CFG复合地基与岛状多年冻土温度场研究

【摘要】我国是世界第三大冻土分布国,多年冻圭面积约为2.15×106km2,即约22%的国土面积被多年冻土所占据。在冻土区域上修筑建筑物并解决由冻土所带来的地基破坏等诸多问题就显得尤为重要,CFG复合地基技术是目前被广泛应用于复杂土层中的地基处理技术。其主要特点是适应范围广、刚性桩的性状明显、桩体具有一定的排水作用、显著的时间效应、复合地基变形小。CFG复合地基的诸多特点充分地弥补了冻土的缺点,这给如何处理冻土区域中的建筑基础问题带来了新的选择。与青藏地区的多年冻土相比,岛状多年冻土更易受到热扰动的影响,而目前我国尚没有较为系统的对CFG复合地基与岛状多年冻土的温度场分布等问题进行定量的研究。本文针对CFG复合地基与岛状多年冻土温度场的研究现状,依托伊绥高速公路岛状多年冻土施工段,建立了岛状多年冻土与CFG复合地基温度试验场,并对其进行了长时间的温度观测。分析了在浇筑CFG复合地基后桩体以及桩侧冻土的温度变化规律；在观测大气温度变化的同时分析了筏板温度的变化情况,分析了修筑路基后岛状多年冻土温度场的变化情况；并以试验数据为基础,通过有限元软件ABAQUS分析了CFG复合地基对岛状多年冻土的热扰动范围,以及不同的路基高度对岛状多年冻土的温度影响,以及不同的影响因素对冻土温度的影响程度,其主要的研究和研究成果如下(1)依托伊绥高速公路岛状多年冻土路段,建立了CFG复合地基与岛状多年冻土洲度试验场,分别进行了CFG单桩、CFG复合地基路基区以及CFG复合地基涵洞区温度试验,并对岛状多年冻土进行了长时间的温度观测。(2)在CFG单桩试验中,通过观测浇筑后的CFG桩体温度以及桩侧冻土的温度变化,发现CFG单桩对桩侧冻土的温度扰动很小,并且由于表层土体被换填成砂砾的原因使得土体内部形成了厚度约为0.8m的保温层,土层温度以保温层为分界点呈现出不同的温度分布情况。(3)通过对CFG复合地基以及筏板的温度观测,发现在浇筑CFG复合地基后,由于粉煤灰混凝土水化热较小,使得桩体温度没有升温过程,在浇筑后一直处于降温的状态,并且在降温中分别以浇筑后半小时以及浇筑后24小时为温度降低拐点。同时,通过分析筏板的温度以及大气温度的变化形式可以得出,大气温度是影响筏板温度的主要因素,而筏板上截面因与大气直接接触,进而上界面的温度波动最大,中截面次之,下截面的温度变化曲线较为平滑,没有较大波动。(4)通过对桩侧的岛状多年冻土的温度场进行分析,发现CFG复合地基对距桩侧1.5倍距离的岛状多年冻土温度影响很小；同时,路基高度对岛状多年冻土的温度扰动却很大,在修筑路基后岛状多年冻土的温度明显升高,随着土层深度的加深,土体的升温幅度减小,而由于涵洞试验区并未修筑路基,所以涵洞试验区的冻土温度几乎没有变化。(5)利用ABAQUS有限元软件对现场试验进行了模拟分析,通过与实测数据的对比发现利用此方法建立的模型用来分析岛状多年冻土温度场是正确的。通过模拟分析发现,在不同的桩径下CFG复合地基对岛状多年冻土的温度扰动范围均为1-1.5倍桩径距离,而桩长对桩侧冻土温度几乎没有影响。(6)通过对不同桩径以及桩间距下的桩侧冻上进行模拟计算发现,当桩间距以及选取的土体温度点距桩侧距离均是以桩径的倍数为基准时,无论桩径如何变化,当桩间距的大小是桩径的相同倍数时,那么距桩侧相同桩径倍数距离的土体温度也基本相同。并模拟计算了筏板在浇筑后28天龄期内的温度变化形式。(7)通过对路基填土与岛状多年冻土温度场的数值模拟,分析了在修筑不同高度的路基填土时对冻土的温度影响；得出,在修筑路基时路基高度与冻土升温成正比,路基高度越高冻土升温幅度越大,同时经过计算发现修筑路基对地表下6m处的冻上温度扰动较小,随着路基高度的变化,地表下6m处的冻土温度变化幅度在0.4℃-1.2℃之间。(8)在不同的路基高度下,模拟计算了在大气热循环的作用下岛状多年冻土温度的全年变化情况,得出路基高度与冻土温度的变化幅度成反比,路基高度越高冻土温度的变化幅度越小,融化期越短,并且以路基高度5m为分界点,当路基高度大于5m后,地表下6m处的冻土融化期明显缩短并随着路基高度的再一次提高融化期基本保持不变。同时通过计算发现,在铺装沥青路面之后,冻土的融化期提前了15-20天,而冻结期延后了13-15天左右,并且在一年中冻土温度的最大值和最小值也随之发生变化。(9)最后计算了CFG桩中不同的热学参数对桩周冻土的影响,并得出了部分结论。
【作者】徐达；
【导师】贾艳敏；
【作者基本信息】东北林业大学，林区交通工程，2013，博士
【关键词】岛状多年冻土；路基；CFG桩；复合地基；有限元；温度；

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