王 衛(wèi) 東，崔 強(qiáng)，韓 楊 春，張 樹 林，丁 士 君

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 102401； 2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230088)

桿塔基礎(chǔ)是架空輸電線路的重要組成部分，用于支撐桿塔和承受上部結(jié)構(gòu)所有荷載。隨著電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，穿越的特殊地質(zhì)區(qū)域逐步增多，其中凍土地基問題最為常見[1]。凍土是一個(gè)由巖土顆粒、未凍水、冰及空氣等組成的多相體系統(tǒng)，其特殊性在于溫度作用下會(huì)發(fā)生冰水相變及水分遷移，進(jìn)而引起土體物理、水理及力學(xué)等工程性質(zhì)顯著變化[2]。因此，凍土地基的凍脹和融沉現(xiàn)象直接決定桿塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，引起桿塔凍拔、下陷以及融沉破壞，會(huì)嚴(yán)重影響輸電線路的運(yùn)行。另外，傳統(tǒng)的桿塔基礎(chǔ)類型仍以現(xiàn)澆式樁基礎(chǔ)為主，當(dāng)凍土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施條件較差時(shí)，施工周期就會(huì)成為制約架空輸電線路建設(shè)速度的瓶頸[3]。因此，凍土地區(qū)桿塔基礎(chǔ)面臨的主要問題是基礎(chǔ)穩(wěn)定性問題和缺乏新型基礎(chǔ)問題。

目前針對(duì)凍土地區(qū)桿塔基礎(chǔ)方面的研究多集中在基礎(chǔ)的熱穩(wěn)定性方面，如：胡志義等[3]分析了錐柱基礎(chǔ)不同斷面型式的性能和特點(diǎn)，針對(duì)青藏直流輸電線路工程中不同凍土的地質(zhì)條件，對(duì)常規(guī)的錐柱基礎(chǔ)型式進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)；莊標(biāo)[4]分析了凍土中的桿塔基礎(chǔ)產(chǎn)生事故的原因，并提出了一系列改善措施，強(qiáng)調(diào)注重工程選址的優(yōu)化、桿塔基礎(chǔ)材料的選用以及地基優(yōu)化設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)埋深的重要性，以保證桿塔基礎(chǔ)在寒冷地區(qū)能夠正常工作；王丹[5]描述了桿塔基礎(chǔ)在季節(jié)性凍土區(qū)的工程表現(xiàn)：基礎(chǔ)的下沉與凍脹，并分析了影響基礎(chǔ)凍脹性的因素，提出了桿塔基礎(chǔ)在凍土區(qū)的設(shè)計(jì)原則；王向東等[6]分析了影響地基土體凍深的因素，提出了回填非凍脹性材料與采用坡形基礎(chǔ)的解決方法，并且用事實(shí)案例證明了方法的可行性；萬一農(nóng)[7]分析了電力桿塔基礎(chǔ)在凍土地區(qū)的機(jī)理和受力情況，指出電力桿塔基礎(chǔ)在凍土區(qū)的施工技術(shù)要點(diǎn)與特點(diǎn)；黃元生等[8]在對(duì)工程沿線凍土區(qū)特性分析的基礎(chǔ)上，研究了凍土區(qū)輸電線路塔基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，為凍土區(qū)電力建設(shè)提供了數(shù)據(jù)資料和可靠預(yù)測(cè)。但是，目前尚未全面系統(tǒng)地開展凍土地基中各類基礎(chǔ)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，許多凍土區(qū)桿塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還處于試驗(yàn)和研究階段。

近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同的巖土類型，在傳統(tǒng)基礎(chǔ)型式上加以改進(jìn)，提出復(fù)合錨桿基礎(chǔ)[9-10]、板式螺旋錨復(fù)合基礎(chǔ)[11]、索聯(lián)板球基礎(chǔ)[12]等新型基礎(chǔ)型式，很好地解決了在特殊地質(zhì)條件下桿塔基礎(chǔ)的選型和設(shè)計(jì)問題。然而，針對(duì)凍土地區(qū)地基的工程特性以及施工快捷化的桿塔基礎(chǔ)型式尚顯缺乏，導(dǎo)致目前在多條穿越凍土區(qū)的線路工程建設(shè)中出現(xiàn)基礎(chǔ)施工難度加大，后期運(yùn)維中甚至出現(xiàn)基礎(chǔ)凍拔、桿塔傾斜等病害現(xiàn)象。

針對(duì)上述問題，本文首先結(jié)合錐形基礎(chǔ)和裝配式基礎(chǔ)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出一種新型的錐臺(tái)裝配式基礎(chǔ)。然后，通過模型試驗(yàn)對(duì)該新型基礎(chǔ)的工程特性展開研究。一方面從地基溫度場(chǎng)和地基基礎(chǔ)凍脹位移兩個(gè)角度分析不同凍結(jié)環(huán)境條件下地基凍脹特性和基礎(chǔ)的凍拔特性；另一方面，從荷載-位移曲線、地基承載力及破壞模式的角度分析凍土地基中基礎(chǔ)的抗壓承載性能，進(jìn)一步驗(yàn)證了該新型基礎(chǔ)的抗凍及承載特性，為后續(xù)工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)條件及方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)土樣

為真實(shí)體現(xiàn)試驗(yàn)基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)抗凍拔性能，試驗(yàn)用地基土體取自內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾境內(nèi)500 kV海拉爾-牙克石輸電線路沿線53號(hào)塔位附近。試驗(yàn)測(cè)得土樣的顆粒比重為2.55，最大干密度為1.89 g/cm3，天然含水率10.4%，最優(yōu)含水率為11.17%，液限和塑限分別為33.9%和20.5%。凍結(jié)溫度為-0.01 ℃，屬于強(qiáng)凍脹性粉土。

綜合考慮工程現(xiàn)場(chǎng)地基土體的狀態(tài)和施工要求，本次模型試驗(yàn)中地基填筑的土性條件設(shè)計(jì)為含水率10.4%，壓實(shí)度80%。

1.2 模型基礎(chǔ)及試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1模型基礎(chǔ)

目前，凍土地區(qū)常用的桿塔基礎(chǔ)形式主要包括原狀土錐柱基礎(chǔ)和開挖類的裝配式基礎(chǔ)。其中，錐柱基礎(chǔ)造價(jià)較低，且能夠全部或部分消除切向凍脹力，在凍土區(qū)的應(yīng)用越來越廣泛，然而該種形式基礎(chǔ)現(xiàn)澆過程施工周期長(zhǎng)，并且現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中混凝土的質(zhì)量難以控制；裝配式基礎(chǔ)多采用鋼制或混凝土材質(zhì)的預(yù)制構(gòu)件，通過現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成基礎(chǔ)的施工，其具有施工速度快、基礎(chǔ)構(gòu)件質(zhì)量可以保障等優(yōu)點(diǎn)，然而該類基礎(chǔ)為了拼裝簡(jiǎn)單，一般設(shè)計(jì)成等截面的混凝土直柱，其抗凍拔性能較差。本文結(jié)合錐柱基礎(chǔ)和裝配式基礎(chǔ)各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出了一種錐臺(tái)型裝配式基礎(chǔ)，兼具抗凍拔和便捷施工的功效，適用于凍土地區(qū)桿塔基礎(chǔ)的選用。該基礎(chǔ)由錐形柱體和底座兩部分組成，錐形柱體兩端為矩形鋼板，上部鋼板為桿塔提供穩(wěn)定的連接部位，下部鋼板用于和底座連接。底座由10根方管通過螺栓連接方式組合成兩層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 錐臺(tái)型裝配式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design diagram of the cone-frustums assembly foundation

根據(jù)相似理論試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[13-14]，以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸和模型試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)特征，確定試驗(yàn)幾何相似比條件為Cl=10，即基礎(chǔ)底板寬度為B=0.5 m，高度h為0.6 m，錐柱傾斜度為11°。考慮模型試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎迷筒牧现谱?，如圖2所示。

圖2 錐臺(tái)型裝配式基礎(chǔ)的模型Fig.2 Model of the cone-frustums assembly foundation

1.2.2試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用自行研制的一套拼裝式大型凍土模型試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)施。該套試驗(yàn)系統(tǒng)由箱體單元、加載單元和制冷單元3部分組成，如圖3所示。其中，箱體單元尺寸為長(zhǎng)×寬×高=2 m×2 m×1 m，由底板、圍護(hù)板和反力梁組成，反力梁由方管焊接而成，最大承載反力為300 kN。加載單元由測(cè)力計(jì)和液壓加載裝置組成。液壓加載裝置包括千斤頂和油泵，兩者通過油管連接。制冷單元由步入式低溫恒溫室(長(zhǎng)×寬×高=4 m×4 m×3 m，最低制冷溫度-30 ℃)、低溫冷浴器、隔熱板和冷媒管(最低制冷溫度-50 ℃)組成。考慮到模型框中的土樣體積較大(約4 m3)，為提高凍結(jié)效率，更快地使地基土樣降低至預(yù)定溫度，該裝置一方面可利用步入式低溫恒溫室降低環(huán)境溫度，以達(dá)到對(duì)地基土樣垂直向的降溫；另一方面在土樣四周布設(shè)制冷裝置，對(duì)土樣進(jìn)行水平向降溫，如圖4所示。

圖3 大型凍土模型試驗(yàn)裝置Fig.3 Large-scale frozen soil model test device

圖4 裝置的制冷原理Fig.4 Refrigeration principle of the device

1.3 試驗(yàn)方案及監(jiān)測(cè)方案

整個(gè)模型試驗(yàn)分成兩部分實(shí)施，首先開展地基基礎(chǔ)體系的凍結(jié)試驗(yàn)。凍結(jié)過程中地基與基礎(chǔ)頂部均為自由邊界，凍結(jié)試驗(yàn)時(shí)間為7 d，依據(jù)相關(guān)氣象資料，取樣地點(diǎn)當(dāng)年10月至次年3月日均氣溫為-28-1.5 ℃，因此本次試驗(yàn)的環(huán)境溫度設(shè)定為-5，-10，-15 ℃三個(gè)梯度。試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^對(duì)比凍結(jié)前后地基和基礎(chǔ)頂部?jī)雒浳灰频牟町惓潭葋矸治龌A(chǔ)的抗凍拔性能。其次開展凍結(jié)環(huán)境下模型基礎(chǔ)的下壓靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯磕Ｐ突A(chǔ)在地基凍結(jié)狀態(tài)下的抗壓承載性能。試驗(yàn)加卸載及終止條件參考相關(guān)規(guī)范要求[16]。

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方案為：對(duì)于地基溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，在基礎(chǔ)一側(cè)每25 cm布置一列傳感器，共計(jì)3列，每列傳感器的間隔為20 cm，共計(jì)15個(gè)。此外在基礎(chǔ)外另設(shè)一個(gè)環(huán)境溫度傳感器，以便觀察步入式低溫恒溫單元溫度的變化。凍結(jié)試驗(yàn)和下壓試驗(yàn)中均在基礎(chǔ)頂部?jī)啥朔謩e放置一個(gè)位移傳感器，然后在基礎(chǔ)一側(cè)以相等間距放置3個(gè)位移傳感器，目的是監(jiān)測(cè)地基和基礎(chǔ)在凍結(jié)和加載過程中的位移變化，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方案(尺寸單位：mm)Fig.5 Test monitoring scheme

2 地基凍結(jié)及基礎(chǔ)凍拔特性分析

2.1 地基溫度

圖6為不同凍結(jié)環(huán)境溫度條件下步入式低溫恒溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的環(huán)境溫度?？梢钥闯?，試驗(yàn)過程中環(huán)境溫度基本保持在設(shè)計(jì)的-5，-10 ℃和-15 ℃水平，但存在一定的波動(dòng)現(xiàn)象。原因在于步入式低溫恒溫實(shí)驗(yàn)室的恒溫控制原理為位式控制法，目標(biāo)溫度設(shè)置為-5，-10 ℃和-15 ℃，但將回差溫度設(shè)置為2 ℃，通過制冷系統(tǒng)的周期性啟動(dòng)和停機(jī)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的自動(dòng)化控制，因此實(shí)際環(huán)境溫度處于有限范圍內(nèi)的波動(dòng)狀態(tài)。

圖6 不同凍結(jié)試驗(yàn)條件下的室內(nèi)環(huán)境溫度Fig.6 Indoor ambient temperature under different freezing test conditions

圖7為凍結(jié)環(huán)境溫度為-10℃條件下地基內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化特征?？梢钥闯觯囼?yàn)箱體內(nèi)部土體溫度呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，地基頂部土體降溫最為顯著，深部降溫速率有所區(qū)別，但差異程度不大。在相同水平高度上，地基頂部溫度隨著與箱體壁面距離的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，基礎(chǔ)頂部且緊鄰箱體壁面的土體(傳感器1-5)降溫幅度最為顯著，原因在于該位置土體與環(huán)境的熱量交換效率最高。凍結(jié)環(huán)境溫度為-5，-10 ℃和-15 ℃時(shí)，地基最終平均溫度分別為-2.83，-6.34，-7.42 ℃，可以看出地基最終平均溫度隨著凍結(jié)環(huán)境溫度的降低而降低，但降低幅度逐漸減小，說明土體尚未與室內(nèi)環(huán)境達(dá)到熱交換平衡狀態(tài)。

圖7 凍結(jié)試驗(yàn)(-10 ℃)中凍土地基溫度場(chǎng)分布特征Fig.7 Temperature distribution of subsoil in freezing test of -10 ℃

圖8～9分別為垂直向和水平向凍深及凍結(jié)速率時(shí)程曲線。從圖中可以看出，隨著凍結(jié)時(shí)間的不斷累積，兩個(gè)方向的凍深均逐漸增大，而凍結(jié)速率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。

圖8 凍深及凍結(jié)速率時(shí)程曲線(垂直向)Fig.8 Time history curve of freezing depth and rate(vertical direction)

2.2 地基表面與基礎(chǔ)頂部?jī)雒浳灰?/h3>

圖10為凍結(jié)試驗(yàn)過程中地基表面凍脹位移的變化特征。可以看出，地基凍脹隨著凍結(jié)時(shí)間的增大呈現(xiàn)先逐漸增大，后逐漸穩(wěn)定的變化規(guī)律，凍脹位移增大幅度逐漸減小。同時(shí)，不同位置的凍脹位移不一致，靠近基礎(chǔ)附近的位移量相對(duì)較小，最終凍脹量約為0.62 mm；隨著與基礎(chǔ)距離的增大，凍脹量相對(duì)較大，約為1.05 mm。原因在于，當(dāng)?shù)鼗鶅?nèi)部土質(zhì)均勻且無其他構(gòu)件時(shí)，地基相當(dāng)于半無限的均勻體，地基的凍脹是均勻的，稱為“自由凍脹”。當(dāng)?shù)鼗胁柯袢牖A(chǔ)后，由于土體凍結(jié)過程中的體積膨脹作用對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生土壓力作用，基礎(chǔ)周圍地基土的凍脹則受到基礎(chǔ)的反約束作用，導(dǎo)致非均勻凍脹現(xiàn)象，稱為“約束凍脹”。地基土靠近基礎(chǔ)越近，受到的基礎(chǔ)約束作用越大，凍脹量越小。當(dāng)超過一定距離時(shí)，則逐漸接近自由凍脹，傳感器D1-1和D1-2的最終凍脹量趨于相等，均在1.0 mm附近，說明試驗(yàn)箱的尺寸不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，不存在邊界效應(yīng)問題。

圖9 凍深及凍結(jié)速率時(shí)程曲線(水平向)Fig.9 Time history curve of freezing depth and rate(horizontal direction)

圖11為凍結(jié)試驗(yàn)過程中基礎(chǔ)頂部?jī)霭挝灰频淖兓卣??？梢钥闯?，由于基礎(chǔ)頂部無約束，相當(dāng)于自由凍拔狀態(tài)，基礎(chǔ)頂部?jī)霭挝灰齐S著凍結(jié)時(shí)間的增大呈現(xiàn)先逐漸增大、后逐漸穩(wěn)定的變化規(guī)律，凍拔位移增大幅度逐漸減小?；A(chǔ)的最大凍脹量約為0.50 mm。相比地基凍脹位移，凍拔位移量相對(duì)較小，說明新型錐臺(tái)型裝配式基礎(chǔ)具有良好的抗凍拔性能。原因在于，錐臺(tái)式構(gòu)造可以削弱切向凍脹力的影響。

圖10 凍結(jié)試驗(yàn)(-5 ℃)中地基表面凍脹位移Fig.10 Frost heave displacement of foundation surface in freezing test of -5 ℃

同時(shí)，相比凍土地基出現(xiàn)凍脹位移的時(shí)間，基礎(chǔ)頂部?jī)霭挝灰频某霈F(xiàn)時(shí)間相對(duì)滯后。原因在于，在凍結(jié)試驗(yàn)初期，土體凍脹對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的上拔力需先克服基礎(chǔ)底部矩形底座和基礎(chǔ)與地基之間的抗拔作用。尤其對(duì)于基礎(chǔ)底部矩形底座而言，由于土體豎直向下的土壓力作用，在凍結(jié)試驗(yàn)初期，基礎(chǔ)有足夠的錨固力抵抗上拔力。但是，當(dāng)?shù)鬃虏客馏w開始凍結(jié)膨脹之后，基礎(chǔ)承受的豎直向上荷載逐漸增大。同時(shí)，對(duì)于凍結(jié)地層中的基礎(chǔ)錐形表面而言，由于與周圍土體膠結(jié)形成整體，隨土體凍脹的發(fā)展向上移動(dòng)，導(dǎo)致基礎(chǔ)的上拔作用逐漸大于整體抗凍拔承載力，基礎(chǔ)進(jìn)而出現(xiàn)凍拔現(xiàn)象。

圖11 凍結(jié)試驗(yàn)(-5 ℃)中基礎(chǔ)頂部?jī)霭挝灰艶ig.11 Freeze-drawing displacement at the top of foundation in freezing test of -5 ℃

2.3 地基與基礎(chǔ)位移特性隨溫度的變化

不同凍結(jié)環(huán)境溫度條件下的地基凍脹量如圖12(a)所示?？梢钥闯?，地基最終凍脹量隨凍結(jié)環(huán)境溫度的降低呈現(xiàn)先增大、后減小的變化規(guī)律。原因在于，最終凍脹量包括含冰量和水分遷移量?jī)蓚€(gè)主要影響因素。其中，含冰量隨著溫度的降低而增大，含冰量的增大會(huì)提高凍脹量；但是對(duì)于水分遷移量，其隨著凍結(jié)環(huán)境溫度的降低而逐漸減小，因?yàn)閮鼋Y(jié)環(huán)境溫度越低，凍結(jié)鋒面的移動(dòng)速度越快，水分遷移時(shí)間越短，因此水分遷移量越少，而水分遷移量越少越不利于凍脹量的增大。因此，隨著凍結(jié)環(huán)境溫度的降低，含冰量變化有利于凍脹量的增大，而水分遷移量變化不利于凍脹量的增大，兩個(gè)因素作用比例關(guān)系會(huì)隨著凍結(jié)環(huán)境溫度的降低而改變，因此地基最終凍脹量不會(huì)隨凍結(jié)環(huán)境溫度的降低而呈現(xiàn)單調(diào)增大的規(guī)律，而是呈現(xiàn)先增大、后減小的變化規(guī)律。

圖12(b)為不同凍結(jié)環(huán)境溫度下基礎(chǔ)凍拔位移量的變化規(guī)律?？梢钥闯觯c地基凍脹量的變化規(guī)律一致，基礎(chǔ)最終凍拔量也隨著凍結(jié)環(huán)境溫度的降低呈現(xiàn)先增大、后減小的變化規(guī)律，但是凍結(jié)環(huán)境溫度為-10 ℃和-15 ℃時(shí)的差異程度相對(duì)較小。原因在于，基礎(chǔ)下部土體含冰量對(duì)其最終凍拔量的影響相對(duì)較大。

圖12 不同凍結(jié)環(huán)境溫度下地基和基礎(chǔ)的最終凍脹量Fig.12 Ultimate displacements at the top of foundation and ground surface in different freezing tests

2.4 地基凍脹現(xiàn)象

圖13為凍結(jié)試驗(yàn)過程中地基與基礎(chǔ)表面的凍脹裂縫發(fā)育與分布特征?？梢钥闯?，在地基凍結(jié)過程中，隨著地表凍脹位移的逐步增大，地表出現(xiàn)細(xì)微裂縫，除了大面積分布的龜裂縫之外，在凍結(jié)試驗(yàn)后期逐步形成數(shù)條裂縫寬度相對(duì)大、視覺相對(duì)顯著的裂縫，并沿基礎(chǔ)頂部矩形頂板向四周呈放射狀分布。出現(xiàn)裂縫的原因在于，土中水凍結(jié)膨脹，體積增大9%，在受周圍土顆粒約束的情況下就出現(xiàn)了膨脹力，即凍脹力，這種膨脹力有將緊挨著的土顆粒撐開的趨勢(shì)。但是，是否能被撐開，以及撐開距離的大小與外界的約束條件有關(guān)。對(duì)于地表土體，由于邊界自由無約束，因此在凍結(jié)過程中首先出現(xiàn)大面積分布的裂縫，然后隨著凍脹力的增大，應(yīng)力釋放導(dǎo)致局部出現(xiàn)放射狀裂縫。

圖13 地基凍脹現(xiàn)象Fig.13 Frost heave phenomenon of subsoil

3 基礎(chǔ)抗壓承載性能分析

3.1 荷載-位移曲線

圖14為不同凍結(jié)環(huán)境溫度條件下的基礎(chǔ)荷載-位移(Q-s)曲線。可以看出，Q-s曲線呈現(xiàn)緩變型，直至分級(jí)荷載加載到最后一級(jí)，Q-s曲線始終未出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)。原因在于，下壓加載過程中，隨著基礎(chǔ)向下移動(dòng)，一方面破壞了基礎(chǔ)與周圍土體的凍結(jié)膠結(jié)作用，不利于抗壓承載性能的保持；另一方面，基礎(chǔ)矩形底板下部土體不斷壓縮，密實(shí)度進(jìn)一步提高，有利于提高抗壓承載性能。因此，在基礎(chǔ)下壓荷載逐漸增大過程中，當(dāng)土體與基礎(chǔ)之間產(chǎn)生一定相對(duì)位移時(shí)，基礎(chǔ)側(cè)摩阻力可逐步發(fā)揮至極限值，但是基礎(chǔ)底端阻力尚未到達(dá)極限值。

同時(shí)可以看出，隨著凍結(jié)環(huán)境溫度的降低，Q-s曲線逐漸向右側(cè)移動(dòng)，說明相同荷載對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)沉降位移量減小，即基礎(chǔ)抗壓承載力隨著凍結(jié)環(huán)境溫度的降低而逐漸增大。原因在于，基礎(chǔ)與地基間的凍結(jié)力隨著凍結(jié)溫度的降低而增大，相應(yīng)地基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗壓承載力越大。

圖14 不同凍結(jié)環(huán)境溫度下的荷載-位移曲線Fig.14 Load-displacement curves after different freezing tests

3.2 抗壓承載性能分析

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[15]，取下壓位移與基礎(chǔ)寬度之比(s/B)為0.015時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值為極限抗壓荷載。試驗(yàn)結(jié)果為：凍結(jié)環(huán)境溫度為-5，-10 ℃和-15 ℃時(shí)，基礎(chǔ)極限抗壓承載力分別為93.1，140.4，198.6 kN。

可以看出，基礎(chǔ)極限抗壓承載力隨著凍結(jié)溫度近似呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的規(guī)律，凍結(jié)溫度越低，地基抗壓承載力越大。因此，凍土中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的極限抗壓承載力受土層溫度變化的影響較大。隨著凍結(jié)溫度的降低，基礎(chǔ)的極限承載力基本呈線性變化，變化速率約10.5 kN /℃，承載力與溫度的關(guān)系有：Pu=38.68-10.5T，如圖15所示。需要指出的是，實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)凍土溫度降低至一定程度時(shí)，凍土中未凍水的含量減少緩慢，甚至沒有變化時(shí)，基礎(chǔ)承載力會(huì)達(dá)到極限。

圖15 不同凍結(jié)環(huán)境溫度下基礎(chǔ)的極限承載力Fig.15 Ultimate bearing capacity of foundation after different freezing tests

3.3 基礎(chǔ)破壞模式分析

圖16為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下壓和地基破壞模式的現(xiàn)場(chǎng)情況。可以看出，在加載試驗(yàn)后期，相比地基，基礎(chǔ)出現(xiàn)明顯的相對(duì)下錯(cuò)位移。一方面，凍結(jié)試驗(yàn)過程中的地基凍脹裂縫出現(xiàn)寬度增大現(xiàn)象；另一方面，更為顯著地是，沿基礎(chǔ)四周均出現(xiàn)一條新的貫通性裂縫，寬度逐步增大，長(zhǎng)度逐步延伸至箱體邊界附近。

圖16 加載試驗(yàn)過程中基礎(chǔ)破壞特征(-5 ℃)Fig.16 Failure characteristics of foundation in loading tests(-5 ℃)

4 結(jié) 論

(1) 在凍結(jié)試驗(yàn)過程中，地基土體溫度隨著凍結(jié)環(huán)境溫度的降低和凍結(jié)試驗(yàn)時(shí)間的增大而逐漸降低。地基凍脹量隨著與基礎(chǔ)距離的增大而增大，基礎(chǔ)對(duì)地基凍脹變形具有限制作用。由于地基含冰量和水分遷移量對(duì)凍脹量的綜合控制作用，地基最大凍脹量隨著凍結(jié)環(huán)境溫度的降低呈先增大、后減小的規(guī)律?；A(chǔ)凍拔量主要受基礎(chǔ)底部土體凍脹率的控制，與地表凍脹量的變化規(guī)律一致。

(2) 不同溫度環(huán)境條件下，基礎(chǔ)的下壓荷載-位移曲線呈現(xiàn)緩變型，直至分級(jí)荷載加載到最后一級(jí)，試驗(yàn)基礎(chǔ)的荷載-位移曲線始終未出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)；隨著凍結(jié)環(huán)境溫度的降低，基礎(chǔ)的荷載-位移曲線逐漸向右側(cè)移動(dòng)，說明隨著溫度的降低，在受到相同的下壓荷載時(shí)，基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的沉降量逐漸減小，抗壓承載力逐漸增大。

(3) 凍土地基中，試驗(yàn)基礎(chǔ)的極限抗壓承載力隨著凍結(jié)環(huán)境溫度的降低而呈線性增長(zhǎng)規(guī)律，變化速率約為10.5 N/℃；凍土地基中基礎(chǔ)的破壞是由溫度應(yīng)力與外加荷載共同作用所引起，下壓荷載導(dǎo)致地表前期產(chǎn)生的凍脹裂縫進(jìn)一步拓寬、延伸，最終在基礎(chǔ)的四周出現(xiàn)貫通地基表面的的裂縫，導(dǎo)致地基基礎(chǔ)體系發(fā)生破壞。