冻土区桩土体系冻胀融沉特性研究

发布时间：2020-09-01 18:45

　　随着青藏高原的多年冻土不断退化和道路工程等级的不断提高,桩基工程得到广泛应用。在运营期冻融过程中桥梁工程桩周冻土的冻胀融沉诱发桥梁工程病害,是冻土工程中亟待解决的重大问题之一。针对上述问题,本文开展桩基服役期桩土体系冻胀融沉的变化规律研究,基于青海省共和至玉树公路查拉坪大桥桩基工程,采用室内模型试验与数值模拟手段,分析桩土体系冻胀融沉特性形成机理,建立冻融过程中桩土体系冻胀融沉计算模型,研究冻融过程中未来年份桩土体系冻胀融沉变化规律。研究成果可为多年冻土区桩基施工、结构设计优化及工程冻害预防措施开展提供参考。主要工作如下:(1)针对冻融过程中桩土体系冻胀融沉形成机理问题,利用室内模型试验模拟查拉坪大桥桩基现场地质工况,进行融化-冻结过程,对冻融过程中桩周土体温度、未冻水含量、桩与土体位移进行了监测,基于试验数据对冻融过程中桩土体系温度场与水分场变化原理进行了分析,结合温度场与水分场变化原理得出了桩土体系冻胀融沉形成机理。(2)针对桩土体系冻胀融沉模型建立的问题,基于考虑相变的热传导方程、水分迁移方程以及应力应变方程,利用COMSOLMultiphysics有限元软件中系数型偏微分方程模块(PDE)进行二次开发,自定义桩土体系冻胀融沉数学模型,并对室内模型试验进行模拟,得到温度、水分、冻胀融沉变化规律,将数值模拟结果同模型试验数据进行比较,证明了桩土体系冻胀融沉数值模型的可靠性。(3)针对未来年份桩土体系冻胀融沉的问题,利用桩土体系冻胀融沉模型模拟现场工况,考虑未来年份大气温度升高,研究了桩基服役1年后、10年后、30年后、50年后桩土体系温度场、水分场、冻胀融沉的变化。通过对桩周土体温度场变化进行分析,得到了未来年份桩周土体温度场分布、冻土上下限变化规律。对桩周土体水分场变化进行分析,得到了未来年份桩周土体中未冻水含量、含冰量、水分迁移的变化规律。最后对桩土体系位移场变化进行分析,得到了未来年份桩体、桩周土体的位移变化规律,并得出未来50年桩土体系的融沉对桩基稳定性的影响远大于冻胀的影响。
【学位单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU473.1;TU445
【部分图文】：

技术路线图,技术路线,课题研究

课题研究技术路线

桩土体系,冻胀融沉,工程概况,中桩

3 冻融过程中桩土体系冻胀融沉特性模型试验过程中桩土体系冻胀融沉特性模型中桩土体系的冻胀融沉特性的形成机理，本开展室内模型试验，进行冻融过程，于相应与桩周土体的冻胀融沉变化；同时在相应时测，得到桩土体系温度场和水分场的分布，析冻融过程中桩土体系冻胀融沉特性的形成如图 3.1 所示。依据查拉平大桥桩基工程

温度传感器,扫描仪,试验箱

图 3.5 温度传感器图 3.6 水分计（3）全站扫描仪全站扫描仪是用于监测试验过程中不同时刻试验箱中土体的冻胀融沉量的仪器，如图 3.7 所示。试验过程中通过 Leika Nova MS60 全站扫描仪来对试验槽中的土体开展三维激光扫描，并通过 Geomagic Qualify 软件进行分析，得到试验箱中土体的位移数据。图 3.7 Leika Nova MS60 全站扫描仪

【参考文献】