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中国矿业大学学报990 6 0 4 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG 2 . 试样表面析冰层; 3. 试样; 4. 绝热体; 5. 冷源板; 6 . 位移计; 7 . 力传感器; 8 . 模型试桩; 9. 测温传感器 试样选用K a r l s r u h e 标准中砂, 按I BF冻结室规定的标准程序制备试样, 试样直径30 0 m m , 高30 0 m m . 容器侧壁敷以聚四氟乙烯材料, 以减小与土体的摩擦力. 模型桩采用铝 合金管, 为模拟混凝土表面粗糙度, 在管外表面均匀涂抹材料胶并粘以细砂, 管外径45 m m . 模型桩上端与测力传感器相连. 冷源板置于试样底部, 自下而上一维均匀冻结和融化饱和中砂试样. 试验中, 无外部 水源补给. 采用全自动制冷机冻结循环冷液, 冷源恒定温度-2 0 ℃, 精度为0 . 2 ℃. 冻结 时间约7 0 0 m i n , 融化温度为 18 ℃, 有效融化时间约6 0 0 m i n . f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 4. h t m （第 2 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 42 中国矿业大学学报990 6 0 4 用高精度测力传感器测定模型桩所受轴向总力，经换算后得到桩侧负摩阻力的平 均值. 第一类位移计（图1中1）在试样冻结前布置, 通过特殊结构导管置于砂层面下3 m m , 以量测试样颗粒的竖向位移；第二类位移计（图1中6 ）在试样冻结完成、试验开 始时设置于析冰面上, 以量测试样表面之竖向位移. 所有力、温度、位移传感器均在试样 开始融化时置零, 全部待测量由冻结室数据采集系统采集、存储与处理. 2 试验结果及其分析 2 . 1 融沉位移 在冻土融化阶段，试样析冰表面位移试验测值w 2如图2 所示. 在融化初、中期, 位移 基本呈线性增加, 但当融化时间达t d 46 0 m i n 后（此时, 冻土的析冰已全部融化, 故称t d 为分界时间），位移几乎不再变化. 据此，w 2可表为分段函数 1 式中k 1，k2是常数；t 是时间. 图2 试样析冰表面位移随时间的变化 Fi g . 2 T h e c h a n g e o f s e p a r a t i n g i c e s u r f a c e d i s p l a c e m e n t o f s a m p l e 砂颗粒骨架表面位移w 1随融化的变化与上述情况不同, 参见图3. 随时间增长, 位移递 增, 在分界时间t d 处由近乎线性转变为衰减型, 其与时间的关系可回归为 w 1 -310 -9t3 2 10-6t2 0 . 0 0 0 2 t . 2 式（2 ）的回归相关系数R 0 . 997 2 , 高度显著. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 4. h t m （第 3／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 42 中国矿业大学学报990 6 0 4 试验条件下测得颗粒骨架表面位移最大值达0 . 36 m m , 试样应变达1. 2 10 -3. 图3 试样颗粒表面位移随时间的变化 Fi g . 3 T h e c h a n g e o f d i s p l a c e m e n t o f s a m p l e g r a i n s u r f a c e 这样, 可以将整个冻砂颗粒骨架表面融沉位移分为两个部分, 一是当融化时间小于分 界时间, 即t t d 时, 土处于正温 状态, 土中颗粒因自重而重分布所造成的沉降. 前一阶段的沉降位移占主导地位, 约占整 个颗粒骨架位移的90 . 2 . 2 负摩阻力 冻砂融沉过程中, 模型桩上平均负摩阻力f 的试验结果如图4所示. 图中横坐标是冻土 的融化时间, 纵坐标则是模型桩平均负摩阻力, 散点是试验实测值, 实线是其线性回归曲 线, 其方程是 f 0 . 0 0 4 8 t . 3 回归相关系数R 0 . 997 0 , 高度显著. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 4. h t m （第 4／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 42 中国矿业大学学报990 6 0 4 图4 冻土融化过程模型桩负摩阻力 Fi g . 4 T h e n e g a t i v e f r i c t i o n o f m o d e l p i l e i n f r e e z e -t h a w p r o c e s s 由此可见, 单桩负摩阻力的增长与冻土融化时间呈良好的线性关系. 当然, 这一关系 是建立在自然融化温度为恒温基础上的. 在恒定融化温度条件下, 单桩负摩阻力与冻土融 化时间的关系可表达为 f k t , 4 式中 k 为与融化温度等边界条件有关的系数. 图5是单桩融沉负摩阻力与析冰表面融沉位移的关系, 折线是试验实测值的散点连 线. 图5 桩负摩阻力与析冰融沉位移的关系 Fi g . 5 T h e r e l a t i o n b e t w e e n n e g a t i v e f r i c t i o n o f p i l e a n d t h a w -c o l l a p s e d i s p l a c e m e n t o f s e p a r a t i n g i c e 由图5可见, 桩侧负摩阻力在整个冻土融化过程中可分为两个阶段 一是析冰融化位 移增加阶段, 此时冻土中析冰相变融化, 体积收缩, 由于颗粒与模型桩外侧面间的摩擦而 导致了负摩阻力, 负摩阻力随融沉位移明显增加；第二阶段是析冰融化后, 土处于正温状 态, 土中颗粒因自重而重分布沉降位移导致的负摩阻力. 如前所述, 此阶段析冰表面位移 几乎不再变化. 在分界点后, 由于析冰表面位移几乎不再增加, 但颗粒间相互位置仍在不断微调, 骨 架表面位移仍有所增加，因而负摩阻力仍在增加, 如图6 所示. 尽管颗粒表面位移增加值 仅占位移总量的9. 7 , 但这一阶段所增长的桩侧负摩阻力却占桩侧总负摩阻力的17 . 9. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 4. h t m （第 5／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 42 中国矿业大学学报990 6 0 4 图6 颗粒骨架位移与负摩阻力的关系 Fi g . 6 T h e r e l a t i o n b e t w e e n d i s p l a c e m e n t o f s a m p l e g r a i n f r a m e w o r k a n d n e g a t i v e f r i c t i o n o f p i l e 如果用图7 表示在整个冻土主融化过程中试样析冰表面位移、颗粒骨架表面位移和 单桩负摩阻力的关系, 则可以看出, 整个融化过程可以以析冰相变温度（此处假设为0 ℃）作为分界点而分为两阶段. 图7 融沉位移和负摩阻力分阶段示意 Fi g . 7 T h e s k e t c h o f t h a w -c o l l a p s e d i s p l a c e m e n t a n d n e g a t i v e f r i c t i o n i n d i f f e r e n t s t a g e s 在整个过程中, 单桩负摩阻力一直呈线性增加, 而试样析冰表面位移和颗粒骨架表面 位移则有所不同. 在第一段, 冻土中析冰为负温升温、恒温相变渐融过程, 土中从无自由 水到存在0 ℃的自由水, 直到冰全部融化为水, 试样析冰表面位移和颗粒骨架表面位移均 呈增加趋势, 此时负摩阻力f Ⅰ是融土综合位移wⅠ作用的结果；在第二段, 融土温度渐升, f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 4. h t m （第 6 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 42 中国矿业大学学报990 6 0 4 仅土中颗粒进行微小的重分布, 故原试样析冰表面位移变化甚微, 而颗粒骨架表面位移则 呈非线性-衰减型增加, 此时单桩上的负摩阻力f Ⅱ是融土位移wⅡ作用的结果, 且该段位移 对负摩阻力的贡献率几乎增加了一倍. 3 结论 通过上述试验分析, 得出如下几点结论 1 在融化过程中, 冻结中砂试样析冰表面位移的变化表现为分阶段线性, 在析冰融化 阶段, 其与时间的关系可近似描述为线性, 而在颗粒重分布阶段则数值很小, 可以忽略不 计. 2 试样颗粒骨架表面位移在融化过程中可分为近似线性和非线性两个阶段, 线性位 移是析冰融化导致体积收缩的结果, 而非线性段的贡献来自于颗粒的重分布. 3 单桩负摩阻力在融化过程中呈良好的线性增加, 但在前后两个阶段中负摩阻力增 加的机理是不同的. 在后一阶段, 尽管颗粒重分布造成的位移增量相对较小, 仅占9. 7 , 但 负摩阻力增量却达近18 . 4 本试验仅就K a r l s r u h e 中砂在一维冻结融化且无水源补给条件下的单桩负摩阻力 进行了试验分析, 尽管负摩阻力量值较小, 但对于冻结细粒土在三维冻融、敞开系统等不 同初始和边界条件下桩基负摩阻力的研究具有借鉴意义. 国家自然科学基金资助项目（497 7 10 2 4） 作者简介周国庆, 男, 196 1年生, 工学博士, 副教授 作者单位周国庆 杨维好 （中国矿业大学建筑工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 ） 参考文献 1 A r v i n d P. Fr o z e n g r o u n d e n g i n e e r i n g . En g l e w o o d Cl i f f s Pr e n t i c e -H a l l , 198 5. 2 4～6 5 2 A n d r e w G ， H e y d i n g e r M . Pi l e s i n p e r m a f r o s t . Jo u r n a l o f Co l d Re g i o n s En g i n e e r i n g , 198 7 , 1 2 59～7 5 3 La d a n y i B， Sh e n M . Pr e s s u r e v a r i a t i o n o n a w e l l b o r e c a s i n g d u r i n g p e r m a f r o s t t h a w i n g . I n Yu X, W a n g C, e d s . G r o u n d Fr e e z i n g 91. Ro t t e r d a m A . A . Ba l k e m a , 1991. 2 45～2 50 4 王明恕, 姚鑫林. 深井冻结井壁壁座设计的新问题负摩擦力. 煤炭学报, 198 2 , 7 2 2 1～2 4 5 崔广心. 我国人工冻结工程研究现状及展望. 见 中国地理学会冰川冻土分会编. 第 五届全国冰川冻土学大会论文集 下 . 兰州 甘肃文化出版社, 1996 . 8 43～8 51 6 No v i k o v F Y. Pr e s s u r e o f t h a w i n g s o i l s o n t h e c o n c r e t e l i n i n g o f v e r t i c a l m i n e s h a f t s . En g i n e e r i n g G e o l o g y , 197 9, 13 2 7 7 ～2 8 6 收稿日期1999-0 6 -2 2 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 4. h t m （第 7 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 42
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