全球气温变暖,冻土的上限下移使得桩周土体融沉量改变进而引起桩侧负摩阻力的变化,最终影响桩基长期服役性能。为了研究大气温度升高对冻土区桩侧负摩阻力的影响,基于查拉坪大桥16号桩实际地勘资料,考虑大气温度升高预测10、30、50、70年后桩侧土体温度场变化,并基于预测的温度场开展室内模型试验,研究当年、10、30、50、70年后冻土桩桩侧负摩阻力的变化规律。试验得到冻土桩桩侧负摩阻力在10年、30年、70年分别为5.2 kPa、2.4k Pa、2.0 kPa。分析认为,在当年工况到10年后工况过渡的阶段,由于桩体和大气温度的共同作用,桩侧冻结力明显减小,桩侧产生较大的负摩阻力;随着年份的增加,较深处地温的降低使得桩侧冻结力明显增加,因此桩侧负摩阻力逐渐减小。
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。
通过多年冻土区大气温度与地温关系,得出季节冻结期和季节融化期地面温度,进一步确定季节冻结及季节融化深度。综合地面温度得出多年冻土厚度随时间变化的关系,将大气温度、地面温度、融冻层厚度及多年冻土厚度变化建立起与时间相关的联系方程。考虑大气温度变化分析桩土相互作用并建立桩土相互作用模型。综合联系方程、桩土分析模型及冻土地区建筑地基基础设计规范中的单桩竖向承载力公式,建立了联系大气温度、地面温度、季节融冻深度、多年冻土层厚度变化与桩基承载力的关系预报模型,为预测在设计使用年限内随着大气温度变化桩基的工作状况提供较为科学的依据。
【中文摘要】本课题以我国自由大气对流层空间温度结构为研究目标，利用均一化的探空温度序列，建立我国大气零温层高度数据集，在此基础上研究我国大气零度层高度的时空变化特征以及与对流层升温的关系，研究表明：中国零度层高度具有显著的季节和区域差异；1958－2005年中国大部地区零度层高度呈上升趋势，且1979年后增高趋势明显增大。年代际变化分析揭示中国零度层高度整体上升发生于上世纪90年代，滞后于80年代的我国对流层升温；高纬零度层变率明显高于低纬。ENSO是影响中国东部零度层高度变化的主要因子，而西部的影响因子需进一步研究。研究了零度层高度变化对积雪、冰川和冻土的影响：利用均一化探空和地面资料改进了高海拔地区气温直减率的计算，修订了我国冰川雪线、冰缘线的计算方法，分析了其地理分布和长期变化趋势。零度层高度与冰川零平衡线高度、冻土活动层厚度具有显著正相关关系，春季零度层高度与雪盖消失时间具有显著的负相关关系。本课题的研究成果对于了解区域尺度上气候变暖对大气和地球表面环境的影响具有重要意义，有望提高我国西部气候变化的研究水平，并提供新的视角认识冰冻圈对全球变暖的相应机制。
2008-01