁路桩基在建设期大量采用的防冻拔工程措施， 桩基的冻拔现象不明显。本课题研究主要针对青藏高原多年冻土区桩基 变形特点，应用传统的冻土流变学理论，研究青藏高原多年冻土区桩基 的变形机理，为在该地区的桩基设计提供理论支持。 1 4 本文构想 1 4 1 主要研究内容 1 ) 收集国内外关于多年冻土流变特性、多年冻土区桩基变形特点、 桩土相互作用数值计算、青藏高原多年冻土区的自然地理条件及桩基设 计特点等大量相关文献，为研究青藏高原多年冻土区桩基的沉降变形提 供基础资料； 2 ) 从多年冻土的流变特性出发，在俄罗斯著名冻土科学家维亚洛夫 的蠕变基本方程基础上，结合青藏高原多年冻土区桩基周围多年冻土特 点，研究桩周冻土的流变特性及极限强度。 3 ) 通过对青藏高原多年冻土区既有桩基进行变形监测，研究青藏高 原多年冻土区既有桩基的沉降变形特征及规律。 4 ) 通过对既有试验桩基周围土体进行地质钻探、室内及室外试验、 地温场监测研究桩基的沉降变形原因。 5 ) 利用已有未冻土桩一土耦合系统计算模型，选用合理的假定条件， 采用大型数值计算软件f l a c 3 d ，结合现场实测数据作为试验参数，对 本文主要研究的典型试验桩基的变形进行数值模拟。研究青藏高原多年 冻土区桩基沉降变形成因及机理。 6 ) 针对青藏高原多年冻土区桩基沉降变形特征及机理，提出合理的 工程整治措施及设计建议。 1 4 2 研究方法 主要采用的研究方法如下： 1 ) 在收集了国内外相关资料的基础上，通过对青藏高原多年冻土区 既有桩基进行变形监测，研究青藏高原多年冻土区桩基的变形特征及规 律。 6 硕士学位论文 2 ) 通过对青藏高原多年冻土区桩基附近地基多年冻土进行工程地质 勘察、现场及室内试验、地温场监测，研究青藏高原多年冻土区桩基的 沉降变形原因。 3 ) 利用已有未冻土桩一土耦合系统计算模型，选用合理的假定条件， 采用大型数值计算软件f l a c 3 d ，利用现场实测数据作为试验参数，对 本文主要研究的典型试验桩基的变形进行数值模拟，并将计算结果与实 测变形 及机理 4 ) 青藏高 原多年 1 4 3 1 ) 季沉降 2 ) 地温场 形主要 流变， 3 ) 条件， 数，对 果与实 形成因 4 ) 用冷却 冻土区 考虑切向流变的多年冻土区桩基沉降变形研究 第2 章青藏高原多年冻土区自然地理条件及桩基 概况 随着青藏高原多年冻土区人为活动及工程建设的剧增，桩基作为建 筑工程极为重要的基础形式将发挥着不可替代的作用。桩基的稳定直接 影响到其上工程建筑物的安全及正常运行。青藏高原多年冻土区特殊的 自然地理特征及冻土工程地质条件在全球气温升高、人为活动以及水热 环境的改变条件下，直接影响多年冻土区桩基的稳定，给该地区桩基的 稳定带来安全隐患。因此，本章通过对青藏高原多年冻土区自然地理条 件及桩基设计特点进行分析，为研究青藏高原多年冻土区桩基的沉降变 形提供依据。 2 1 青藏高原多年冻土区自然地理条件及特征 2 1 1 气温 青藏公路以条带状自南向北穿越青藏高原，区域气温的空间分布受 不同地段海拔高度控制，同时也受纬度制约，公路穿越地区气温基本呈 现南高北低特征，年平均气温在3 0 以下。无论在寒季还是暖季，等温 图2 1 青藏高原1 月份气温等值线分布图 线都在高原上形成闭合冷中心( 图2 1 ；图2 2 ) 。最冷月平均气温一般 在1o 15 ，年内冻结期长达7 8 个月，很多地区最暖月平均气温 低于10 。独特的高寒气候，为青藏公路所发育的大范围的多年冻土提 供了良好的生存条件。 8 硕士学位论文 图2 2 青藏高原7 月份气温等值线分布图 表2 1青藏公路沿线多年冻土区各地段多年平均气温表 海拔高程年平均气温 地点纬度 ( 米)( ) 西大滩 3 5 。4 4 4 3 5 0 4 5 0 02 o 3 5 昆仑山 3 5 0 4 0 4 8 0 0 5 0 0 03 5 以下 楚玛尔河 3 5 。2 0 4 4 8 0 4 5 0 06 2 五道梁 3 4 。l5 4 61o6 5 北麓河3 4 。2 7 4 6 2 06 6 沱沱河 3 4 0 2 0 4 7 0 0 5 1 0 04 4 风火山 3 3 。5 0 4 5 0 0 4 7 0 06 6 通天河 3 30 3 0 4 8 0 04 4 布曲河谷 地 3 30 10 4 8 0 0- 4 1 温泉兵站 3 3o l o 4 8 9 04 7 唐古拉山 3 20 5 7 4 9 0 0 5 3 0 0 6 4 安多谷地 3 20 1 0 4 7 8 0 以下3 5 气温是多年冻土存在的能量来源，年平均气温是暖季和寒季气温累 计值的综合反映，寒、暖季气温累计值和平均值的变化，反映了地面热 量的消长，在一个时间段内，暖季平均气温的升高，意味着地面吸收热 量的增加；寒季平均气温的升高却意味着地面散发热量的减少，全年综 合的结果是地面热量积累