晏 昌，夏 瓊，2，周亞龍，王 旭，2

(1. 蘭州交通大學(xué)，土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2. 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

在電氣化鐵路中，接觸網(wǎng)立柱是必不可少的一部分，1根立柱的破壞會(huì)影響整條鐵路線路的運(yùn)行，立柱的穩(wěn)定性取決于立柱基礎(chǔ)[1]。在凍土地區(qū)，樁基礎(chǔ)是最常用的一種基礎(chǔ)形式，但已有資料表明，樁基礎(chǔ)的凍拔融沉破壞普遍存在[2]。20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)外研究人員就開始對(duì)凍土區(qū)樁基凍拔現(xiàn)象有所關(guān)注，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)以及數(shù)值分析的方法對(duì)凍拔破壞進(jìn)行研究，取得了豐碩的研究成果。蔣代軍[3]等通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與觀察，對(duì)比分析設(shè)置熱棒和未設(shè)置樁基的溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)等，得到熱棒樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性要優(yōu)于普通樁基礎(chǔ)。陸建飛[4]等采用自行設(shè)計(jì)的模型試驗(yàn)裝置，對(duì)樁與凍土的相互作用進(jìn)行了模擬，得出樁頂位移及樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律。閆曉建[5]從切向凍脹力的角度出發(fā)對(duì)錐形樁基礎(chǔ)進(jìn)行抗凍拔試驗(yàn)，得出樁基礎(chǔ)錐角越大切向凍脹力越小，且樁土接觸面的光滑程度會(huì)影響切向凍脹力的大小，樁土接觸面越光滑，切向凍脹力越小。吳亞平等[6-7]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，得到了樁身凍結(jié)力與樁端阻力之間的函數(shù)關(guān)系，研究了循環(huán)荷載大小、加載頻率和溫度對(duì)樁土流變效應(yīng)的影響。勵(lì)國(guó)良[8]等在青藏高原連續(xù)多年凍土區(qū)進(jìn)行了樁基的水平和垂直荷載作用下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，利用所得數(shù)據(jù)采用差分法得到了地基系數(shù)的分布。王騰飛[9]等通過數(shù)值模擬的方法，研究了多種螺旋樁在土體凍結(jié)過程中產(chǎn)生的凍拔量，并與光滑樁進(jìn)行對(duì)比分析，得出當(dāng)凍深發(fā)展到樁長(zhǎng)時(shí)，全螺旋小葉片樁的凍拔量為光滑樁的19.5%。

以上研究成果對(duì)樁基礎(chǔ)凍拔穩(wěn)定性問題的研究具有重要意義，但目前對(duì)既有路基中接觸網(wǎng)樁基礎(chǔ)在凍融循環(huán)過程中的受力變形規(guī)律還認(rèn)識(shí)不深。鑒于此，本文以青藏鐵路格拉段電氣化改造項(xiàng)目為工程背景，進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)在凍脹融沉作用下的土體溫度場(chǎng)、土體及樁頂位移變化規(guī)律、樁身受力特性進(jìn)行分析，以期對(duì)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)與參考。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)概述

本文采用室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法，對(duì)多年凍土區(qū)接觸網(wǎng)樁基礎(chǔ)在凍融循環(huán)過程中樁基礎(chǔ)周圍土體溫度場(chǎng)、樁基礎(chǔ)自身應(yīng)力場(chǎng)和樁土位移場(chǎng)進(jìn)行研究。模型試驗(yàn)進(jìn)行了3次凍融循環(huán)，凍融循環(huán)的周期為10 d，模擬了現(xiàn)場(chǎng)3年的溫度變化。查詢格拉段氣候特征，根據(jù)附面層理論[10]，確定模型試驗(yàn)的大氣溫度采用周期性變化函數(shù)，函數(shù)方程為T(t)=-2.5+12sin(2πt/10+π/2)，用以模擬活動(dòng)層溫度變化狀況，底板溫度控制在-2 ℃，用以模擬永凍層。模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)材料

1) 試驗(yàn)用土。試驗(yàn)用土取自青藏鐵路沱沱河段路基邊坡上，通過旋挖鉆機(jī)鉆取。對(duì)試驗(yàn)用土做篩分試驗(yàn)，繪制顆粒級(jí)配曲線(見圖1)，參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50123—2019)[11]，該土的名稱為含細(xì)粒土砂。

圖1 試驗(yàn)土樣顆粒級(jí)配曲線

2) 模型樁的制備。本文選用有機(jī)玻璃材料作為模型樁，樁截面為圓形，直徑55 mm，樁長(zhǎng)900 mm，埋深800 mm，彈性模量2.56 GPa。模型樁材料參數(shù)見表2。

表2 模型樁基本參數(shù)

1.3 試驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)采集

凍融循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

1.3.1 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)主要由環(huán)境箱、土體模型箱和高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置組成。高低溫恒溫液浴共2臺(tái)：1臺(tái)連接環(huán)境箱上部銅管，模擬活動(dòng)層溫度變化；另外1臺(tái)連接土體模型箱底部銅管，模擬多年凍土層溫度變化。高低溫恒溫液浴循環(huán)裝置是溫控系統(tǒng)的核心，為模型試驗(yàn)提供溫度條件。環(huán)境箱采用不銹鋼板制作而成，其內(nèi)部尺寸為0.7 m×1.7 m×1.9 m，不銹鋼板內(nèi)外壁填充保溫材料以達(dá)到良好的保溫效果。在環(huán)境箱中自制1個(gè)土體模型箱，土體模型箱尺寸為0.7 m×1.0 m×1.0 m，由5塊鋼架拼制而成，鋼架內(nèi)部鑲嵌木板，并在其四周粘貼10 cm厚的聚氨酯保溫材料。溫度控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)(單位：mm)

1.3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有溫度采集系統(tǒng)、應(yīng)變采集系統(tǒng)和位移采集系統(tǒng)。

1) 溫度采集系統(tǒng)主要由溫度巡檢儀和溫度傳感器組成。溫度巡檢儀采用常州安柏精密儀器有限公司生產(chǎn)的AT4708V系列多路溫度測(cè)試儀，測(cè)試精度±0.6 ℃，共64個(gè)通道。溫度巡檢儀設(shè)定采集時(shí)間間隔為5 min，通過USB輸出端輸出數(shù)據(jù)。溫度傳感器使用的是pt100鉑熱電阻，pt100鉑熱電阻直接連接溫度巡檢儀，其工作范圍為-50～+200 ℃，精度為0.01 ℃。

2) 位移測(cè)試系統(tǒng)使用武漢巖海工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的JYC測(cè)試儀，主要由RS-JYC主機(jī)、中繼器、 位移傳感器(調(diào)頻式)、電源適配器、分析軟件等部分組成。位移傳感器的量程為50 mm，精度為0.01 mm。設(shè)定的采集時(shí)間間隔為30 min。

3) 應(yīng)變采集系統(tǒng)。本文凍脹力的采集是通過在樁周粘貼應(yīng)變片，然后通過引線連接INV2366N多功能靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀進(jìn)行采集。由于溫度的變化會(huì)對(duì)樁體應(yīng)變采集產(chǎn)生影響，因此要對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其具體做法是在樁身同一高度處粘貼2片相同的應(yīng)變片，其中一片沿樁身軸向粘貼，為測(cè)量片，另一片沿樁身環(huán)向粘貼，為補(bǔ)償片。采集時(shí)間間隔為10 min。

1.4 試驗(yàn)過程

1) 按設(shè)計(jì)要求制作好土體模型箱、環(huán)境箱、模型樁，并在樁周粘貼應(yīng)變片。應(yīng)變片布置如圖3所示，沿樁長(zhǎng)方向每隔100 mm對(duì)稱布置2個(gè)應(yīng)變片，共布置8個(gè)斷面。

圖3 應(yīng)變片布置(單位：mm)

2) 配制目標(biāo)含水量的試驗(yàn)用土，要求土體均勻，并進(jìn)行密封悶土。

3) 每20 cm逐層填土，并夯實(shí)壓平，邊坡坡度為1﹕1.5，控制壓實(shí)度K為0.9，按要求進(jìn)行測(cè)試元件的埋設(shè)及安放模型樁，傳感器及模型樁布置如圖4所示。溫度傳感器共19個(gè)，路基頂面以下10個(gè)，邊坡頂面以下8個(gè)，其沿土體深度方向的間距為100 mm，環(huán)境箱空氣中1個(gè)。位移傳感器分布在路基、路肩、邊坡、樁頂豎直及樁周土體，共5個(gè)。

4) 模型填筑完成后，靜置24 h待用。啟動(dòng)控制土體模型箱底板溫度的凍融循環(huán)系統(tǒng)，數(shù)日后，直到底板以上20 cm范圍內(nèi)的土體溫度達(dá)-2 ℃左右，并保持設(shè)置溫度不變。

(a) 俯視圖

5) 開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及控制環(huán)境溫度的凍融循環(huán)系統(tǒng)，環(huán)境溫度呈周期性的“正弦”函數(shù)變化。環(huán)境溫度控制曲線如圖5所示。

圖5 環(huán)境溫度控制曲線

6) 試驗(yàn)完成后，整理相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融過程土體溫度場(chǎng)分析

2.1.1 溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

圖6為路基及邊坡土體溫度隨時(shí)間變化曲線，可以看出：模型箱內(nèi)土體在開始凍融循環(huán)時(shí)，底板以上20 cm內(nèi)土體溫度在-2 ℃左右；隨著環(huán)境箱內(nèi)空氣溫度“正弦”式變化，各深度處土體溫度隨時(shí)間也呈“正弦”狀分布。試驗(yàn)土體共經(jīng)歷了3次凍融循環(huán)，以第2～3個(gè)周期路基頂面以下土體為例分析溫度隨時(shí)間變化規(guī)律。在降溫階段(10～15 d、20～25 d)，各深度土體溫度先緩慢增大后減小，但變化幅值隨深度的增加逐漸減?。辉谏郎仉A段(15～20 d、25～30 d)，不同深度處土體溫度先減小后增大，這是由于土體溫度的變化相對(duì)于環(huán)境溫度的變化出現(xiàn)滯后，且隨深度的增加，滯后效應(yīng)越明顯。邊坡頂面以下土體與路基類似，不再贅述。

(a) 路基

(b) 邊坡圖6 溫度隨時(shí)間變化曲線

圖7為土體在凍融循環(huán)過程中等溫曲線，可以看出：試驗(yàn)開始時(shí)，凍土上限約為0.8 m；隨著第1個(gè)周期凍融循環(huán)過程的結(jié)束，土體溫度場(chǎng)呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)，第2～3周期凍土上限均約為0.3 m。以圖7(a)路基等溫線為例進(jìn)行分析，隨著凍融循環(huán)過程的推進(jìn)，在10～15 d及20～25 d路基表層以下約0.3 m范圍內(nèi)出現(xiàn)融化圈，最大融深分別出現(xiàn)在12 d及22 d附近。結(jié)合圖6(a)可知，在12 d及22 d附近，此時(shí)環(huán)境溫度由正變負(fù)，即土體出現(xiàn)最大融深對(duì)應(yīng)的時(shí)間為環(huán)境溫度由正變負(fù)的時(shí)刻。圖7(b)為邊坡以下土體等溫曲線，邊坡頂面以下土體與路基類似，不再贅述。

(a) 路基

(b) 邊坡圖7 凍融進(jìn)程等溫曲線

2.1.2 溫度隨深度變化規(guī)律

以第2周期路基頂面以下土體為例，分析溫度隨深度變化規(guī)律。降溫和升溫過程溫度隨深度變化曲線如圖8所示，可以看出：溫度沿深度呈“階梯”分布；在降溫階段，土體溫度呈下降趨勢(shì)，活動(dòng)層內(nèi)土體溫度變化幅度大，表層土體變化幅值最大，由+2.12 ℃降到-6.71 ℃；升溫過程中，由于環(huán)境溫度變化與土體溫度變化有滯后現(xiàn)象，表層土在第16 d達(dá)到最低-7.91 ℃。永凍層土體溫度維持在-2 ℃左右。

(a) 降溫過程

(b) 升溫過程圖8 溫度沿深度變化曲線

2.2 凍融循環(huán)作用下樁土位移場(chǎng)分析

圖9為第2～3周期內(nèi)路基、路肩及邊坡處位移變化曲線，由圖可知：土體位移的變化與環(huán)境溫度緊密相關(guān)，路基、路肩及邊坡處位移變化趨勢(shì)基本一致。以第3周期為例進(jìn)行分析：在降溫階段初期，路基、路肩及邊坡土體位移基本不變；隨著環(huán)境溫度的持續(xù)下降，路基、路肩及邊坡土體開始產(chǎn)生凍脹，不同位置處土體起始凍脹時(shí)間略有差異。隨著凍結(jié)過程的繼續(xù)推進(jìn)，土體位移迅速增大，并達(dá)到最大凍脹位移，路基、路肩及邊坡處土體最大凍脹量分別為0.52、3.22、2.41 mm，最大凍脹量關(guān)系為路肩>邊坡>路基。在隨后的環(huán)境溫度升高過程中，土體開始融化，不同位置處土體位移均出現(xiàn)緩慢下沉的趨勢(shì)。

圖10為第2～3周期樁頂豎直和樁周土體位移變化曲線。以第2周期為例進(jìn)行分析，由圖可知：隨著環(huán)境溫度持續(xù)下降，樁周土體發(fā)生凍結(jié)，并在12 d附近迅速凍脹，樁體的凍拔速率遠(yuǎn)小于樁周土，樁周土的最大凍脹量為1.15 mm，遠(yuǎn)大于樁基的最大凍拔量0.26 mm；隨后在環(huán)境溫度升高過程中，樁及樁周土開始緩慢下沉。

圖9 路基、路肩、邊坡位移變化曲線

圖10 樁土位移變化曲線

2.3 凍結(jié)過程中樁身應(yīng)力變化規(guī)律

樁身軸力及切應(yīng)力的大小是通過在樁周粘貼應(yīng)變片獲取。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，樁身軸力Ni及切應(yīng)力fi的計(jì)算式為

Ni=EAεi，

(1)

(2)

式中：A為樁橫截面面積；E為材料彈性模量；εi為第i段應(yīng)變，由應(yīng)變采集儀實(shí)時(shí)采集；fi為第i段切向應(yīng)力，向上為正；Ni和Ni+1分別為第i段樁頂和樁底軸力；D為樁的直徑；L為相鄰應(yīng)變片的豎直間距。

以第2周期為例分析樁身應(yīng)力變化規(guī)律，圖11為凍結(jié)過程樁身軸力及切向凍脹力變化曲線。由圖11(a)可以看出：軸力在整個(gè)樁長(zhǎng)范圍內(nèi)為正，樁基整體受拉，從樁頂?shù)綐兜?，軸力先增大后減小，約30 cm處樁身軸力最大，且軸力沿樁長(zhǎng)方向呈非均勻變化，在上部活動(dòng)層范圍內(nèi)，軸力變化率大，下部永凍層范圍內(nèi)軸力變化率較小。隨著凍結(jié)過程的持續(xù)進(jìn)行(11 d～15 d)，樁身軸力不斷增大，在15 d 深30 cm處的樁身軸力最大值達(dá)到5.17 kN。

由圖11(b)可知：在凍結(jié)過程初期，切應(yīng)力較小，隨著凍結(jié)過程的繼續(xù)進(jìn)行，樁基礎(chǔ)開始上拔，切應(yīng)力逐漸增加；切應(yīng)力在模型樁的上部分為方向向上的凍脹應(yīng)力，下半部分為方向向下的凍結(jié)應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在第15 d地表附近，且在整個(gè)樁長(zhǎng)上大致平衡。

(a) 樁身軸力變化曲線

3 結(jié)論

1) 在凍融循環(huán)過程中，樁周土體和邊坡溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)相似，各深度處土體溫度隨時(shí)間呈“正弦”狀分布，且隨深度的增加，其變化幅值逐漸減小。

2) 在1個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)，路基、路肩及邊坡處位移變化趨勢(shì)基本一致，在降溫階段初期，土體位移基本不變，隨著凍結(jié)過程的繼續(xù)進(jìn)行，路基、路肩及邊坡凍脹量迅速增大，最大凍脹量的關(guān)系為：路肩>邊坡>路基；樁周土的最大凍脹量為1.15 mm，遠(yuǎn)大于樁基的最大凍拔量0.26 mm。

3) 在凍結(jié)過程中，樁基礎(chǔ)整體受拉，從樁頂?shù)綐兜祝S力先增大后減小，且在整個(gè)樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，軸力呈非均勻變化，在上部活動(dòng)層范圍內(nèi)，軸力變化率大，永凍層范圍內(nèi)軸力變化率較小，約30 cm處樁身軸力最大；切應(yīng)力在模型樁的上部分為方向向上的凍脹應(yīng)力，下半部分為方向向下的凍結(jié)應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在地表附近，且大致平衡。