蒋 硕,吴亚平,潘高峰,刘亚尊
(兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070)
摘 要：为研究地下水对冻土地区桩基础的影响,针对现有冻土桩基试验设备的不足,对加载系统、位移采集系统等加以改进,并利用可调发热电阻作为热源,研制一套能够模拟地下水热效应的室内桩基模型试验装置,通过标定试验,确定装置模拟地下水热效应时的各项参数。利用该装置,开展不同地下水位置、有无地下水工况下的桩基承载力试验,对地下水热效应对单桩极限承载力的影响进行分析,其试验结果能够与理论模型计算较好的吻合,装置能够良好模拟地下水热效应。
关键词：冻土地区；桩基础；试验装置；地下水；热效应；极限承载力
近年来，为了促进西部地区经济发展，我国开展了大量的寒区公路、铁路等基建工程。桩基础因其有热扰动小、承载力较高、施工方便、稳定性好、能够适应各种冻土环境等特性，在寒区工程建设中得到了广泛采用。冻土地区地下水的存在会改变冻土温度场[1-4]，加剧冻土流变，对桩基础产生重要影响[5-9]，因此，开展对地下水条件下的桩-土特性研究有着重要的意义。
目前，国内外学者对冻土地区地下水条件下桩基础的研究还较为罕见，冻土温度场的研究也多为数值模拟计算[10-13]，由于缺乏实际试验支撑，相关理论的进展十分缓慢，研制一套能够室内模拟地下水的冻土桩基试验系统十分有必要。通过对以往桩土试验设备的分析[14-16]，改进设计了一种可模拟地下水热效应对桩基影响的室内模型试验装置，为相关研究的开展提供了一种可用工具，并利用设计装置进行了部分工况下的桩基承载力试验，研究了地下水热效应对桩基承载力的影响。
1.1 模型试验装置的构成
1.1.1 试验加载系统(图1)
装置使用配套温度箱设计的杠杆加载，避免了传统液压加载方式加载不稳定的缺陷，杠杆力臂为1∶10，方便人工操作，末端的配重可调节微小载荷，可实现0～2 000 kg范围内任意大小荷载的准确施加。
图1 试验系统构成示意
1.1.2 温度控制系统
设计定制的DW-40型试验箱可设定-40～15 ℃区间的温度，误差为±0.2 ℃，箱内温度传感器可实时监测箱体温度变化。温度箱内部配有照明装置，外部有显示装置，方便实时监控操作。
1.1.3 应变采集系统
在单桩模型预埋导线与DH3816静态应变测试仪连接，并通过连接线接通PC设备，可按预设时间定时采集桩体应变数据，以供检测记录。该型数据采集仪可提供60通道，完全满足室内桩基试验需求。整套采集系统可长时间持续自动记录应变数据，大大减小记录人员工作强度。
1.1.4 位移采集系统
桩头位移是桩基承载力试验中的重要数据，为更精确记录桩头位移，设计了位移计与百分表配合使用的位移采集系统。位移计量程10 mm，最大误差±0.1%。位移计连接动态应变测试仪，自动记录数据，百分表由人工定时记录，与位移计数据对比分析以减少偶然误差。
以上装置系统是在以往桩土试验装置的基础上做出改进，解决了以往装置的一些问题，减少了位移测量误差，同时控制了装置造价，整套设备组装成本约5万多元。下面着重对装置的核心地下水热效应模拟装置进行介绍。
1.2 热效应模拟装置设定依据与构造原理
寒区地下水作为一种动态变化的水体，有其独特的性质：(1)温度、水量呈现季节性变化，暖季温度升高、水量变大，冷季温度降低、水量减少，水温一般在0～2 ℃；(2)对于周围土体的温度扰动随距离增加而逐渐减少，最终在某一区域达到动态平衡；(3)周围冻土一般呈现冻结状态，可视为不透水土体，研究地下水热效应时可不考虑渗流作用。
针对冻土地下水以上特点，认为通过在单桩周围土体埋置热源的方式模拟地下水热效应是可行的，并将热源温度设置为0～0.5 ℃范围内可调，使其更符合实际情况。
对比几种方案后，采取了在桩底埋设发热电阻作为热源的方法。由变压装置控制电路电压使可调电阻达到预设发热功率，使热源周围土体温度升高，出现融化，从而实现对寒区地下水环境的模拟。为达到能实时监测、调节热敏电阻，更好实现对地下水热效应的模拟，在热源一定距离范围内，埋设了若干热敏电阻传感器，可不间断监测土体温度变化。内置地下水热源构造原理如图2所示。
图2 内置地下水热源构造原理示意
1.3 热效应模拟装置的设计
采用可调范围为50～2 000Ω的电阻作为热源，由TDGC2-2 000型匝比可调接触式变压器调节热敏电阻输入电压，可调区间为0～250 V，每排串联放置4个热敏电阻，以加大热源温度的可调范围。
连接好控制及调节电路，各元件连接并测试完毕后，将热敏电阻按照桩土试验工况要求，埋置于设定冻土深度；在热源电阻周围，每隔一定间距布置热敏电阻传感器，依据传感器监测的各点温度变化，调节变压器电压及热敏电阻阻值，分析得出的冻土融化区域，也为热源与桩体相对布设位置提供了依据。热敏电阻传感器布置见图3。
图3 热敏电阻传感器布置示意
依据收集的青藏高原冻土地温资料，冻结状态的冻土年平均地温低于-1.0 ℃，处于逐渐融化状态的冻土年平均地温则为-0.5～1.0 ℃，为模拟多年冻土实际情况，将低温试验箱温度设置为-1.5 ℃；冻土地区地下水温度一般为0～2 ℃，为更好模拟地下水对多年冻土的影响，将模拟地下水的热源温度设置为0.5 ℃。地下水热效应模拟装置电路元件见图4。
图4 地下水热效应模拟装置电路元件
1.4 热源位置及参数的确定
确定装置热源参数前，首先需要确定试验桶、单桩及试验用土参数。根据试验箱的尺寸，设计高430 mm、直径280 mm的铁桶为试验桶，同时确定了混凝土桩尺寸为直径45 mm、长400 mm；试验用土为兰州地区Q3黄土，最大干密度1.65 g/cm3，液限24.6%，塑限17.7%，其颗粒组成见表1，根据冻土高含冰的特点，将初始含水率设定为20%。
表1 兰州地区Q3黄土不同颗粒组成
颗粒粒径/mm>0101～005005～0005<0005所占百分比>
将热敏电阻传感器放入低温试验箱内，用试验箱外设操作装置对试验箱环境温度进行调节，可调区间为-31.8～17.8 ℃。取试验实际冻土环境温度区间与所对应热敏电阻阻值绘制成图(图5)，拟合得到方程
(1)
式中，T为冻土环境温度，℃；R为热敏电阻工作阻值，Ω。
图5 热敏电阻标定曲线
由图5可知，热敏电阻阻值与对应冻土环境温度基本呈现指数函数变化，拟合方程式准确可靠。热敏电阻传感器能够较准确地监测桩周土与热源周围冻土位置，拟合关系式可作为依据进行室内桩基试验。
依据寒区冻土与地下水相对位置关系，设置了2种热源埋设方式：①在单桩底部两侧对称各布置2个发热电阻，方向与桩体正交，距单桩桩底垂直距离10 mm，水平距离20 mm，电路连接方式为并联；②在单桩底部并排并联放置4个发热电阻，距单桩桩底垂直距离20 mm。热源布置方式见图6。
图6 桩土模型内置热源位置立面示意图
维持温度箱在-1.5 ℃，统计热敏电阻传感器数据，多次调节测试，最终确定变压器输出电压为80 V，可调电阻阻值为150Ω时，可使热源模拟装置的温度维持接近0.5 ℃，误差控制在±0.1 ℃；调节过程中可使用万能表校正变压器输出电压，测量热敏电阻阻值以校核所测温度。
当低温试验箱维持-1.5 ℃工作，热源温度保持0.5 ℃，各热敏电测得温度不出现较大波动时，热源热效应稳定，此时2种热源埋设方式下桩周土的温度梯度如图7所示。
图7 内置热源温度稳定后的温度梯度图(单位：℃)
2.1 试验工况
根据《冻土地区建筑地基基础设计规范》等相关规范以及相似理论，采用稳定维持荷载法作为本试验加载方式，采用分级加载，根据估算的极限承载力，设计每级荷载为1.4 kN，初级荷载1.2 kN；设计了3种工况，以研究不同地下水位置、有无地下水对多年冻土地区混凝土单桩极限承载力的影响，见表2。
表2 试验工况划分
工况编号低温试验箱设置温度加载方式有无地下水热效应及地下水热源埋设位置1稳定维持荷载法无2-15℃热源埋置在桩底3热源埋置在桩侧
2.2 结果分析
将采集到的桩顶位移与对应的桩顶荷载分析校正后拟合成P-S曲线图(图8)。
图8 桩顶位移随荷载变化曲线
对图8的分析，可以得到以下规律：
在稳定加载情况下，加载初期，几种工况的P-S曲线都大致呈现线性变化，桩顶位移相差不大，但随着荷载的增大，有无地下水热效应工况的位移差值明显增大，9.6 kN荷载下，无地下水热效应工况位移量仅为桩侧地下水工况的65%，说明地下水热效应改变了冻土温度场，促进了桩基的沉降；
无地下水热效应时单桩极限承载力接近8.2 kN，而有热效应的2种工况下单桩极限承载力则只有6.8 kN左右，承载力下降14%，同时，地下水在桩侧相较地下水在桩底极限承载力更低，说明地下水的存在使得桩周冻土温度升高，冻结强度降低，且地下水在桩侧时对桩基承载力的影响更明显。
以上结果表明：地下水热效应使得冻土地区桩基承载力降低，加剧了桩基的沉降，这一规律基本与文献[4]中基于传热学理论的有限元模型数值计算结果吻合。
本文通过改进传统冻土桩基试验装置，以及进行室内冻土桩基试验得出了以下结论。
(1)相对传统冻土桩基试验装置，该装置实现了加载范围内任意大小荷载准确施加，能够减小试验偶然误差，提高试验结果准确度，有利于进一步的应用和推广。
(2)该装置利用发热电阻实现对地下水热效应的模拟，并可通过试验确定模拟地下水热效应时热源的各项参数，填补了室内模拟地下水工况下的桩基承载力试验装置的空白。
(3)利用该装置进行的桩基承载力试验发现：在-1.5 ℃环境温度下，温度为0.5 ℃的冻土地下水引起的热效应使单桩极限承载力降低14%，同时导致单桩的沉降加剧；该试验结果与理论计算能够较好地吻合，验证了该装置对地下水热效应的模拟可靠性和适用性。
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Development of Pile Foundation Test System Simulating Thermal Effect of Groundwater and its Application
JIANG Shuo, WU Ya-ping, PAN Gao-feng, LIU Ya-zun
(School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)
Abstract：In order to study the influence of groundwater on the pile foundation in permafrost area, a new type of indoor pile foundation test system is developed on the basis of the exiting equipment with improved loading system and displacement collection system to simulate the thermal effect of groundwater by using adjustable resistance as heat source. The parameters of the system are determined through calibration test. With the test system, the bearing capacity test of pile foundation at different groundwater level, with or without groundwater condition, is carried out to analyze the influence of thermal effect of groundwater on single pile ultimate bearing capacity. The test result is in good agreement with the theoretical model calculation, showing that the device can well simulate thermal effect of groundwater.
Key words：Permafrost area; Pile foundation; Test apparatus; Groundwater; Thermal effect; Ultimate bearing capacity
收稿日期：2016-08-02；
修回日期：2016-09-08
基金项目：国家自然科学基金(215172);中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2015G005-C)
作者简介：蒋 硕(1991—)，男，硕士研究生，主要从事冻土工程的研究工作，E-mail：992334207@qq.com。
文章编号：1004-2954(2017)05-0105-04
中图分类号：TU471.7
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.05.023
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