设计开展了不同温度和初始干密度工况下冻土桩基的水平承载特性试验,试验结果表明:相同温度下,桩基的桩顶位移随干密度的增大而逐渐减小,但是当温度为-0.5℃时,桩顶位移随干密度的增大而增大,相同干密度情况下,温度越高,桩顶位移越大,且破坏方式由脆性向塑性转变;荷载和温度越高,干密度越小时,桩身最大弯矩值越大,对桩身产生的弯矩影响范围也越大;采用等时荷载—位移曲线法得到了不同工况下桩基的临界水平承载力,并经拟合分析得到了冻土桩基在不同工况下的水平临界承载力经验公式,相关研究结果可为冻土地区桩基工程设计和施工提供借鉴。

依据应力波反射法的基本理论,通过室内冻土三轴试验得到应力-应变曲线,并计算得到土体在不同温度下的弹性模量,然后利用ANSYS软件建立桩土有限元模型。将室内试验所得土体参数代入数值模拟,分别得到三种工况下桩顶节点的速度波曲线。结果表明,完整桩只在桩底处产生反射波,且与入射波的相位相同。当桩周为黄土,沿桩身传播的速度波入射波与反射波波峰值均高于桩周为冻土的;随着桩周冻土温度的降低,整个波形的衰减趋势越加明显。因此,土体弹性模量对桩基完整性检测有重要影响。

通过青海国道G227桥涵病害普查发现,由于桩基冻土融沉而造成桥台病害及盖梁开裂的现象在冻土退化边缘带分布广泛。根据实测数据及Midas FEA仿真综合分析得知:桩侧土融沉过程中,桩基承载力从桩身中上部向桩底1/3处移动,桩位移显著增大,在不同温度下,桩下沉位移差别较大,冻土上限区域有必要通过减小摩擦的方式降低负摩阻力及冻胀力的影响。

研究发现温度场的变化会对高原冻土区桩基承载力产生影响,针对某铁路桥梁桩基出现的承载力下降现象,考虑桩土所处的复杂温度条件,采用ANSYS有限元软件建立桩基温度场模型,分析冻土温度场变化对该桩基承载力的影响。结果表明:承压水、太阳辐射和气候变暖等因素的作用使桩土界面温度升高,导致桩基础容许承载力下降,温度场对冻土区桩基稳定性的影响不可忽视,桩基础施工应尽量减少热量带入到冻土地区中,减小对冻土的热扰动。

多年冻土地区桥梁工程往往由于地基的冻融作用,不良冻土地区冻融的影响,会产生各种工程病害,从而影响工程使用。文章通过对季节性冻土桩基静载试验来分析验证桩基的承载力能否满足设计使用要求。

基于非稳态温度场控制方程,结合冻土桩基的特点,考虑边界条件和冻融相变过程,建立伴有相变的桩基非稳态温度场有限元计算模型。实例计算结果表明,在冻土区浇筑混凝土桩,对桩周围冻土的地温场将产生较长时间的影响。

运用虚位移原理推导出三维非线性接触单元的等效单元刚度一约束矩阵;通过建立冻土地基的热弹塑性-蠕变增量应力应变关系及几何方程得出冻土地基的热弹塑性-蠕变单元平衡方程。根据桩土共同作用的工作特性,通过引入非线性接触单元将冻土地基的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模式与混凝土桩联系起来,建立了冻土区桩土共同作用的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模型,通过模型计算结果与实测比较表明,该计算模型能较好地体现桩冻土共同工作性能。

根据桩土共同作用的工作特性,引入非线性接触单元将冻土地基的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模型与混凝土桩联系起来,建立冻土区桩土共同作用的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模型,计算结果与实测比较表明,该计算模型能较好地体现桩冻土共同工作性能。