深水船臺(tái)“升降”規(guī)律探析

孫洪偉

(長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春130012)

主要研究土木工程施工。

摘要：據(jù)寒期觀測采集的臨湖岸深水船臺(tái)的升降位移數(shù)據(jù)建立的升降位移曲線的變化形態(tài)，分析多時(shí)段氣溫條件下，氣溫對(duì)湖冰凍融狀態(tài)、船臺(tái)樁基土含水狀況等因素的影響。揭示各溫度時(shí)段諸因素變化時(shí)船臺(tái)的升降規(guī)律。

關(guān)鍵詞：臨湖岸深水船臺(tái)；升降位移；凍拔位移；切向凍脹應(yīng)力；升降規(guī)律

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.001

收稿日期：2015-08-06

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳資助項(xiàng)目(吉教科合字第277號(hào))

作者簡介：孫洪偉(1963-)，男(漢)，吉林，副教授

中圖分類號(hào)：TU445獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0前言

所謂的臨湖岸深水船臺(tái)，為靠近湖岸且船臺(tái)基礎(chǔ)樁長期有較厚浸水深度的船臺(tái)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)觀測的長春公園臨湖岸1#船臺(tái)即屬深水船臺(tái)，基礎(chǔ)樁浸水深度為1.8 m。寒期內(nèi)，船臺(tái)下湖水凍結(jié)至一定厚度時(shí)，冰層下仍有未凍水。未凍水的保溫絕熱作用，使湖底基土在寒期內(nèi)始終為融土。如對(duì)長春公園臨湖岸1#深水船臺(tái)破冰檢驗(yàn)測得：2個(gè)寒期湖面冰凍層厚在1～1.1 m左右、冰凍層下未動(dòng)水深0.7～0.8 m。湖底基土為高含水率的融土。對(duì)由2個(gè)寒期原位觀測的長春公園1#船臺(tái)升降位移數(shù)據(jù)建立的升降位移曲線(以下簡稱為船臺(tái)的升降位移曲線)進(jìn)行狀態(tài)分析發(fā)現(xiàn)：寒期內(nèi)船臺(tái)發(fā)生了先期上升、中期下降和后期又上升的周期性變化。研究也發(fā)現(xiàn)船臺(tái)的升降和寒期不同時(shí)段氣溫對(duì)湖水的凍融狀況、融土的水環(huán)境等因素密切相關(guān)，并呈現(xiàn)特有的規(guī)律性。本文將就船臺(tái)的升降位移曲線狀態(tài)研究其升降機(jī)理和規(guī)律。

圖1　臨湖岸深水船臺(tái)凍脹機(jī)理、升降位移圖

1臨湖岸深水船臺(tái)升降位移曲線

據(jù)長春公園1#臨湖岸深水船臺(tái)實(shí)測升降位移值，建立2個(gè)寒期的升降位移曲線和同期氣溫變化曲線，分別如圖2～3所示。如：圖2(a)中的每條曲線是據(jù)船臺(tái)上單個(gè)升降位移觀測點(diǎn)(如圖1)在整個(gè)寒期的不同觀測日測得的升降位移值，建立的船臺(tái)上升—下降—上升位移曲線，位移單位為mm。由1#船臺(tái)上的4個(gè)觀測點(diǎn)[1]采集的寒期升降位移值建立的同類位移曲線集合成圖示的曲線組。虛線為各觀測點(diǎn)位移的回歸線，代表升降位移平均水平。圖2(b)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。寒期是針對(duì)船臺(tái)升降規(guī)律研究確定的實(shí)驗(yàn)研究期，是為了能夠全面客觀地反應(yīng)船臺(tái)升降位移全貌而選定的期限。本課題選定的寒期為每年的11月中下旬至次年的4月中下旬。圖3的含義同上。

圖2　第1寒期長春公園1 #臨湖岸深水船臺(tái)升降位移曲線和同期氣溫變化曲線

圖3　第2寒期長春公園1 #臨湖岸深水船臺(tái)升降位移曲線和同期氣溫變化曲線

2臨湖岸深水船臺(tái)升降規(guī)律探析

觀察1#臨湖岸深水船臺(tái)升降位移曲線，如圖2～3所示。2個(gè)寒期的共同特點(diǎn)是：船臺(tái)升降位移變化形態(tài)相同，正負(fù)值區(qū)域的位移曲線以寒期為周期均呈“似正弦曲線型”波動(dòng)走勢，同時(shí)各上升和下降段相應(yīng)升降位移近似呈線性變化。正值區(qū)域位移曲線的上升段表明船臺(tái)發(fā)生持續(xù)增大的上升位移。研究發(fā)現(xiàn)：此上升位移為湖冰凍脹推動(dòng)船臺(tái)基礎(chǔ)樁使船臺(tái)產(chǎn)生的“凍拔位移”[1](如下第1時(shí)段中的分析)；船臺(tái)上升到最大凍拔位移后開始連續(xù)下降至最低位置；其后又產(chǎn)生了有限的上升，至寒期末上升至低于寒期前的初始位置的某一高度時(shí)終止，殘留了“剩余下降位移”。此剩余下降位移為船臺(tái)經(jīng)歷一個(gè)寒期的凈下降量。說明臨湖岸深水船臺(tái)經(jīng)歷寒期后出現(xiàn)了下降現(xiàn)象。如：2寒期的正值區(qū)域的最大凍拔位移值(峰值位移)分別為3.5 mm和4.5 mm，平均凍拔位移分別為3.5 mm和3 mm，發(fā)生在次年的1月下旬；負(fù)值區(qū)域的最低下降位移分別為7.5 mm和8.5 mm,平均下降位移分別為5.5 mm和7.5 mm，發(fā)生在次年的3月中下旬。而在寒期末，一般為次年的4月中下旬，船臺(tái)的剩余下降位移分別為2.5 mm和3.5 mm，隨氣候進(jìn)入夏季，下降位移不再發(fā)展。其中，凍拔上升速度約0.044 mm/d,下降速度約0.163 mm/d，凍拔上升速度僅為下降速度的1/4左右，即凍拔上升速度較慢。可見，上升(凍拔)和下降的最大位移(峰值位移)不大且發(fā)展速度趨緩，位移曲線形態(tài)“扁平”。

寒期現(xiàn)場勘查和對(duì)位移狀態(tài)的深入研究發(fā)現(xiàn)：船臺(tái)發(fā)生以上位移狀態(tài)和寒期不同氣溫時(shí)段湖冰的凍融形態(tài)和強(qiáng)度、基土的含水狀況等密切相關(guān)，表現(xiàn)在“似正弦曲線型”的升降位移曲線呈4個(gè)溫度時(shí)段變化。各溫度時(shí)段位移變化原因分析和規(guī)律探析如下：

第1時(shí)段：降溫后長持續(xù)低溫時(shí)段——每年的11月初至次年的1月中旬，約70～80 d。2個(gè)寒期此時(shí)段的平均氣溫分別為-14 ℃和-7 ℃。此時(shí)段內(nèi)，船臺(tái)升降位移曲線近似線性增加，表明船臺(tái)發(fā)生了持續(xù)的上升位移。對(duì)湖冰的凍脹機(jī)理分析可知，該上升位移為湖面冰層凍脹推動(dòng)船臺(tái)基礎(chǔ)樁產(chǎn)生的“凍拔”位移。如圖2～3所示。原因是隨大氣持續(xù)降溫，湖面結(jié)冰并凍凝至一定厚度，形成連續(xù)冰凍層，冰凍層不斷凝冰增厚，體積膨脹。冰膨脹力作用在船臺(tái)基礎(chǔ)樁表面的向上的切向凍脹應(yīng)力τ′(如圖1)開始向上推動(dòng)船臺(tái)基礎(chǔ)樁，當(dāng)切向凍脹應(yīng)力τ′增大到超過樁和船臺(tái)自重G和湖底融土層對(duì)樁的摩擦力f之和,即τ′≥G+f時(shí)[2],基礎(chǔ)樁和船臺(tái)整體開始產(chǎn)生向上的凍拔位移,如圖1所示。增長的厚冰層對(duì)低溫變化極其敏感，隨后期長時(shí)間的持續(xù)低溫,冰層凍結(jié)強(qiáng)度逐漸增大，冰和船臺(tái)基礎(chǔ)樁表面的凍結(jié)強(qiáng)度[3]也隨之持續(xù)加大，作用在基礎(chǔ)樁表面的切向凍脹應(yīng)力持續(xù)增強(qiáng)，推動(dòng)基礎(chǔ)樁繼續(xù)產(chǎn)生凍拔位移(即上升位移)。由于冰的密實(shí)性和勻質(zhì)性遠(yuǎn)高于凍土[4]，產(chǎn)生的切向凍脹應(yīng)力接近線性作用于船臺(tái)基礎(chǔ)樁表面。反應(yīng)出此時(shí)段船臺(tái)的凍拔位移呈現(xiàn)近似線性增大的特征。最大凍拔位移發(fā)生在時(shí)段的末期。如兩寒期船臺(tái)的實(shí)測最大凍拔位移的平均值分別為3.5 mm和3 mm，發(fā)生在每年的2月中旬左右。

第2時(shí)段：低溫內(nèi)升溫時(shí)段——次年的1月下旬至2月上旬或中旬(約20～30 d左右)。2個(gè)寒期該時(shí)段的平均氣溫分別為-11 ℃和-5 ℃。該時(shí)段氣溫在低(負(fù))溫內(nèi)升高，區(qū)段末升高明顯，但氣溫仍在零度下。該時(shí)段內(nèi)船臺(tái)的凍拔位移曲線呈近似線性減小趨勢，如圖2～3所示。位移減小的原因如下：1)晝夜溫差過大使湖面冰層頻遭“熱脹冷縮”而開裂，并在持續(xù)升溫時(shí)段頻繁發(fā)生。冰凍層開裂使作用在船臺(tái)基礎(chǔ)樁上的冰切向凍脹應(yīng)力得到部分釋放，意味著作用在樁表面的有效切向凍脹應(yīng)力隨之逐漸減小，船臺(tái)和基礎(chǔ)樁在自重作用下整體會(huì)逐漸下降。2)該時(shí)段冰的流變特征[4]開始顯現(xiàn)，表現(xiàn)出冰的后期強(qiáng)度降低，作用在基礎(chǔ)樁表面的切向凍脹應(yīng)力也隨之降低，船臺(tái)和基礎(chǔ)樁在自重作用下也將產(chǎn)生整體下降。這是船臺(tái)下降，凍拔位移減小的另一因素。3)湖面冰層凍脹對(duì)樁基礎(chǔ)的長期擠壓能使接觸面上的冰融化并起到潤滑作用[4]，破壞了冰與樁之間的凍結(jié)強(qiáng)度，相對(duì)減小了切向凍脹應(yīng)力，對(duì)船臺(tái)下降又起到輔助作用。足見，以上各衰減因素的綜合作用，減少了作用在船臺(tái)基礎(chǔ)樁表面的切向凍脹應(yīng)力，降低了約束作用，船臺(tái)和基礎(chǔ)樁因約束力減小而整體下降是必然的。在負(fù)溫內(nèi)持續(xù)升溫的末期，船臺(tái)下降至寒期前的初始位置，凍拔位移減小至零。因此時(shí)冰凍層對(duì)船臺(tái)基礎(chǔ)樁的切向凍脹應(yīng)力最小并接近消失，船臺(tái)在自重作用下繼續(xù)下沉。該時(shí)段內(nèi)船臺(tái)凍拔位移曲線接近線性下降，這表明是以上各因素作用的綜合效應(yīng)。

第3時(shí)段：正低(負(fù))溫波動(dòng)時(shí)段——次年的2月中旬至3月中旬，約30 d左右。2個(gè)寒期該時(shí)段的平均氣溫分別為-6 ℃和-3 ℃。該時(shí)段內(nèi)的位移曲線近似線性減小。表明船臺(tái)繼續(xù)產(chǎn)生下降位移，在位移曲線上顯示產(chǎn)生的是“負(fù)”位移，呈負(fù)增長趨勢，如圖2～3所示。時(shí)段內(nèi)氣溫在正負(fù)溫間頻繁波動(dòng)，湖面冰層表面吸收大氣升溫?zé)崃块_始融化，冰層底部也從冰水結(jié)合處向上融化。冰凍層的切向凍脹應(yīng)力隨冰融化逐漸消失，船臺(tái)和基礎(chǔ)樁整體在自重作用下繼續(xù)下降，船臺(tái)升降曲線反映出該時(shí)段沉降位移呈線性“負(fù)”增長。直至?xí)r段末，船臺(tái)下沉到最大位移(達(dá)6mm左右，如圖2～3所示)，沉降終止。此時(shí)，船臺(tái)和基礎(chǔ)樁的重量和湖底融土層的摩擦阻力達(dá)到新的平衡。顯然，此時(shí)段的下降位移非因冰的凍脹作用產(chǎn)生，而是因湖冰切向凍脹應(yīng)力消失，船臺(tái)和基礎(chǔ)樁靠自重下降的結(jié)果。

第4時(shí)段：正溫時(shí)段——次年3月下旬至4月中下旬，約20～30 d。2個(gè)寒期該時(shí)段的平均氣溫分別為3 ℃和7 ℃，如圖2～3所示。此時(shí)段湖面冰凍層吸收大氣正溫融化完成。船臺(tái)基礎(chǔ)樁周圍的基土吸水處于飽和狀態(tài)，飽和土浮力逐漸增大。船臺(tái)基礎(chǔ)樁在水和飽和基土的浮力[5]共同作用下上浮，產(chǎn)生上升位移。這個(gè)上升位移是隨著解凍后湖面水位升高和基土向飽和過渡而逐漸發(fā)生的。正溫時(shí)段船臺(tái)上升位移曲線接近線性增加說明了這一點(diǎn)。如圖2～3所示。比較而言，水和飽和基土的浮力對(duì)船臺(tái)基礎(chǔ)樁的上浮作用有限，船臺(tái)的上升也是有限的。如：2個(gè)寒期正溫時(shí)段船臺(tái)上升(上浮)到一定高度后即終止，表明此時(shí)的浮力和船臺(tái)結(jié)構(gòu)自重相平衡，上升終止。且終止時(shí)船臺(tái)上升的高度低于寒期前船臺(tái)的初始高度，二者的高差即為經(jīng)歷一個(gè)寒期的凍融循環(huán)后船臺(tái)產(chǎn)生的最終下降位移。如：2個(gè)寒期末船臺(tái)的剩余下降平均位移分別為2.5 mm和3.5 mm。此外，在正溫升溫時(shí)段船臺(tái)板混凝土吸熱膨脹也會(huì)表現(xiàn)出船臺(tái)上升。

可見，正溫時(shí)段船臺(tái)發(fā)生上升位移是由水土浮力和船臺(tái)熱膨脹引起的。但其根本原因是湖冰凍脹使船臺(tái)凍拔引起基土松動(dòng)，松動(dòng)后的融土吸收融化水再固結(jié)和浮力增強(qiáng)造成的。

3結(jié)語

寒期臨湖岸深水船臺(tái)的升降規(guī)律可描述如下：據(jù)寒期實(shí)測船臺(tái)升降位移建立的升降位移曲線表現(xiàn)出升降位移“似正弦曲線”形態(tài)發(fā)展，并由4個(gè)溫度時(shí)段的升降位移變化構(gòu)成，其中各時(shí)段的升降位移近似線性變化。各時(shí)段升降位移規(guī)律簡述如下：

1)降溫后長持續(xù)低溫時(shí)段：受湖面冰層持續(xù)增長的切向凍脹應(yīng)力推動(dòng)基礎(chǔ)樁和船臺(tái)整體上升的位移為凍拔位移，呈近似線性增長規(guī)律。

2)低溫內(nèi)升溫時(shí)段：低溫內(nèi)的升溫波動(dòng)引起的湖面冰熱脹冷縮、冰長期持荷產(chǎn)生流變、冰受長期擠壓的融化引起凍結(jié)強(qiáng)度降低等因素的綜合效應(yīng)，使作用在船臺(tái)基礎(chǔ)樁上的切向凍脹應(yīng)力近似線性減小，船臺(tái)和基礎(chǔ)樁在自重作用下整體下降。表現(xiàn)出船臺(tái)凍拔位移接近線性減小，該時(shí)段的船臺(tái)升降位移曲線反映出線性下降的規(guī)律。時(shí)段末期，船臺(tái)下降至寒期前的初始位置。

3)正低(負(fù))溫波動(dòng)時(shí)段：正負(fù)溫波動(dòng)加快了湖冰融化，作用于船臺(tái)基礎(chǔ)樁上的切向凍脹應(yīng)力繼續(xù)減小，船臺(tái)在自重作用下繼續(xù)下降。此時(shí)段的船臺(tái)升降位移曲線繼續(xù)表現(xiàn)出近似線性下降的規(guī)律。時(shí)段末期，船臺(tái)下降到最低不再發(fā)展。此時(shí)段阻礙船臺(tái)下降的力是吸收融化湖水而重新固結(jié)的基土產(chǎn)生的持續(xù)增長的摩擦力。

4)正溫時(shí)段：持續(xù)正溫使湖冰完全融化，船臺(tái)基礎(chǔ)樁周圍的基土逐漸過渡至過飽和狀態(tài)。過飽和狀態(tài)的基土和深水層的浮力使基礎(chǔ)樁和船臺(tái)整體逐漸產(chǎn)生上浮，表現(xiàn)在船臺(tái)的升降位移曲線上產(chǎn)生了持續(xù)增長的上升位移。至船臺(tái)和基礎(chǔ)樁的自重與浮力和基土的摩擦力相平衡時(shí)，船臺(tái)的上升停止。剩余的下降位移為一個(gè)寒期的下降總量。

概言之，寒期臨湖岸深水船臺(tái)的升降受寒期氣溫冷暖[6]影響顯示出多溫度時(shí)段的變化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

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The analysis of up-down laws of the deepwater berth

SUN Hong-wei

(SchoolofCivilEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：According the collect data of the lakeshore deepwater berths up-down displacement during the frosty period, the change curve of the displacement has been created with the influential facts to frost-thawing situations by different periods temperature conditions, and soil moisture of the berth piles. Finally, the berth up-down laws affected by different temperature periods conditions have been revealed.

Key words：lakeshore deepwater berths; up-down displacement; freezing-pulling displacement; shear stress of frost-heaving; up-down laws