文摘
的流变行为pile-frozen桩基础工程桩土界面可以加速沉降和桩的承载力恶化在寒冷的地区。这是指导的核心基础桩工程的设计和判断桩基础的使用寿命。然而,目前尚不清楚如何流变过程的影响因素,确定ad-freeze pile-frozen土界面强度。本文基于一系列多级加载蠕变试验(MLCT) pile-frozen青藏粘土土壤界面和冻土的微观观察,接口的流变过程和cryo-mechanism进行了分析。结果表明,降低土壤温度降低界面的瞬时变形值和蠕变速率,其结果与温度有关的流变行为的冰。这种趋势也出现在与粗颗粒土和桩的粗糙表面。在冻土的存在巨大的冰好处接口的承载力的高温1°C。然而,它可以大大提高接口的蠕变率的影响由于冰在较低温度下的流变性质5°C。厚透镜状冰透镜或混乱的网状cryo-structures周围冻土桩将提高接口的流变特性。接口展品最低的瞬时变形值和最慢的大规模cryo-structure冻土蠕变率,形成最佳含水量。 From an engineering viewpoint, the settlement of a pile foundation can be reduced by controlling its instantaneous deformation or restraining its creep rate.
1。介绍
一堆是最常见的深基础类型的桥梁、房屋、输电线路等岩土工程项目。土壤的摩擦阻力作用于桩侧表面的熊上桩基础的荷载。摩擦力的大小取决于桩界面的剪切力学性能。pile-frozen ad-freeze键的强度的土壤界面通常几乎占绝大多数的总承载力,导致桩的承载力远远比桩冻土地区在一般地区。众多实验调查界面剪切特性进行了澄清桩的位移行为(1- - - - - -7]。然而,工程实践表明,在冻土地区桩基础的轴承性能恶化,和桩基础的沉降逐渐加重他们的寿命不过([8- - - - - -11]。一些研究表明,时间解决一堆由pile-frozen土界面的流变学([12- - - - - -14]。调查描述桩基础的长期蠕变行为不能利用从实验室测试没有可靠的验证结果。因此,流变过程,以及cryo-mechanism桩之间的接口和冻土的核心基础是指导设计和判断桩基础的使用寿命。
流变学是指塑料流动性能的材料在外部力量。对它的研究主要集中在关系压力、变形、应变率和粘度15]。一般来说,冻土的流变学特征是蠕变、应力松弛和长期强度降低([16- - - - - -18]。同样,桩基础的流变学一直是调查描述的蠕变行为pile-frozen土壤界面。蠕变行为取决于桩的性质和周围的冻土。前者包括材料和表面粗糙度,后者包括土壤质量、粒子分散,水分含量、温度、盐度和冻融过程(19- - - - - -21]。翠和香港22发现时间指数时间变形桩独立的负载,但依赖于桩表面根据一系列现场试验桩在北极地区,加拿大。该指数也降低冻土的盐度增加(23]。本文作者和安德森(24]研究蠕变参数和主要影响因素之间的关系,包括加载模式,粗糙度,冰内容,通过钢桩模型和粒子分散。作为强粘性材料,冰在冻土流变学中扮演着非常重要的作用的桩基础。Morgenstern et al。13]证明了流速的预测在冰和含冰冻土桩基础基于冰流标准与测试结果一致。甚至在冻土桩的承载力是一个数量级大于在冰下相同的应变率21]。除了瞬时桩的承载力,减少的时间解决桩加剧气候变暖的背景下。尼克松(25)和Abdulghader和默罕默德12所有发现桩在冻土蠕变速率的增加随着地面温度的增加。最新的研究发现,剪切蠕变过程中界面的力学性能增强,然后很明显受损随着剪切应力的增加(26]。
探讨cryo-mechanism冻土的蠕变行为,结合蠕变测试和cryo-structure已经广泛采用(27,28]。多组分与矿物颗粒geomaterial,冰包,不冻的水,和天然气,冻土具有独特的力学性能不同的土壤解冻。冻土的力学性能是温度和敏感的由于粘度的冰和冰之间的相变和解冻的水。许多研究人员发现,冻土的流变特性是依赖于cryo-structure,厚度、隔离的取向和冰([29日- - - - - -31日]。虽然CT技术与纳米级分辨率已经用于研究冻土的蠕变行为,这些研究主要集中在揭示内部变形过程,而不是cryo-structure对蠕变的影响。的ad-freeze强度桩界面主要由冰胶结,这非常类似于冻土。桩土界面的流变特性密切相关的cryo-structure冻土桩周围。几个一直努力揭示了桩基础的流变特性的核心机制。本文模型的蠕变试验桩界面设计,和一系列的蠕变测试不同温度、水分含量、土壤颗粒分散体,桩的表面进行。蠕变特性以及关键参数,即。,steady creep rate and instantaneous deformation, were analyzed. Then, microscopic observation of the dissected frozen soil surrounding the pile was further performed, and the relationship between the cryo-structure of the frozen soil and the interface’s rheological behavior was investigated.
2。实验
2.1。Pile-Frozen土壤结构的制备和测试仪器
材料试验机,可调节温度的孵化器相结合进行剪切蠕变试验pile-frozen土壤结构。培养箱温度控制的准确性°C。试验装置如图的照片1。三步过程所需的初始准备pile-frozen土壤结构。首先,混凝土桩(直径5厘米,长度33厘米)。其次,土壤样本准备不同的水分含量(37%,27%,和20%)被放置在一个密封的盒子超过24小时保持水分均匀。从昼夜间获得典型粘土地区青藏高原被用在这个实验。粘土的粒度分布列在图2。液体和粘土的塑性极限为35%和21%,分别。比较,控制粘土与另一个粒子层次也准备控制测试,与蓝线在图所示2。最后,混凝土桩垂直固定在钢管的中心(24厘米,直径28厘米,高度和壁厚1厘米)。一个圆孔(直径6厘米)在底板的中心是确保混凝土桩只是受到侧阻力在桩顶加载。土壤样本中充满管道一层一层地,当时放在冰箱温度控制的准确性°C快速冻结。一旦桩结构完全冻结,冰箱是调整到测试温度,超过24小时保持不变。分层的冷冻方法,加水2厘米的管道厚度和冻结每次直到管完全满冰块,采用pile-ice结构的准备。加载测试前,测试结构很快就被搬到孵化器,超过12小时测试温度。由于长时间的样品制备和测试,所有样品都覆盖着透明塑料包装以防止升华的冻土中的水和冰。
(一)
(b)
2.2。测试方法
一般来说,流变试验的周期应该足够长,以确保一个完整的可以获得的蠕变曲线。多级加载蠕变试验进行了(MLCT)由于其效率高、小离散化中不同的测试结果。该方法不仅可以缩短测试周期也获得界面剪切应力水平的影响蠕变定律。根据传统的剪切测试pile-frozen土壤结构(3°C的温度,水分含量为37%),抗剪强度和变形特性pile-frozen土壤结构的实验研究。加载程序,包括加载值和相应的时间,精心设计,如图3。特别是,为了获得稳定的蠕变速率和负载级别之间的关系,每个MLCT负荷水平的持续时间增加而增加的负载水平。观察周围的冻土桩cryo-structure,很快就被解剖结构在MLCT结束后冷藏。Supereyes设备在使用显微镜观察(图4)。二进制治疗进行了显微图和测试结果和字符分隔冰的显微图对比分析探索之间的关系的cryo-structure冻土的流变特征结构,揭示了核心cryo-mechanism时间变形的pile-frozen土壤界面。
3所示。测试结果和分析
变形过程中的桩MLCT在小负荷级别,如图5,可分为三个阶段:瞬时变形阶段,衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段。桩的变形速度突然增加下一个负载级别时,在第二阶段,然后逐渐减少。桩土界面的剪切模量可以通过瞬时变形,这是一个关键指标来判断桩基础的承载能力和刚度的行为。桩的变形速率衰减指数一旦负载保持不变。衰减蠕变阶段的端点定义为变形点的蠕变速率小于1%的蠕变速度的恒定负载。衰减蠕变时间被定义为从加载到端点的时间。稳态蠕变速率代表的平均价值稳定蠕变阶段。应该注意,稳态蠕变速率是最重要的指数描述桩土界面的流变性质,也是判断的时间位移的关键基础桩基结构的使用寿命。一旦负载达到一定水平,加速蠕变发生。在这个阶段,变形速率迅速增加,直到pile-frozen土壤界面被摧毁。 Therefore, four important parameters, the instantaneous deformation value, final deformation value, steady creep rate, and decaying creep time, were selected to quantificationally describe the creep characteristics of the pile-soil structure.
3.1。温度对桩结构的流变学的影响
数据6(一)和6 (b)提供开发特性的桩的变形和应变率在不同的温度下。周围冻土桩的水分含量是37%。桩的变形值在MLCT显著降低温度逐渐降低从1°C到5°C。接口被毁第一级负荷的1.5 kN 1°C,而它出现在第四9 kN的水平荷载桩在5°C。解冻的增加水在冰和减少ad-freeze优势pile-frozen土壤界面温度趋于0°C可能是造成这一结果的主要原因。因此,温度严重影响控制桩的变形。
(一)
(b)
(c)
(d)
数据6 (c)和6 (d)显示瞬时变形值的变化,最终的变形值,稳态蠕变速率和衰减蠕变时间和负载水平。这些数据表明,负载级别的增加,瞬时变形值,最终变形值,和稳态蠕变速率逐渐增加,而衰减蠕变时间逐渐减少。相比之下,结果在5°C,瞬时变形值,蠕变变形值,和稳态蠕变率大,而衰减蠕变时间短3°C。这意味着温度不仅影响的长期有效的变形阶段初始加载过程中的桩也蔓延阶段的流变特性。温度转换区越近,越明显的流变学。
过去的经验表明,在高负载水平下,流变学性能本质上是由微观结构演化的联合效应和位错行为(32]。冰和水在冻土解冻的存在导致力学性能的显著差异与岩石和土壤解冻。冻土的变形过程的微观力学由位错和聚合的骨架颗粒,冰的再分配的内容,和迁移的水解冻。特别是,冰杰出的粘性物质和cryo-structure冻土产生重大影响冻土的流变行为。pile-frozen土界面的流变特性对桩周围的cryo-structure密切相关。图7显示了宏观尺度图像的cryo-structure冻土桩周围的水分含量为37%。的图片,白色条纹代表隔离冰,显示大量的透镜状冰冻土存在的镜头。数据显示6和7,事实证明,结果在不同温度下的蠕变特性明显不同,虽然macrocryo-structure冻土的冻结土壤含水量相同的相似,这可能是由相同的冻结过程的准备阶段pile-frozen土壤结构在装货前测试。有理由推测,温度的影响在冻土强度和刚度的冰直接决定了桩的流变特性。
(一)
(b)
图8显示了蠕变pile-ice接口在不同温度下的结果。根据图,温度对蠕变的影响pile-ice结构是一致的,在冰上蠕变了过去(33),这也是类似pile-frozen土壤结构。然而,一些差异应该进一步指出。高稳定蠕变率和衰减蠕变时间短可以观察到pile-ice结构相比pile-frozen土壤结构含水率为37%。越接近温度相变区,稳定蠕变速率响应越明显增加负载。原因是温度的增加促进了转型的冰从固体到液体,这加强了粘性冻土的性质。结果如图6- - - - - -8直接证明的存在大量的隔离冰冻土与冰含量高是核心因素控制桩的流变特性。降低温度可以显著降低蠕变速率和变形值。此外,pile-frozen土壤结构几乎摧毁了1°C,而pile-ice结构小变形即使有相对较高的蠕变速度相同的温度。这个结果也验证了这样的结论:冰爬以较慢的速度比冻土温度范围从1°C 2°C (27]。较低的冷冻温度和冻土解冻水远高于冰导致上面的结论。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.2。含水率对Pile-Frozen土壤结构的流变学
图9显示pile-frozen土壤结构的蠕变结果与不同水分含量在5°C。这表明索引的趋势是一样的那些图6。特定的规则是,衰减蠕变时间和增加不显著减少负载,除了冰。流变学上的水分含量的影响与温度也不同。对于冻结土壤含水率为27%,结构最小测试期间的变形。瞬时变形,最终的变形和稳定蠕变速率所有首先降低,然后增加随着含水率的增加,同时为衰减蠕变时间情况恰恰相反。展品pile-ice结构稳定蠕变速率最高,但其变形值不是最大的。结果表明,存在一个最优含水率对应最小蠕变速率和变形。pile-ice接口的蠕变速率是近一个数量级高于pile-frozen土界面的水分含量为27%。含水率的影响桩基础的流变效应类似于冻土的结果(与不同的水分含量16]。
(一)
(b)
(c)
(d)
进一步调查含水率的影响的流变行为结构,微尺度的图像周围桩cryo-structure冻土与不同的水分含量在图所示10。它表明cryo-structures冻土与水分含量变化显著,尤其是对离析冰的厚度和色散。过饱和的土壤,部分自由水冻结和凝结成冰的镜头,和残余水可以很容易地迁移到冰透镜(31日]。厚的冰透镜的冻土降低冻土的强度,增加其蠕变率。土壤水分含量相对较低,然而,自由水冻结成冰原位形成一个混乱的网状cryo-structure由于土壤颗粒阻碍水的迁移没有通过的通道。大量的纹影冰或冰网冻土将导致接口的蠕变速率的增加。结果导致显著增加土壤颗粒之间的接触面积和分离冰。外部负载下,剪切应力在pile-frozen土壤结构导致弱soil-ice界面滑动更容易由于界面效应。当水分含量可能是80% ~ 90%的饱和含水量,大规模cryo-structure可能出现在冻土。大规模cryo-structure将限制pile-frozen土壤的流变学接口。因此,cryo-structure周围的冻土桩具有重要影响的流变学pile-frozen土壤结构,和冰的厚度和色散镜片冻土都有优秀的刺激影响接口的瞬时变形和蠕变行为。
(一)
(b)
(c)
3.3。土壤颗粒分级的影响的流变学桩界面
研究固体颗粒的影响的流变学结构,另一个土壤不同的颗粒级配,如图2,被选为对照组MLCT在5°C。测试结果如图11表明pile-frozen土壤结构的变形曲线与实验土壤远低于对照组。负载下的样本被摧毁前12 kN,而后者样本被毁在一堆9 kN。与对照组相比,结构的稳定蠕变速率与实验土壤要小得多。因此,得出的结论是,土壤更细的颗粒可以增加蠕变速率和变形。微尺度的图像冻土图所示12明确说明细粒子的效应的流变学pile-frozen土壤界面。观察表明,细颗粒土壤对应于一个混乱的网状cryo-structure,导致更高的蠕变速率和更大的变形。原因是它好和分散多孔土壤更容易形成混乱的网状cryo-structure在寒冷没有水迁移。粗粒度的土壤,粒子的承载能力和冰主导抵抗外部荷载,而对于细粒度的土壤,阻力主要取决于土壤颗粒之间的摩擦和ice-soil接口。此外,无论事实两次测试之间的差异在水中解冻也影响的流变学结构,结果表明,cryo-structure的影响的流变特性接口是决定性的,和水解冻的影响可能相对忽视。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
3.4。影响桩表面的流变学桩界面
众所周知,桩的承载力可以大大增加了桩基础的粗糙度增加。然而,粗糙度的影响桩基础的流变学是一个新的话题。一些先前的努力发现悬臂钻孔灌注桩施工中广泛应用于青藏高原,由混凝土水化热释放将融化,heat-erode钻孔周围的冻土,导致桩的表面粗糙度的增加(1]。因此,两桩不同的表面被选的比较研究桩的影响粗糙度的流变学pile-ice接口在5°C(图13)。结果显示在图14,桩具有粗糙表面的“B”展览流变失败12 kN的负载下的过程,它的价值远远大于6 kN堆“a”。前者的蠕变速率远低于后者,虽然没有明显的瞬时变形特性之间的差异。这表明桩与粗糙表面可以增加抵抗桩流变学,尽管周围的冰和明显的粘度。原因可能是一个从剪切应力转换到正常压力pile-ice接口以及pile-ice界面的剪切面转移到周围的冰桩的桩与粗糙表面。后者的原因是基于事实的冻结强度pile-ice接口通常小于材料组成的结构。此外,它可以推断粗糙桩将更明显抑制pile-frozen土壤结构的流变学比pile-ice结构。
(一)
(b)
(c)
(d)
4所示。讨论
本文研究了桩结构的蠕变行为通过结合MLCT和microobservations冻土。结果表明,温度、含水率、颗粒级配的冻土和桩表面都有显著影响的流变学pile-frozen土壤结构。温度的影响在冻土解冻含水量和冰强度桩周围的核心机制控制流变特性pile-frozen土壤界面。pile-frozen土界面的相变附近区域的冰胶结程度和解冻含水量控制的强度和蠕变特征pile-frozen土壤界面。随着温度的增加,解冻在粘土含水量显著增加,和增加的大小和程度高于冰晶(图15)[34,35]。润滑效果从更高的解冻含水量和小冰胶结能力导致较低的承载能力和更高的桩土界面的流变特性。在相同的温度下,存在大量的冰在冻土将减少桩的变形和抑制蠕变性能接口。pile-frozen土壤界面远离阶段转换,在冻土结构材料,隔离冰,cryo-structure决定了桩土界面的流变学。隔离的厚层冰冻土与冰含量高和离析冰的增加和土壤界面由于存在高度分散薄离析冰与低冰含量增加瞬态和冻土蠕变率和改善的蠕变性能pile-frozen土壤界面。因此,有一个最佳含水量相应不仅最小瞬时变形,而且最小蠕变速率(图16)。一旦冻结土壤含水量超过最佳值,瞬时变形增加,蠕变率显著增加。桩基础的沉降可以减少从工程观点通过控制瞬时变形或限制蠕变速率。
5。结论
一系列MLCT pile-frozen土壤/冰结构进行,和周围的冻土桩cryo-structures观察调查pile-frozen土壤的流变学和机制/冰接口。一些结论总结如下:(1)蠕变在pile-frozen土壤界面更容易进入稳定阶段,和稳态平均利率逐渐增加随着外部负载水平的增加。温度较高,流畅的界面和更好的土壤颗粒都将提高接口的流变特性。与温度有关的流变学冰直接产生显著影响的蠕变过程pile-frozen土壤界面(2)巨大的冰在冻土的存在有利于桩的承载力高温冻土(1°C)。然而,它可以大大提高蠕变速率,恶化的承载力pile-frozen土壤界面低温(5°C)冻土(3)pile-frozen土界面的流变学密切相关的cryo-structure低温冻结土壤。厚透镜状冰透镜或混乱的网状cryo-structures周围冻土桩将提高桩土界面的流变特性。pile-frozen土壤界面展品最低的瞬时变形值和慢的冻土蠕变率的最佳含水量,这对应于一个大规模cryo-structure(4)可以减少桩的沉降控制瞬时变形或抑制蠕变速率从工程的观点。冷却桩基础或增加周围冻土桩侧之间的相互嵌入,可以有效地减少桩基的变形和应变率
数据可用性
从实验原始数据摘要。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是在前沿科学的主要研究项目的支持下,中国科学院(批准号zdrw - z - 2020 - 1),自然科学基金(批准号41771073,41731281,41811530089),该计划的冻土工程国家重点实验室(批准号sklfse——zq - 202102)的主要项目的国际合作,中国科学院(131 b62kysb20170012),和俄罗斯基础研究基金会(18-55-53041)。