Bearing Capacity of Frozen Soil Pile Foundations in Cold Regions: A State-of-the-Art Review
-
摘要: 冻土地区季节性的温度变化、大气升温以及人类工程活动加剧，常引起桩基冻胀融沉、倾斜、混凝土开裂等灾害，造成桩基的承载力降低，给寒区冻土桩基带来新的更大挑战。通过回顾国内外相关文献，对冻土桩基的承载性能目前的研究现状进行了总结。从特殊的冻土性质出发，描述了冻土桩基体系主要的受力形式及其作用特征；从桩–冻土界面力学特性试验及荷载传递机制两个方面，阐述了冻土区桩–土界面力学特性变化机制；从试验研究、理论分析以及数值模拟三个方面，阐明了冻土桩基承载性能变化规律及分析、预测方法；归纳了冻土区桩–土体系温度、水分、应力应变等方面的监测技术。对寒区冻土桩基承载特性未来的研究提出了展望。Abstract: In cold regions, seasonal temperature variations, atmospheric warming, and intensified human engineering activities often lead to disasters such as frost heaving, thaw settlement, tilting, and concrete cracking in pile foundations. These incidents often result in the decrease of the bearing capacity of pile foundations, posing new and greater challenges to pile foundations in cold regions. The current research status of the bearing capacity of frozen soil pile foundations was summarized. Based on the unique properties of frozen soil, the main force types and characteristics of frozen soil pile foundation systems were described; the changing mechanisms of mechanical properties at the pile-frozen soil interface were detailed in terms of experimental testing and the load transfer mechanism; the variations in the bearing capacity of frozen soil pile foundations and the methods for analysis and prediction were illustrated from the perspectives of experimental tests, theoretical analyses and numerical simulations; main monitoring techniques for temperature, moisture, stress and strain in the pile-frozen soil system were also described. Finally, prospects for future research on the bearing characteristics of frozen soil pile foundations in cold regions were presented.
-
表 1 环境温度监测技术
温度监测技术 工作原理 优点 缺点 热敏电阻 电阻值随温度变化 成本低、整体性好、可预测 局部测量 热电偶 通过电线测量温度差 覆盖宽、响应快 信号差、易腐蚀 红外技术 通过物体发出的热辐射进行温度测量 精度高 易受电磁干扰 光纤光柵环境监测器 把待测的各种物理量转变为光的特性变化 精度高、抗电磁干扰、适合远距离传输 在测量应变时必须进行温度补偿 
下载: 导出CSV
表 2 水分变化监测技术
水分监测技术 基本原理 优点 缺点 水分计 通过测量土体的介电常数来测量土体体积含水率 实用价值高、反应时间短、不受电磁干扰 监测范围小、水分计之间互相干扰 电阻率 通过电阻率与温度、温度与水的关系，
间接利用电阻率测量土中水含量自动化程度高、测量精度高 容易受土壤类型、温度、盐分浓度影响 中子仪法 通过记录快中子遇到与其质量相近的
氢原子变为慢中子的数量来计算含水量具有代表性、准确性高、仪器价格适中 仪器垂直分辨率较差，表层测量因
快中子散逸而引起误差γ射线法 用探头接收γ射线透过土体后的能量，
与土壤水分含量换算测量测量快速、准确，连续自动监测原位土 土体干密度影响大，仅适于实验室测定 时域反射法 通过电磁波传播速度与土体介电常数呈对应关系测量 测量快速、准确 校正复杂，且价格昂贵 遥感法 通过不同土壤中电磁波强度的不同进行水分测量 测量的空间范围大 监测深度具有局限性且测定数据精度不高
下载: 导出CSV
-
[1] ZHANG, T, BARRY, R G, KNOWLES, K, et al. Statistics and characteristics of permafrost and ground-ice distribution in the Northern Hemisphere[J]. Polar Geography,2008,31(1-2):47-68. doi: 10.1080/10889370802175895 [2] 陈肖柏, 刘建坤. 土的冻结作用与地基[M]. 北京: 科学出版社, 2006. [3] 徐学祖, 王家澄, 张立新. 冻土物理学[M]. 北京: 科学出版社, 2001. [4] 王万平, 张熙胤, 陈兴冲, 等. 考虑冻土效应的桥梁桩–土动力相互作用研究现状与展望[J]. 冰川冻土, 2021, 42(4), 1213-1219. [5] 刘乃飞, 李 宁, 何 敏, 等. 基于水–热–力合模型的钻孔灌注桩承载力影响因素分析[J]. 冰川冻土,2014,36(6):1471-1478. [6] 王 旭, 蒋代军, 赵新宇, 等. 多年冻土区未回冻钻孔灌注桩承载性质试验研究[J]. 岩土工程学报,2005,27(1):81-84. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2005.01.013 [7] 张玺彦, 盛 煜, 黄 龙, 等. 切向冻胀力的研究现状及展望 [J]. 冰川冻土, 2020, 42(3):13. [8] 吴紫汪, 王雅卿, 沈忠言, 等. 基础与冻土间冻结强度的实验研究[C]// 第二届全国冻土学术会议论文选集. 兰州: 甘肃人民出版社, 1981. [9] 孙建波, 徐春华, 徐学燕. 冻土地区工程桩负摩阻力试验研究 [J]. 施工技术, 2011, 40(7):4. [10] 石泉彬, 杨 平, 谈金忠, 等. 冻土与结构接触面冻结强度压桩法测定系统研制及试验研究[J]. 岩土工程学报,2019,41(1):139-147. [11] SUN W, WU A, HOU K, et al. Real-time observation of meso-fracture process in backfill body during mine subsidence using X-ray CT under uniaxial compressive conditions[J]. Construction and Building Materials,2016,113:153-162. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.03.050 [12] 李永波, 张鸿儒, 全克江. 冻土–桩动力相互作用模型试验系统研制[J]. 岩土工程学报,2012,34(04):774-780. [13] LIU J, LV P, CUI Y, et al. Experimental study on direct shear behavior of frozen soil-concrete interface[J]. Cold regions science and technology,2014,104:1-6. [14] TANG L, DU Y, LIU L , et al. Experimental study of the frozen soil–structure interface shear strength deterioration mechanism during thawing[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2021, 14:2704. [15] 唐丽云, 王 鑫, 邱培勇, 等. 冻土区土石混合体冻融交界面剪切性能研究[J]. 岩土力学,2020,41(10):3225-3235. [16] 陈 拓, 赵光思, 赵 涛. 寒区黏土与结构接触面冻结强度特性试验研究[J]. 地震工程学报,2018,40(3):512-518. doi: 10.3969/j.issn.1000-0844.2018.03.512 [17] 温 智, 俞祁浩, 张建明, 等. 青藏直流输变电工程基础冻结强度试验研究[J]. 岩土工程学报,2013,35(12):2262-2267. [18] 何鹏飞, 马 巍, 穆彦虎, 等. 冻融循环对冻土–混凝土界面冻结强度影响的试验研究[J]. 岩土工程学报,2020,42(2):299-307. doi: 10.11779/CJGE202002011 [19] 张明义, 白晓宇, 高 强, 等. 黏性土中桩–土界面受力机制室内试验研究[J]. 岩土力学,2017,38(8):2167-2174. [20] 唐丽云, 杨更社. 多年冻土区桩基竖向承载力的预报模型[J]. 岩土力学,2009,30(z2):169-173. [21] 汪仁和, 王 伟, 陈永峰. 冻土中单桩抗压承载力模型试验研究[J]. 冰川冻土,2005,27(2):188-193. [22] WOTHERSPOONA L M, SRITHARAN S, PENDER M J. Modeling the response of cyclically loaded bridge columns embedded in warm and seasonally frozen soils[J]. Engineering Structures,2010,32(4):933-943. doi: 10.1016/j.engstruct.2009.12.019 [23] 张军伟, 马 巍, 王大雁, 等. 青藏高原多年冻土区钻孔灌注桩承载特性试验研究[J]. 冰川冻土,2008,30(3):482-487. [24] MORGENSTERN N R, ROGGENSACK W D, WEAVER J S. The behaviour of friction piles in ice and ice-rich soils[J]. Canadian Geotechnical Journal,1980,17(3):405-415. doi: 10.1139/t80-047 [25] 励国良, 赵西生, 王化卿, 等. 多年冻土地区桩基试验研究[J]. 铁道学报,1980,2(1):12-16. doi: 10.3321/j.issn:1001-8360.1980.01.008 [26] 刘靖波, 张辰熙. 多年冻土地区桩基础承载力试验研究[J]. 低温建筑技术,2013(7):119-120. doi: 10.3969/j.issn.1001-6864.2013.07.046 [27] 胡海东, 吴亚平, 孙永宁, 等. 冻土区桩侧水热效应对桩基稳定性影响的模型试验研究[J]. 科学技术与工程,2017,17(17):325-329. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2017.17.050 [28] TANG L, WANG K, DENG L, et al. Axial loading behaviour of laboratory concrete piles subjected to permafrost degradation[J]. Cold Regions Science and Technology,2019,166:102820. doi: 10.1016/j.coldregions.2019.102820 [29] TANG L, WANG X, JIN L, et al. Frost heave and thawing settlement of frozen soils around concrete piles: a laboratory model test[J]. Journal of Testing and Evaluation, 2021, 49(2):949-966. [30] 赖远明, 朱元林, 吴紫汪. 桩基冻胀力三维问题的积分方程解法[J]. 铁道学报,1998,20(6):93-97 doi: 10.3321/j.issn:1001-8360.1998.06.016 [31] 何 菲, 王 旭, 蒋代军, 等. 桩基冻胀力的三维黏弹性问题研究[J]. 岩土力学,2015,36(9):2510-2516. [32] TANG L, YANG L, QIU P, et al. Degradation characteristics and bearing capacity model of pile in degraded permafrost[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Geotechnical Engineering,2022,175(4):414-425. doi: 10.1680/jgeen.20.00014 [33] 贾艳敏, 徐 达, 郭红雨. 相变效应对灌注桩与冻土回冻过程影响的研究[J]. 工程力学,2010,27(S1):145-149 [34] XIONG F, YANG Z J. Effects of seasonally frozen soil on the seismic behavior of bridges[J]. Cold Regions Science and Technology, 2008, 54(1): 44-53. [35] 吴志坚, 车爱兰, 陈 拓, 等. 青藏铁路多年冻土区桥梁桩基础地震响应的试验研究与数值分析[J]. 岩土力学,2010(11):3516-3524. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2010.11.027 [36] 唐丽云, 杨更社. 桩基施工对冻土地区桩基热影响分析[J]. 岩土工程学报,2010,32(9):1350-1353. [37] TANG L, YANG L, WANG X, et al. Numerical analysis of frost heave and thawing settlement of the pile-soil system in degraded permafrost region[J]. Environmental Earth Sciences,2021,80:693. doi: 10.1007/s12665-021-09999-4 [38] 马如远, 陈丽萍, 柴国钟. 基于单片机和传感器技术的智能钢构桥梁温度监控系统[J]. 电脑知识与技术,2013,9(11):2664-2668, 2681. [39] 王艳辉, 张 佼, 王 奇, 等. 利用串并联电阻法实现NTC热敏电阻测温线性化的探究[J]. 物理与工程,2017,27(S1):256-259. [40] TANG L, WANG K, JIN L, et al. A resistivity model for testing unfrozen water content of frozen soil[J]. Cold Regions Science and Technology,2018,153:55-63. doi: 10.1016/j.coldregions.2018.05.003 [41] 严昌盛, 朱德华, 马燮铫, 等. 基于雷达短时临近降雨预报的王家坝洪水预报研究[J]. 水利水电技术,2020,51(9):13-23. [42] 李 尧. 桥梁基桩检测中超声波法和低应变法的应用对照分析[J]. 四川水泥,2015(8):348. doi: 10.3969/j.issn.1007-6344.2015.08.340 [43] 张 磊, 施 斌, 张 丹, 等. 基于BOTDR的滑坡抗滑桩工作状态评价及分析[J]. 工程地质学报,2019,27(6):1464-1472. [44] 崔咏军, 孙阳阳, 谢渊洁, 等. 光纤测斜技术在基坑工程监测中的应用研究[J]. 工程质量,2019,37(3):43-46, 52. doi: 10.3969/j.issn.1671-3702.2019.03.011 [45] WANG H, XIANG P, JIANG L. Strain transfer theory of industrialized optical fiber-based sensors in civil engineering: A review on measurement accuracy, design and calibration[J]. Sensors and Actuators A: Physical,2019,285:414-426. doi: 10.1016/j.sna.2018.11.019 [46] 黄晓维, 郑建国, 于永堂, 等. BOTDR分布式光纤传感技术在桩基测试中的应用研究[J]. 岩土工程技术,2021,35(5):281-285, 293. doi: 10.3969/j.issn.1007-2993.2021.05.001 [47] 张 龙, 郑建国, 刘争宏, 等. 分布式光纤测试灌注桩内力的光纤植入技术研究[J]. 施工技术(中英文),2022,51(7):113-117. [48] 杨立辉. 桥梁结构无损检测技术分析[J]. 科技创新导报,2011(17):35. doi: 10.3969/j.issn.1674-098X.2011.17.023 [49] 严 斌. 桥梁结构基于电涡流热成像的内部钢筋锈蚀度检测应用技术[D]. 重庆:重庆交通大学, 2020. [50] 刘 冉. 道路与桥梁施工中质量检测技术的应用[J]. 运输经理世界,2021(25):98-100. -
图(7) / 表(2)
计量
- 文章访问数: 199
- HTML全文浏览量: 46
- PDF下载量: 3
- 被引次数: 0
