基于湖岸露基船臺凍拔試驗研究

孫洪偉

（長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春130012）

0 引言

入冬前長春南湖湖區(qū)部分排水，水面降低引起近岸湖底基土露天的船臺為露基船臺。它是主要湖岸工程之一，如圖1所示。經(jīng)過3個寒期對露基船臺的原位觀測，發(fā)現(xiàn)基土凍脹推動船臺基礎(chǔ)樁使船臺結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生了向上拔出的現(xiàn)象，我們將該現(xiàn)象定義為“凍拔”，表現(xiàn)為船臺向上拔起產(chǎn)生了“凍拔”位移［1］。船臺“凍拔”是自然現(xiàn)象，但頻繁“凍拔”會破壞船臺整體性而降低使用壽命；凍拔引起的臺岸“錯動”會影響使用功能。可見，船臺“凍拔”也是一種凍害［2－3］。據(jù)原位觀測采集的船臺凍拔位移數(shù)據(jù)建立的凍拔位移和寒期氣溫間的關(guān)系曲線（以下簡稱凍拔位移曲線）的狀態(tài)分析，顯現(xiàn)船臺凍拔和寒期氣溫變化強相關(guān)，并呈現(xiàn)特有的規(guī)律。本文據(jù)凍拔位移曲線分析揭示露基船臺的“凍拔”規(guī)律。

圖1 露基船臺“凍拔”機理和“凍拔”位移圖

1 露基船臺“凍拔”位移曲線的建立

據(jù)南湖公園露基船臺實測“凍拔”位移值，繪制3個寒期的“凍拔”位移曲線和同期氣溫變化曲線，如圖2～4所示。每個寒期（a）圖中的“半駝峰型”曲線代表據(jù)船臺凍拔位移觀測點測得的凍拔位移值繪制的凍拔位移曲線。各觀測點［1］的凍拔位移曲線集合成圖示的曲線組，虛線代表位移回歸曲線。凍拔位移單位為mm。（b）圖中的“頻譜型”曲線是據(jù)寒期日最高氣溫和最低氣溫繪制的同期氣溫變化曲線，圖中虛線表示回歸的日平均氣溫曲線。氣溫溫度單位為℃。

2 露基船臺凍拔位移規(guī)律分析

圖3 第2寒期南湖公園露基船臺“凍拔”位移規(guī)律曲線和同期氣溫變化曲線（2011／2012寒期）

據(jù)地質(zhì)報告，南湖公園湖岸露基船臺場地基土為粉質(zhì)黏土，地下水位在地表以下－0.5～－2.8m。土層含水率較高，屬強凍脹性土［2］。船臺實測凍拔位移曲線和擬合后的凍拔位移曲線如圖2～4。位移曲線總體均呈“半馱峰型”姿態(tài)發(fā)展，表明各寒船臺發(fā)生的凍拔形態(tài)總體趨勢相似。其中：相同基土凍脹條件下，自重小的船臺抵抗凍脹應(yīng)力的能力弱，相應(yīng)產(chǎn)生的凍拔位移較大，位移曲線上凸高聳；反之，凍拔位移小，位移曲線扁平。反映在位移曲線上形成多條位移區(qū)位不同的曲線組。但各船臺凍拔位移發(fā)展?fàn)顟B(tài)相似，位移曲線的總體均呈“半馱峰型”態(tài)勢。經(jīng)反復(fù)研究和對比分析發(fā)現(xiàn)氣溫的變化直接影響位移的變化，位移的變化狀態(tài)是通過以下4個溫度時段反應(yīng)出來的。

第1時段：持續(xù)降溫時段——氣溫向負（低）溫的下降期，時段內(nèi)氣溫呈波動性下降趨勢。長春地區(qū)的持續(xù)降溫時段為每年的11月初至12月中下旬，最長至次年的1月上旬，約40～60d，如圖2～4所示。持續(xù)降溫時段的平均溫度在－5℃至－13℃之間，呈下降波動趨勢。時段內(nèi)日最低氣溫達－20～－25℃，發(fā)生在持續(xù)降溫時段的末期。

圖4 第3寒期南湖公園露基船臺“凍拔”位移規(guī)律曲線和同期氣溫變化曲線（2012／2013寒期）

各寒期持續(xù)降溫時段船臺的位移曲線呈前期小幅平緩下降過渡到后期平緩上升趨勢。前期平緩下降表明船臺發(fā)生了較小的負位移，即下降位移；后期的平緩上升顯現(xiàn)出船臺發(fā)生了凍拔位移，并增大較快。筆者分析：出現(xiàn)下降位移的原因是船臺鋼筋混凝土板、基礎(chǔ)樁及周圍基土整體因降溫產(chǎn)生“冷縮”，引起船臺板臺面降低，即臺面降低是隨持續(xù)降溫收縮而繼發(fā)的，表現(xiàn)在船臺就是產(chǎn)生了緩慢的下降，類似出現(xiàn)了下降（負）位移。船臺凍拔位移曲線平緩回落即說明這一下降過程。這種下降是由于持續(xù)降溫使船臺、基礎(chǔ)樁和基土整體“冷縮”引起的，而非其他因素引起的“下降”。如：各寒期中該時段的最大下降位移在5mm左右。在持續(xù)降溫時段的初期，船臺基礎(chǔ)樁周圍的基土剛剛開始受凍，凍土層很薄，凍脹作用極小，沒形成足夠的向上的切向凍脹應(yīng)力τ（如圖1）推動船臺基礎(chǔ)樁產(chǎn)生“凍拔”位移。持續(xù)降溫的中后期，隨凍土層逐漸凍結(jié)增厚凍脹性增強，作用于船臺基礎(chǔ)樁上的切向凍脹應(yīng)力τ逐漸加大。當(dāng)τ增大至超過樁和船臺平均重G和未凍土層對樁的摩擦阻力f之和時，即τ≥G＋f時［3］，船臺在其基礎(chǔ)樁推動下開始產(chǎn)生凍拔位移Δ（mm）。隨切向凍脹應(yīng)力的不斷加大，船臺的凍拔位移也不斷增大。如：各寒期持續(xù)降溫時段的末期，各船臺的凍拔位移增大到5～10mm。可見，持續(xù)降溫時段的前期船臺降溫收縮產(chǎn)生下降位移，后期是凍拔位移產(chǎn)生的開始階段。

第2時段：持續(xù)低溫時段——持續(xù)低溫時段時間較長，氣溫在較低負溫下平穩(wěn)波動，為年最低氣溫期。雖在時段末氣溫略有回升，但總體處于絕對負溫狀態(tài)。長春地區(qū)的持續(xù)低溫時段為每年的12月下旬至次年2月中下旬，約60d左右，如圖1～3所示。時段平均溫度在－8～－15℃之間，呈水平波動趨勢。時段內(nèi)日最低氣溫達－22～－27℃，一般發(fā)生在當(dāng)年的12月下旬至次年的1月中旬。時段內(nèi)氣溫低且波動小，為土凍結(jié)創(chuàng)造了充足的低溫條件。

觀察各實驗寒期持續(xù)低溫時段船臺的凍拔位移曲線，如圖1～3所示，曲線呈上凸陡峭增長趨勢，上升梯度較大。表明在該溫度時段凍拔位移以較快的速度增大。如：各實驗寒期持續(xù)低溫時段實測平均凍拔位移速度在0.315～1.123mm／d之間，最大凍拔位移速度達0.414～2.2mm／d。筆者分析：凍拔位移增速較快的原因是時段內(nèi)船臺樁基土處于絕對負溫的低溫環(huán)境（時段末氣溫雖有升高，但仍為較低的負溫）。長時間連續(xù)的低溫作用使凍結(jié)基土中的殘余未凍水凍結(jié)成冰，和地下水向凍結(jié)深度處遷移再凍結(jié)［2，4］，基土體積繼續(xù)膨脹，凍脹性持續(xù)增強［2，4］，使得作用于船臺基礎(chǔ)樁單位面積上的向上的切向凍脹應(yīng)力τ強度持續(xù)加大。同時，隨持續(xù)低溫基土凍結(jié)加深，基礎(chǔ)樁與凍結(jié)基土的接觸面積加大，致使作用于樁表面的切向凍脹應(yīng)力τ的絕對值加大，進一步增強了對樁的推動作用。據(jù)前文分析，當(dāng)τ≥G＋f（符號意義同前）時，船臺即可發(fā)生凍拔并相應(yīng)產(chǎn)生凍拔位移。其中船臺與樁的平均自重G和未凍土層對樁的摩擦阻力f是定值，而在持續(xù)低溫時段切向凍脹應(yīng)力τ是隨凍土的凍脹強度和作用面積的增大而加大的，即切向凍脹應(yīng)力在長期持續(xù)的低溫作用下是持續(xù)增大的，必然導(dǎo)致基礎(chǔ)樁和船臺整體產(chǎn)生較快速的“凍拔”，即產(chǎn)生越來越大的凍拔位移。凍拔位移曲線呈上凸陡峭增長的特征印證了這一點。筆者認為另一不容忽視的因素是：持續(xù)低溫下，一定厚度的凍土層在平面上無限延展形成剛度較大的平面塊體，由于塊體凍土中的未凍水隨持續(xù)低溫會繼續(xù)凍結(jié)，這個巨大的凍土塊體橫向凍脹將額外對船臺基礎(chǔ)樁產(chǎn)生較大的凍脹力。因凍土的各向凍脹特性［2，5］，凍土塊體的凍脹力的一部分以向上的切向凍脹應(yīng)力的形式作用于船臺基礎(chǔ)樁表面，參與對樁的“凍拔”。

各寒期持續(xù)低溫時段末期，氣溫在負溫下有一定幅度回升。如：長春地區(qū)的2月中下旬為持續(xù)低溫的末期，氣溫開始在負溫下回升，一般年份回升至3月中下旬達到正溫期。船臺樁基土向深層的凍結(jié)因氣溫回升而減緩。氣溫繼續(xù)回升接近正溫期，冷源減少，基土向深層的凍結(jié)將終止，此時土的凍結(jié)深度為該寒期的最大凍結(jié)深度［4，6］。且作用于船臺基礎(chǔ)樁上的切向凍脹應(yīng)力因基土凍結(jié)逐漸終止趨于恒定，凍拔位移不再增大，該時期的凍拔位移將為本寒期的“最大凍拔位移”?？梢?，最大凍拔位移發(fā)生在持續(xù)低溫時段的末期，也是持續(xù)低溫時段向升溫時段的過渡轉(zhuǎn)折期。如圖2～4中的各寒期的實測最大凍拔位移在19～110mm之間，均發(fā)生在每年的2月中下旬。此時期均為各寒期持續(xù)低溫時段的末期，也是持續(xù)低溫時段向升溫時段的過渡轉(zhuǎn)折期。

第3時段：持續(xù)升溫時段——氣溫向正溫的升高期，時段內(nèi)氣溫波動性上升。長春地區(qū)的持續(xù)升溫時段為每年的2月下旬至3月中旬，最長至4月上旬。約30～40d，如圖2～4所示。各實驗寒期持續(xù)升溫時段的平均溫度在－3～7℃之間，呈上升波動趨勢；持續(xù)升溫時段的中晚期，日最高氣溫可上升至9～22℃。升溫時段氣溫的升高，為船臺樁基土解凍融化提供了溫度條件。

各寒期持續(xù)升溫時段，船臺凍拔位移曲線呈上凸平緩下降形態(tài)。說明達到最大凍拔位移的船臺又出現(xiàn)了下降，凍拔位移出現(xiàn)規(guī)律性的減小。并表現(xiàn)出升溫時段位移下降速度比持續(xù)低溫時段凍拔位移增長速度慢，如圖2～4所示。如：各實驗寒期凍拔位移平均減小速度分別在0.114～0.676mm／d之間，同寒期各持續(xù)低溫時段（第2時段）凍拔位移增長速度相比，僅為凍拔增長速度的1／2.76～1／1.66，減小約40%～64%，說明持續(xù)升溫時段船臺凍拔減小的速度（船臺下降速度）比凍拔速度緩慢。筆者分析：因作用于基礎(chǔ)樁側(cè)凍土切向凍脹應(yīng)力隨凍基土的逐漸解凍而減小，船臺結(jié)構(gòu)在自重作用下整體下降，引起凍拔位移減小。而持續(xù)升溫凍土緩慢融化是土凍脹應(yīng)力減小的直接誘因。持續(xù)升溫首先使表層凍土內(nèi)的冰體融化形成融土，切向凍脹應(yīng)力相應(yīng)消失。隨氣溫繼續(xù)升高，凍土將以一定速度逐漸向凍層深處延伸融化，意味著延伸層內(nèi)融土的切向凍脹應(yīng)力也相應(yīng)消失，作用于船臺基礎(chǔ)樁上的有效切向凍脹應(yīng)力τ逐漸減小，船臺和基礎(chǔ)樁將在自重G作用下逐漸下沉達到新的平衡，表現(xiàn)為凍拔位移減小。其中凍土層融化速度決定切向凍脹應(yīng)力消失速度，也直接影響船臺下降或凍拔位移減小的速度。船臺下降到某低位（減小到某位移）時可達到一個“暫時平衡”，這個平衡是靠土層深處未融化的凍土層的剩余切向凍脹應(yīng)力暫時維持的。一旦該凍土層開始融化，切向凍脹應(yīng)力繼續(xù)減小，這個“暫時平衡”將被打破，船臺會繼續(xù)下降，凍拔位移繼續(xù)減小，直至最大凍深的凍土層全部融化［7－8］，作用于船臺基礎(chǔ)樁上的切向凍脹應(yīng)力最終全部消失，船臺和基礎(chǔ)樁重量最終靠融土層的摩擦阻力平衡。至此，持續(xù)升溫時段船臺的下降（位移減?。┬娼K止。不難看出，凍拔位移動態(tài)平緩下降過程是一系列平衡被打破到建立新平衡的動態(tài)往復(fù)過程的體現(xiàn)。而制約平衡的關(guān)鍵因素是持續(xù)升溫對船臺樁基凍土融化的進程，基土向深層融化速度越快，船臺下降的位移速度越快，二者正相關(guān)。但持續(xù)升溫時段船臺的下降位移速度比持續(xù)低溫時段的船臺凍拔位移速度要慢得多。原因是船臺下降時即要克服剩余凍土層的切向凍脹應(yīng)力，還要克服升溫增厚的融土層和下部未凍土層的摩擦阻力，引起船臺下降速度緩慢。

需要指出的是，以下幾個因素對船臺凍拔和下降的影響也應(yīng)引起注意：1）凍土熱工作用影響：寒期內(nèi)，某凍結(jié)深度的基土在平面上形成一個巨大連續(xù)的凍土塊體。同其他材料一樣，在溫差作用下，凍土塊體也具有熱脹冷縮的特性。晝間升溫塊體吸熱膨脹，夜間降溫收縮。白天塊體的膨脹產(chǎn)生對船臺基礎(chǔ)樁的水平擠壓力，會抑制船臺基礎(chǔ)樁的下沉。甚至?xí)矔r助長船臺基礎(chǔ)樁的凍拔。但因凍土的蠕變特性［5，9－10］擠壓力隨時間推移會減小，抑制作用會減輕。夜間降溫收縮后的基土和樁之間產(chǎn)生脫離，這將有利于樁和船臺整體下降。足見，頻繁的熱脹冷縮作用將有助于船臺下降。應(yīng)該指出的是上述的擠壓力是由凍土塊體的熱脹產(chǎn)生的，而非凍脹產(chǎn)生，應(yīng)屬凍脹作用的次生力。此外，熱脹冷縮的高發(fā)期應(yīng)是持續(xù)低溫時段的末期至持續(xù)升溫時段的初期，因為此時期的晝夜溫差大，脹縮效果明顯。頻繁的熱脹冷縮會使凍土表面產(chǎn)生縱橫交錯的裂縫，裂縫在地表寬，在深層窄。裂縫破壞了凍土塊體的連續(xù)性，相應(yīng)削弱了對樁的凍脹作用，這也將有助于船臺的下降。2）光照的影響：白天光照提高了地表凍土的溫度，產(chǎn)生淺層融化。融化土層對船臺基礎(chǔ)樁的凍拔或下降失去作用。3）風(fēng)力和干燥氣候的影響：冬春季風(fēng)力較大，空氣干燥，基土表層凍土失水收縮，產(chǎn)生干縮裂縫，也將消減表層凍土對船臺基礎(chǔ)樁的凍脹作用，促進船臺下降。

筆者認為，在持續(xù)升溫階段船臺下降（位移減?。┦怯梢陨现T因素耦合作用的結(jié)果。船臺在時段的末期下降到趨于某恒定值不再減少，接近年剩值凍拔值?？梢?，持續(xù)升溫時段凍拔位移緩慢減小，是船臺凍拔的“回落期”。

第4時段：正溫時段——氣溫的正溫波動期，時段內(nèi)氣溫在正溫下持續(xù)走高。長春地區(qū)正溫時段從3月下旬始至4月中下旬，最長至5月中旬。約30～50d。其后過渡為夏季溫度，不在實驗期內(nèi)。各實驗期正溫時段的平均溫度在4～17℃之間，均呈上升波動趨勢。正溫時段日最高氣溫可上升至20～28℃。正溫時段的持續(xù)高溫，使船臺樁基土解凍融化。各寒期進行的船臺基土凍深的挖掘試驗，測量的最大凍結(jié)深度在0.9～1.2m之間。凍基土從持續(xù)升溫時段逐漸解凍融化，至正溫時段最大凍結(jié)深度內(nèi)的凍土全部融化。

觀察各寒期正溫時段的凍拔位移曲線，隨時間的推移，位移變化呈水平態(tài)勢。如圖1～3。表明正溫時段內(nèi)船臺即無凍拔位移，也無沉降位移，船臺下降終止，位移趨于恒定值。如前分析：從持續(xù)升溫時段至正溫時段的較長時間內(nèi)，船臺凍基土持續(xù)吸收升溫?zé)崃咳咳诨?，作用在船臺基礎(chǔ)樁上的切向凍脹應(yīng)力全部消失。而融土層的摩擦阻力和未凍土層的摩擦阻力的共同作用力f成為抵抗船臺結(jié)構(gòu)整體下降的主要抗力。當(dāng)船臺和基礎(chǔ)樁自重G和總的摩擦阻力f相平衡時，船臺下降終止。正溫全時段的力場正是處于該平衡狀態(tài)，故正溫時段的各凍拔位移恒定于某值不變，位移曲線呈水平態(tài)勢，是凍拔位移的最終穩(wěn)定期。

正溫時段的恒定位移為經(jīng)歷一個寒期剩余的船臺凍拔位移值，也是真正意義上的年凍拔位移。如：自重較輕的船臺的不同觀測點上的年凍拔位移在8～81mm之間；較重的船臺在4～13mm，如圖2～4。另外，位移曲線又表現(xiàn)出：正溫時段的末期船臺凍拔位移有輕微增大，位移曲線略顯上升。在第3個寒期尤為明顯，如圖3所示。原因是該時段船臺樁基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)的土層含冰全部融化使樁基土含水率提高，另外地下水的循環(huán)補給也持續(xù)保持了樁基土的含水率，二者的供應(yīng)使樁基土的含水率高，處于飽和狀態(tài)。飽和土的浮力向上推動船臺基礎(chǔ)樁，使船臺整體產(chǎn)生輕微上浮，表現(xiàn)為正溫時段的末期船臺出現(xiàn)輕微的上升位移，但正溫時段是年剩余凍拔位移的穩(wěn)定期。

研究也發(fā)現(xiàn)：寒期的平均氣溫偏高，船臺的凍拔量會整體減小。第2觀測實驗研究期內(nèi)的船臺樁基礎(chǔ)“凍拔”位移特征曲線說明了這一點，如圖2所示。其位移變化和其他兩觀測實驗研究期形態(tài)相似，但凍拔位移總體比其他兩期減小約75%左右。原因是該寒期氣溫偏高（暖冬），基土凍深淺，凍脹性弱，作用于船臺基礎(chǔ)樁上的切向凍脹應(yīng)力較小，相應(yīng)產(chǎn)生的凍拔位移較小，表現(xiàn)在該期船臺的“凍拔”位移特征曲線呈“扁平”狀態(tài)。

3 結(jié)語

湖岸露基船臺“凍拔”是自然現(xiàn)象，也是“凍害”。通過對3個寒期露基船臺實測“凍拔”位移曲線和同期氣溫的對比分析，反映出在寒期的4個不同溫度時段船臺產(chǎn)生不同形式的凍拔位移狀態(tài)。原因是4個時段的不同氣溫使基土產(chǎn)生了強弱不同的切向凍脹應(yīng)力作用于船臺基礎(chǔ)樁，最終以船臺的4種位移狀態(tài)表現(xiàn)出來?？梢?，寒期不同氣溫引起的土凍融狀況［10］是影響湖岸露基船臺凍拔位移狀態(tài)的關(guān)鍵。概言之，寒期船臺的凍拔呈4個溫度時段變化規(guī)律。

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