近几年，我国重大基础设施工程建设向寒冷地区转移趋势尽显。作为寒冷区域工程的基础承载体，冻土桩基在不同类别环境、运营条件下的力学特性得到了工程建设者的极大关注。因此，为了给冻土桩基施工提供一些参考，利用冻土低温循环三轴试验方法，研究了冻土桩基在往复循环荷载下的力学特性及变化规律。结果表明，作为特殊岩土材料，在低温循环荷载下，桩侧冻结应力呈现出先增加后减小趋势，在桩深10.0 cm位置出现较大值；而桩身应变、桩身轴力均随着荷载幅度的增加而增加，随着温度的下降而减少。
通过给冻土单桩模型上端施加循环荷载,分析循环荷载幅值、频率及冻土温度的变化对桩身应变、桩身轴力、桩侧冻结应力以及桩土相对位移的影响规律,开展循环荷载作用下冻土桩基力学特性的研究。研究结果表明:桩身应变随着加载时间先增加后稳定,且低温环境和小荷载条件下更有利于桩身应变的稳定;桩身的应变随荷载幅值及频率的增加而变大,随温度的降低而减小;桩身轴力沿着桩深不断减小,是由于桩侧土体使桩从上部开始受力;低温环境下桩身轴力相对较小,这是冻土地区桩基稳定的有利条件;桩侧冻结应力首先从桩基的上端发挥作用,并逐渐向下传递,分别增大荷载幅值、频率及降低温度都会增强桩侧冻结应力;桩土相对位移受荷载幅值、频率及温度的影响明显,频率能够影响桩土的承载模式。
讨论了循环荷载作用下冻土的变形特性,总结了前人对冻土变形特性的研究成果。重点阐述了影响冻土变形特性的主要因素,包括土质、含水量、含冰量、温度、围压、动应力振幅和频率对冻土变形特性的影响及其研究现状和主要结论。简要论述了冻土开挖方面的研究情况,并强调了冻土机械开挖方法的重要性。最后针对高效开挖冻土的实际需求,提出了进行冻土变形特性进一步研究的几点建议。
通过新型低温动三轴仪的等幅循环荷载试验,以更为符合客观实际的围压、动应力幅值以及固结和冻结方式,研究了冻土冻结期的残余应变规律,包括了温度、荷载作用大小和次数对冻土的残余应变的影响。结果表明:冻土的残余应变随着荷载振动次数的增加不断增长,随着温度的降低不断减少;冻土的残余应变增长模式表现为开始阶段残余应变增长较快,后逐步缓慢增长,当动应力超过临界破坏应力之后,土试样残余应变迅速增长并达到破坏;低温冻土破坏应力较常温较大提高,低温-5℃提高了20%25%,低温-10℃提高了45%50%;冻土大多数荷载情况下处于非破坏状态,在一定次数荷载作用后,不同温度土的残余应变发展近似平行状态,大动应力幅值下的土试样的残余应变对温度更敏感。试验设计克服了以往试验过大固结应力和过大动应力的缺欠,得到的结果应符合客观实际。
为明确冻土地区混凝土桩基在循环荷载作用下桩土流变效应对桩端位移、桩端阻力以及桩侧冻结应力的影响,利用在冻土中的混凝土模型桩顶端施加正弦波循环荷载的方法,包括改变循环荷载大小、加载频率和冻土温度,开展了循环荷载下桩土流变效应的研究。结果表明:循环荷载大小、荷载频率及冻土温度是影响混凝土单桩-冻土流变效应的主要因素;冻土流变效应的存在,致使桩侧冻结应力随时间推移而降低,而桩端阻力逐渐变大;荷载频率增大,桩侧冻结应力也随之变大,而趋于稳定的时间较短;温度升高,桩端位移就越大,桩侧冻结应力越小,其趋于稳定所需时间也较长;对于多年冻土区桩基础,在设计及运营中应尽量保持及降低冻土的负温,降低荷载频率。
对-1℃的冻土试样在频率为3,5,8 Hz的循环荷载下进行了单轴压缩试验,探讨了冻土在循环荷载下的累积变形和动强度。结果表明:循环荷载作用下冻土的累积变形大小由加载的最大动应力大小决定,同一频率下加载的最大动应力越大,相同循环次数时的累积应变越大;根据加载的最大动应力的大小,累积应变与循环次数的关系曲线可表现为破坏型、稳定型和过渡型3种形态之一。加载频率对冻土累积应变的影响规律复杂,且受加载的最大动应力影响;当最大动应力较小时,频率的影响不明显;当最大动应力比较适中时,大体上频率越高,累积应变越大;当最大动应力比较大时,频率越高,累积应变越小。在3%,5%和10%的破坏应变下,频率为8 Hz时冻土的动强度最大,而3 Hz和5 Hz的动强度比较接近。
对-1℃的冻土试样在频率5 Hz的循环荷载下进行了单轴压缩试验,探讨了冻土在循环荷载下的滞回圈演化规律。结果表明:累积应变与循环次数的关系曲线可分为破坏型和稳定型。对于破坏型曲线,循环过程中滞回圈表现出从稀疏—紧密—略微稀疏的变化特征,滞回圈的不闭合程度和面积都呈现出从大—小—略微变大的特征;对于稳定型曲线,循环过程中滞回圈表现出从稀疏—紧密的变化过程,滞回圈的不闭合程度和面积整体上看都比较小,且有逐渐变小的趋势。无论破坏型还是稳定型曲线,各个循环的卸载段始终表现出应变滞后于应力;对于破坏型曲线,初始循环的加载段应变滞后于应力,到一定循环次数后应变基本与应力同步,滞回圈呈柳叶型;对于稳定型曲线,初期循环的加载段应变基本与应力同步,到一定循环次数后应变超前于应力,滞回圈呈新月型。最大动应力越大,滞回圈的面积越大,每个循环中的能量耗散越多,试样越容易破坏。
对-0.5、-1.0、-1.5℃三种温度下的冻土试样进行单轴循环压缩试验,每5秒测试一次试样内部的温度,得到了不同振动频率、动应力幅值下冻土试样内部温度随振动时间变化的曲线。结果表明:在循环荷载作用下冻土内部温度会升高,动应力幅值越大,温升速率越大;在一定动应力幅值范围内,随着振动频率的增大,温升速率增大;温升幅值受土样是否破坏以及达到破坏的时间长短影响,在一定动应力幅值下,适中的某一振动频率下其内部温升幅值最大;冻土试样的破坏受其内部温度升高的影响,如果冻土试样内部温度不断升高,试样最后将会发生破坏;而不会破坏的试样内部温度升高到一定值后保持稳定或开始下降,这是由于试样和所处环境之间的热交换引起的。
基于低温动三轴试验资料,研究了青藏铁路北麓河粉质黏土在往返长期加荷作用下的变形特征。在不同温度、动应力幅、频率、围压条件下考察冻土轴向残余应变与振次的试验关系曲线,建立了冻土振陷模型,并讨论了模型参数及其影响因素。研究表明,(1)模型参数受拟合所采用的振次水平影响较大,参数B(黏塑流蠕变率)随振次的增加而迅速减小,参数C(蠕变衰减系数)随振次的增加而迅速增大;(2)除迅速破坏的试件外,当振次达到一定临界值以后,B、C两参数都逐渐趋于稳定;相同振次水平下B、C参数均随温度升高、动应力幅值增大、围压增高而增大,随频率的增加而减少,且频率大于6Hz时对参数影响很小。此项研究对于合理预测动力荷载长期作用下由冻土残余变形而产生的沉降量具有重要意义,且为冻土动力学研究积累基础试验成果。
基于低温动三轴试验,研究中国青藏铁路北麓河路基冻结粉质黏土在轴向分级循环荷载作用下的变形特征。在不同负温、频率、围压、含水率条件下,考察冻土试件轴向残余应变时程曲线,获得轴向动应变速率受动应力幅值影响大,并随应力比增大而增大,随负温降低、频率升高、含水率增大而减小,随围压增加而线性增大的结论;据此,提出采用幂函数拟合应力比、负温、含水率、频率与轴向动应变速率之间关系,并合理解释冻土特有的振融沉陷的成因机理。有利于合理预测青藏铁路等实际工程在交通荷载作用下由冻土动力残余变形而产生的沉降量,并对于进一步研究冻土路基列车行驶振陷问题具有重要意义,且为建立冻土疲劳模型积累基础试验成果。