高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性及控溫措施的多維度解析與實(shí)踐策略

一、引言1.1研究背景與意義隨著全球基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，高溫多年凍土地區(qū)的工程建設(shè)日益增多。這些地區(qū)廣泛分布于高緯度和高海拔地帶，如青藏高原、北極地區(qū)等，其特殊的地質(zhì)條件給工程建設(shè)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。在高溫多年凍土地區(qū)，凍土的溫度接近或高于其凍結(jié)溫度，處于一種臨界穩(wěn)定狀態(tài)，微小的外界干擾都可能引發(fā)凍土的融化，進(jìn)而影響工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。樁基礎(chǔ)作為一種常用的基礎(chǔ)形式，在高溫多年凍土地區(qū)的工程建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。群樁基礎(chǔ)相較于單樁基礎(chǔ)，能夠承受更大的上部荷載，在橋梁、高層建筑等大型工程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，由于群樁之間的相互影響，其熱穩(wěn)定性問(wèn)題變得更為復(fù)雜。在施工過(guò)程中，樁體的打入或灌注樁的澆筑會(huì)引入大量熱量，打破凍土原有的熱平衡狀態(tài)，導(dǎo)致凍土溫度升高甚至融化。在運(yùn)營(yíng)階段，外界環(huán)境溫度的變化、上部結(jié)構(gòu)的荷載作用以及地下水位的波動(dòng)等因素，也會(huì)對(duì)群樁的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生持續(xù)影響。若群樁的熱穩(wěn)定性無(wú)法得到有效保障，可能引發(fā)樁體的不均勻沉降、承載力下降等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅工程的安全運(yùn)營(yíng)。以青藏鐵路為例，其部分路段穿越高溫多年凍土區(qū)，在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，樁基礎(chǔ)的熱穩(wěn)定性問(wèn)題一直是工程技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。由于凍土的融化，部分路段出現(xiàn)了路基下沉、橋梁墩臺(tái)位移等病害，不僅增加了工程的維護(hù)成本，也對(duì)鐵路的正常運(yùn)行造成了一定影響。類似的工程事故在其他高溫多年凍土地區(qū)的建設(shè)項(xiàng)目中也時(shí)有發(fā)生，這充分說(shuō)明了研究群樁熱穩(wěn)定性的重要性和緊迫性。研究高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性及控溫措施，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。準(zhǔn)確掌握群樁在復(fù)雜地質(zhì)和環(huán)境條件下的熱穩(wěn)定性變化規(guī)律，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供更為科學(xué)、合理的依據(jù)，優(yōu)化樁型選擇、樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)以及樁間距布置等參數(shù)，提高工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。通過(guò)研發(fā)有效的控溫措施，可以有效抑制凍土的融化，降低群樁基礎(chǔ)的溫度，維持凍土的穩(wěn)定性，從而減少工程病害的發(fā)生，降低工程的全壽命周期成本。相關(guān)研究成果還能夠豐富和完善凍土力學(xué)與工程學(xué)的理論體系，為高溫多年凍土地區(qū)的其他工程建設(shè)提供有益的參考和借鑒，推動(dòng)該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性及控溫措施的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列有價(jià)值的成果。國(guó)外對(duì)凍土地區(qū)樁基的研究起步較早，早期主要集中在凍土的基本物理力學(xué)性質(zhì)以及單樁的承載特性方面。隨著研究的深入，學(xué)者們開始關(guān)注群樁基礎(chǔ)在高溫多年凍土環(huán)境下的熱穩(wěn)定性問(wèn)題。在熱穩(wěn)定性研究方面，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)群樁基礎(chǔ)的溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了深入研究。學(xué)者[具體姓名1]在北極地區(qū)的工程實(shí)踐中，對(duì)群樁基礎(chǔ)的溫度變化進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)群樁之間的相互熱影響會(huì)導(dǎo)致樁周凍土溫度升高，且離群樁中心越近，溫度升高越明顯。在控溫措施方面，提出了采用熱棒、通風(fēng)管等主動(dòng)冷卻技術(shù)來(lái)降低樁周凍土溫度。[具體姓名2]通過(guò)數(shù)值模擬分析了熱棒在群樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)熱棒能夠有效地將樁周凍土中的熱量散發(fā)出去，抑制凍土的融化，提高群樁的熱穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)對(duì)高溫多年凍土地區(qū)群樁的研究也取得了豐碩的成果。在青藏鐵路、川藏公路等重大工程建設(shè)的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)群樁在高溫多年凍土地區(qū)的熱穩(wěn)定性及控溫措施開展了大量的研究工作。在熱穩(wěn)定性研究方面，[具體姓名3]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了不同樁間距、樁長(zhǎng)以及荷載條件下群樁的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)樁間距對(duì)群樁熱穩(wěn)定性的影響較大，適當(dāng)增大樁間距可以有效減小群樁之間的熱干擾。在控溫措施方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者不僅對(duì)熱棒、通風(fēng)管等傳統(tǒng)控溫技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，還提出了一些新的控溫方法。例如，[具體姓名4]提出了采用相變材料包裹樁體的控溫措施，利用相變材料的相變潛熱來(lái)吸收樁體產(chǎn)生的熱量，從而降低樁周凍土的溫度。盡管國(guó)內(nèi)外在高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性及控溫措施方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有研究在考慮群樁熱穩(wěn)定性時(shí)，大多只考慮了單一因素的影響，如溫度、荷載等，而實(shí)際工程中群樁的熱穩(wěn)定性受到多種因素的綜合作用，如溫度、荷載、地下水位、凍土含冰量等，對(duì)這些因素的耦合作用研究還不夠深入。在控溫措施方面，雖然提出了多種方法，但這些方法在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題，如熱棒的長(zhǎng)期有效性、通風(fēng)管的堵塞問(wèn)題、相變材料的耐久性等，需要進(jìn)一步研究解決。此外，目前對(duì)高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法還不夠完善，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，難以準(zhǔn)確評(píng)估群樁的熱穩(wěn)定性狀態(tài)。本研究將針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，綜合考慮多種因素對(duì)群樁熱穩(wěn)定性的影響，深入研究群樁在高溫多年凍土地區(qū)的熱穩(wěn)定性變化規(guī)律，研發(fā)更加有效的控溫措施，并建立完善的群樁熱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，為高溫多年凍土地區(qū)的工程建設(shè)提供更加科學(xué)、可靠的理論支持和技術(shù)保障。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性及控溫措施展開，具體研究?jī)?nèi)容如下：群樁熱穩(wěn)定性影響因素分析：全面梳理影響高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的各種因素，包括凍土的物理力學(xué)性質(zhì)，如含冰量、孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)等，這些性質(zhì)直接決定了凍土的熱傳導(dǎo)和熱儲(chǔ)存能力，進(jìn)而影響群樁周圍的溫度場(chǎng)分布；樁基礎(chǔ)的幾何參數(shù)，如樁徑、樁長(zhǎng)、樁間距等，不同的幾何參數(shù)會(huì)導(dǎo)致群樁之間的熱相互作用程度不同，從而對(duì)熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；施工過(guò)程中的因素，如混凝土澆筑溫度、澆筑速度、養(yǎng)護(hù)方式等，混凝土的水化熱會(huì)在施工階段對(duì)凍土溫度場(chǎng)產(chǎn)生較大的熱擾動(dòng)；以及運(yùn)營(yíng)階段的環(huán)境因素，如氣溫變化、太陽(yáng)輻射、降水等，這些因素會(huì)長(zhǎng)期作用于群樁基礎(chǔ)，影響其熱穩(wěn)定性。通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，深入研究各因素對(duì)群樁熱穩(wěn)定性的影響機(jī)制和程度，明確主要影響因素。群樁熱穩(wěn)定性變化規(guī)律研究：建立考慮多種因素耦合作用的群樁熱穩(wěn)定性分析模型，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，對(duì)不同工況下群樁的溫度場(chǎng)分布、樁周凍土的融化深度和范圍以及群樁的變形和受力特性進(jìn)行模擬計(jì)算。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析，總結(jié)群樁熱穩(wěn)定性隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，例如，研究群樁在不同季節(jié)、不同運(yùn)營(yíng)年限下的溫度變化趨勢(shì)，以及樁周凍土融化對(duì)群樁承載能力和變形的影響規(guī)律。群樁熱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法研究：基于群樁熱穩(wěn)定性的變化規(guī)律和工程實(shí)際需求，建立一套科學(xué)合理的群樁熱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括溫度指標(biāo)，如樁周凍土的最高溫度、平均溫度等，這些指標(biāo)可以直接反映凍土的熱狀態(tài)；變形指標(biāo)，如樁頂沉降、樁身側(cè)移等，用于衡量群樁在熱影響下的變形情況；以及承載能力指標(biāo)，如單樁承載力、群樁承載力等，評(píng)估群樁在熱作用下的承載性能變化。同時(shí)，研究相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，如采用層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等，對(duì)群樁的熱穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為工程決策提供依據(jù)。控溫措施研究與效果評(píng)估：針對(duì)高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性問(wèn)題，研究多種控溫措施，如熱棒、通風(fēng)管、隔熱材料等。通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)，研究各種控溫措施的工作原理、適用條件和技術(shù)參數(shù)，例如，分析熱棒的散熱效率與土壤溫度、熱棒埋深、間距等因素的關(guān)系；通風(fēng)管的通風(fēng)效果與管徑、管長(zhǎng)、通風(fēng)口設(shè)置等因素的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化的控溫方案，并對(duì)其控溫效果進(jìn)行評(píng)估，包括溫度降低幅度、凍土融化抑制效果、群樁熱穩(wěn)定性改善程度等方面的評(píng)估，為工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本研究擬采用以下研究方法：文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國(guó)內(nèi)外關(guān)于高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性及控溫措施的相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告、工程案例等，全面了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)前人的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，為本文的研究提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。數(shù)值模擬法：運(yùn)用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱-結(jié)構(gòu)耦合模型。在模型中，考慮凍土的非線性熱物理性質(zhì)、相變過(guò)程以及群樁與凍土之間的相互作用，模擬不同工況下群樁的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)的變化。通過(guò)數(shù)值模擬，可以直觀地分析各種因素對(duì)群樁熱穩(wěn)定性的影響，預(yù)測(cè)群樁在不同條件下的工作性能，為控溫措施的研究和優(yōu)化提供數(shù)值依據(jù)。室內(nèi)試驗(yàn)法：設(shè)計(jì)并開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，模擬高溫多年凍土地區(qū)群樁的實(shí)際工作條件。在試驗(yàn)中，制作群樁模型和凍土模型，通過(guò)埋設(shè)溫度傳感器、應(yīng)變片等監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)群樁在不同施工和運(yùn)營(yíng)階段的溫度變化、變形情況以及樁土之間的相互作用力。室內(nèi)試驗(yàn)可以獲取真實(shí)可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)為研究群樁熱穩(wěn)定性的變化規(guī)律和控溫措施的效果提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法：選擇具有代表性的高溫多年凍土地區(qū)的工程現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)群樁基礎(chǔ)進(jìn)行長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括樁周凍土的溫度、濕度、變形，以及群樁的內(nèi)力和位移等。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，可以獲取群樁在實(shí)際工程環(huán)境中的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，了解群樁熱穩(wěn)定性的實(shí)際變化情況，為理論研究和數(shù)值模擬提供實(shí)際工程驗(yàn)證，同時(shí)也為工程的安全運(yùn)營(yíng)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。理論分析法：基于凍土力學(xué)、傳熱學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等相關(guān)理論，建立高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的理論分析模型，推導(dǎo)群樁溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)的計(jì)算公式。通過(guò)理論分析，深入研究群樁熱穩(wěn)定性的影響因素和變化規(guī)律，為數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究提供理論支持，同時(shí)也為工程設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。二、高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的理論基礎(chǔ)2.1高溫多年凍土的特性2.1.1凍土的定義與分類凍土是指溫度在0℃以下，并含有冰的各種巖石和土壤。其形成與氣候條件密切相關(guān)，在高緯度和高海拔地區(qū)，氣溫常年較低，使得土壤或巖石中的水分能夠以冰的形式存在，從而形成凍土。凍土按其凍結(jié)狀態(tài)保持時(shí)間的長(zhǎng)短，一般可分為短時(shí)凍土、季節(jié)凍土和多年凍土三種類型。短時(shí)凍土的凍結(jié)時(shí)間為數(shù)小時(shí)至半月，受天氣變化等短期因素影響較大；季節(jié)凍土在冬季凍結(jié)、春季融化，凍土層深度由自然地理?xiàng)l件和土壤物理特性等因素決定；多年凍土又稱“永久凍土”，是指在0℃和0℃以下（年均氣溫<-2℃），持續(xù)3年或3年以上的凍結(jié)不融的土壤和疏松巖石。多年凍土在水平方向上的分布又可分為整體多年凍土和非整體多年凍土。若多年凍土在水平方向上呈大片連續(xù)分布且無(wú)融區(qū)存在，稱為整體多年凍土；若分布是分離的，中間被融區(qū)間隔，則稱為非整體多年凍土。在全球范圍內(nèi)，多年凍土主要分布在北半球的高緯度和高海拔地區(qū)，如俄羅斯的西伯利亞地區(qū)、加拿大北部以及中國(guó)的青藏高原等。中國(guó)是世界上第三多年凍土大國(guó)，僅次于俄羅斯和加拿大，其中青藏高原是世界上低緯度地帶海拔最高、面積最大的多年凍土分布區(qū)。高溫多年凍土通常用來(lái)描述相對(duì)較高溫度的凍土，其溫度區(qū)間處于凍土的劇烈相變區(qū)，凍土中冰和未凍水的比例對(duì)溫度的變化極其敏感。與一般多年凍土相比，高溫多年凍土的地溫更接近其凍結(jié)溫度，處于一種臨界穩(wěn)定狀態(tài)，微小的外界干擾都可能引發(fā)凍土中冰的融化，導(dǎo)致其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化。在青藏高原的部分地區(qū)，年平均地溫相對(duì)較高，使得該區(qū)域的多年凍土多屬于高溫多年凍土，其穩(wěn)定性問(wèn)題給當(dāng)?shù)氐墓こ探ㄔO(shè)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。2.1.2高溫多年凍土的物理力學(xué)性質(zhì)高溫多年凍土的物理性質(zhì)主要包括密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等，這些性質(zhì)對(duì)其熱穩(wěn)定性有著重要影響。其密度與土顆粒、冰和未凍水的含量及分布狀態(tài)有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，含冰量較高的高溫多年凍土，其密度相對(duì)較大。在一些高含冰量的高溫多年凍土區(qū)，由于冰的填充，使得土體的密度明顯增加。導(dǎo)熱系數(shù)反映了凍土傳導(dǎo)熱量的能力，高溫多年凍土的導(dǎo)熱系數(shù)受冰、未凍水和土顆粒的組成及結(jié)構(gòu)影響。冰的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大，因此含冰量較高的高溫多年凍土導(dǎo)熱系數(shù)也較大；而未凍水的存在會(huì)降低凍土的導(dǎo)熱系數(shù)，因?yàn)槲磧鏊膶?dǎo)熱性能相對(duì)冰和土顆粒較差。比熱容則表示單位質(zhì)量的凍土溫度升高或降低1℃所吸收或放出的熱量，高溫多年凍土的比熱容與冰、未凍水和土顆粒的比熱容以及它們的含量有關(guān)。冰的比熱容較小，未凍水的比熱容較大，因此高溫多年凍土的比熱容會(huì)隨著冰和未凍水含量的變化而改變。在力學(xué)性質(zhì)方面，高溫多年凍土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度是其重要指標(biāo)。抗壓強(qiáng)度表示凍土在壓力作用下抵抗破壞的能力，高溫多年凍土的抗壓強(qiáng)度與溫度、含冰量、荷載作用時(shí)間等因素密切相關(guān)。在一定負(fù)溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，冰的膠結(jié)作用增強(qiáng)，凍土的抗壓強(qiáng)度增大；含冰量增加也會(huì)使抗壓強(qiáng)度提高，因?yàn)楦嗟谋鸬搅四z結(jié)土顆粒的作用。但當(dāng)溫度升高接近0℃時(shí)，冰開始融化，抗壓強(qiáng)度會(huì)急劇下降。在長(zhǎng)期荷載作用下，高溫多年凍土的抗壓強(qiáng)度會(huì)低于瞬時(shí)荷載作用下的強(qiáng)度，這是由于其具有流變性，在持續(xù)荷載作用下，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。抗剪強(qiáng)度則反映了凍土抵抗剪切破壞的能力，其性質(zhì)與抗壓強(qiáng)度有相似之處。高溫多年凍土的抗剪強(qiáng)度也隨溫度降低而增高，土的粘聚力和內(nèi)摩擦角是影響抗剪強(qiáng)度的重要因素。在高溫多年凍土中，由于冰的存在，土的粘聚力會(huì)有所增加，但隨著溫度升高冰的融化，粘聚力會(huì)減小；內(nèi)摩擦角則主要與土顆粒的性質(zhì)和排列方式有關(guān)。在實(shí)際工程中，當(dāng)建筑物的基礎(chǔ)置于高溫多年凍土上時(shí)，基礎(chǔ)底面與凍土之間的摩擦力以及凍土自身的抗剪強(qiáng)度共同抵抗基礎(chǔ)傳來(lái)的水平荷載，若抗剪強(qiáng)度不足，可能導(dǎo)致基礎(chǔ)的滑動(dòng)或土體的剪切破壞。2.2群樁基礎(chǔ)的工作原理與特性2.2.1群樁基礎(chǔ)的承載機(jī)理群樁基礎(chǔ)是由多根樁通過(guò)承臺(tái)連接成一個(gè)整體的基礎(chǔ)形式。在豎向荷載作用下，群樁的承載機(jī)理較為復(fù)雜，涉及樁、土和承臺(tái)之間的相互作用。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)的荷載通過(guò)承臺(tái)傳遞到群樁時(shí)，荷載首先由樁頂承擔(dān)，然后通過(guò)樁身逐漸傳遞到樁周土和樁端土。在這個(gè)過(guò)程中，樁側(cè)土?xí)?duì)樁身產(chǎn)生向上的摩阻力，樁端土則提供樁端阻力。對(duì)于端承樁，樁底處為巖層或堅(jiān)實(shí)的土層，軸向壓力作用下樁身幾乎只有彈性壓縮而無(wú)整體位移，側(cè)壁摩擦阻力的發(fā)揮受到較大限制，在樁底平面處地基所受壓力可認(rèn)為只分布在樁底面積范圍內(nèi)，群樁基礎(chǔ)各樁的工作情況與獨(dú)立單樁相似。而對(duì)于摩擦樁，隨著樁側(cè)摩擦阻力的發(fā)揮，在樁土間發(fā)生荷載傳遞，樁底平面處地基所受壓力就擴(kuò)散分布到較大的面積上。當(dāng)相鄰樁的中心距S_a>6d時(shí)（其中d為樁的直徑，有斜樁時(shí)S_a應(yīng)按樁底平面計(jì)算），樁底平面處壓力分布圖才不致彼此重疊，群樁中一根樁與獨(dú)立單樁的工作情況相同；而當(dāng)樁間距較?。ㄖ行木郤_a\leq6d）時(shí)，樁底平面處相鄰樁的壓力圖將部分地發(fā)生重疊現(xiàn)象，引起壓力疊加，地基所受壓力無(wú)論在數(shù)值上及其影響范圍和深度上都會(huì)明顯加大，這種現(xiàn)象被稱為群樁效應(yīng)。群樁效應(yīng)的產(chǎn)生原因主要是由于樁間土的相互影響以及承臺(tái)與土之間的共同作用。樁間土在群樁的影響下，其應(yīng)力狀態(tài)和變形特性發(fā)生改變，導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮與單樁不同。承臺(tái)底面與土之間的接觸壓力也會(huì)影響群樁的承載性能，在一定條件下，樁間土可以通過(guò)承臺(tái)底面參與承載。影響群樁效應(yīng)的因素眾多，其中樁間距是一個(gè)關(guān)鍵因素。較小的樁間距會(huì)使群樁效應(yīng)更為顯著，因?yàn)闃堕g土的應(yīng)力疊加更加明顯，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮受到更大限制。樁的數(shù)量也會(huì)對(duì)群樁效應(yīng)產(chǎn)生影響，樁數(shù)越多，群樁效應(yīng)一般越明顯，群樁的工作性狀與單樁的差異也就越大。此外，樁長(zhǎng)、樁徑、樁身材料、土的性質(zhì)以及承臺(tái)的尺寸和剛度等因素，也都會(huì)在不同程度上影響群樁效應(yīng)的大小和群樁的承載性能。2.2.2群樁基礎(chǔ)的熱傳遞特性在高溫多年凍土地區(qū)，群樁與周圍凍土之間存在著復(fù)雜的熱交換過(guò)程，這對(duì)群樁的熱穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。群樁基礎(chǔ)的熱傳遞方式主要有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。熱傳導(dǎo)是群樁與凍土之間最主要的熱傳遞方式，熱量通過(guò)樁身材料和凍土的分子熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傳遞。在樁身內(nèi)部，由于混凝土等樁身材料具有一定的導(dǎo)熱性能，當(dāng)樁身溫度高于周圍凍土溫度時(shí)，熱量會(huì)從樁身向凍土傳導(dǎo)；反之，當(dāng)凍土溫度高于樁身溫度時(shí)，熱量則會(huì)從凍土向樁身傳導(dǎo)。在凍土中，熱量的傳導(dǎo)主要依賴于土顆粒、冰和未凍水之間的熱傳導(dǎo)作用，冰的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大，因此含冰量較高的凍土導(dǎo)熱性能較好，而未凍水的存在會(huì)在一定程度上影響熱傳導(dǎo)的速率和方向。熱對(duì)流在群樁與凍土的熱交換中也起到一定作用，尤其是在存在地下水流動(dòng)的情況下。當(dāng)?shù)叵滤话l(fā)生變化或存在地下水徑流時(shí)，地下水會(huì)攜帶熱量在凍土中流動(dòng)，從而引起熱對(duì)流。這種熱對(duì)流會(huì)改變凍土的溫度分布，進(jìn)而影響群樁的熱穩(wěn)定性。在一些地下水位較高且有明顯水流的區(qū)域，地下水的熱對(duì)流作用可能會(huì)加速樁周凍土的融化或冷卻過(guò)程。熱輻射雖然在群樁與凍土的熱交換中所占比例相對(duì)較小，但在某些情況下也不能忽視。樁身表面和凍土表面會(huì)以熱輻射的形式向周圍環(huán)境發(fā)射和吸收熱量，當(dāng)環(huán)境溫度與樁身或凍土溫度存在差異時(shí)，熱輻射就會(huì)發(fā)生。在晝夜溫差較大的地區(qū)，夜間樁身和凍土?xí)虻蜏氐奶炜蛰椛錈崃?，而白天則會(huì)吸收太陽(yáng)輻射的熱量，這對(duì)群樁的溫度變化有一定的影響。影響群樁熱傳遞的因素是多方面的。樁身材料的導(dǎo)熱性能是一個(gè)重要因素，不同的樁身材料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)大的材料能夠更快地傳遞熱量，使樁身與凍土之間的熱交換更加迅速?；炷翗逗弯摌队捎谄洳牧咸匦缘牟煌?，在相同條件下與凍土之間的熱傳遞速率和效果也會(huì)有所差異。凍土的性質(zhì)對(duì)熱傳遞也有顯著影響，如前所述，凍土的含冰量、孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)等物理性質(zhì)會(huì)直接影響熱量在凍土中的傳導(dǎo)和儲(chǔ)存。含冰量高的凍土，其導(dǎo)熱系數(shù)較大，有利于熱量的傳導(dǎo)；而孔隙率較大的凍土，由于空氣的存在，會(huì)降低其整體的導(dǎo)熱性能。凍土中的未凍水含量和分布狀態(tài)也會(huì)影響熱傳遞，未凍水的流動(dòng)性和比熱容與冰和土顆粒不同，會(huì)改變熱傳遞的路徑和速率。此外，環(huán)境因素如氣溫變化、太陽(yáng)輻射、降水等也會(huì)對(duì)群樁的熱傳遞產(chǎn)生影響。氣溫的周期性變化會(huì)導(dǎo)致群樁和凍土的溫度隨之波動(dòng)，太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度和方向會(huì)影響樁身和凍土表面吸收的熱量，降水則會(huì)改變凍土的含水量和濕度，進(jìn)而影響熱傳遞特性。三、高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的影響因素3.1樁體材料與結(jié)構(gòu)的影響3.1.1樁身材料的熱物理性質(zhì)樁身材料的熱物理性質(zhì)對(duì)群樁熱穩(wěn)定性有著顯著影響，其中導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容是兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。不同的樁身材料具有不同的熱物理性質(zhì)，這使得它們?cè)谂c高溫多年凍土相互作用時(shí)，表現(xiàn)出不同的熱傳遞和熱量?jī)?chǔ)存特性。混凝土是一種常見的樁身材料，在建筑工程中廣泛應(yīng)用。其導(dǎo)熱系數(shù)一般在1.5-2.5W/(m?K)之間，比熱容約為0.88-1.05kJ/(kg?K)。在高溫多年凍土地區(qū)，混凝土樁在施工過(guò)程中，由于混凝土的澆筑和水化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量會(huì)通過(guò)樁身向周圍凍土傳遞。由于混凝土具有一定的導(dǎo)熱性，熱量會(huì)逐漸擴(kuò)散到樁周凍土中，導(dǎo)致凍土溫度升高。在青藏鐵路的部分工程中，采用混凝土樁基礎(chǔ)，在施工后的一段時(shí)間內(nèi)，樁周凍土溫度明顯上升，這對(duì)凍土的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響。如果樁周凍土溫度升高過(guò)多，可能導(dǎo)致凍土中的冰融化，使凍土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響樁基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性。鋼材也是一種常用的樁身材料，其導(dǎo)熱系數(shù)比混凝土大得多，一般在30-50W/(m?K)左右，比熱容約為0.46kJ/(kg?K)。由于鋼材的導(dǎo)熱性能良好，當(dāng)鋼材樁用于高溫多年凍土地區(qū)時(shí)，熱量在樁身內(nèi)的傳遞速度較快，能夠更迅速地將樁身的熱量傳遞到周圍凍土中。在一些寒冷地區(qū)的橋梁工程中，采用鋼樁基礎(chǔ)，在冬季氣溫較低時(shí)，鋼樁能夠快速地將樁身的熱量散發(fā)到凍土中，使樁周凍土溫度降低，可能導(dǎo)致凍土的凍脹現(xiàn)象加劇。這是因?yàn)閮鐾猎诮禍剡^(guò)程中，水分會(huì)發(fā)生凍結(jié)，體積膨脹，從而對(duì)樁身產(chǎn)生較大的凍脹力，影響樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。不同樁身材料的熱物理性質(zhì)差異，使得它們?cè)诟邷囟嗄陜鐾恋貐^(qū)的應(yīng)用效果有所不同。在選擇樁身材料時(shí)，需要綜合考慮工程的具體需求和凍土的特性。對(duì)于一些對(duì)溫度變化較為敏感的工程，如高速鐵路的橋梁基礎(chǔ)，可能需要選擇導(dǎo)熱系數(shù)較低的樁身材料，以減少熱量對(duì)凍土的影響，保證凍土的穩(wěn)定性。而對(duì)于一些對(duì)承載能力要求較高，且凍土條件相對(duì)較好的工程，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的樁身材料。3.1.2樁的幾何尺寸與布置方式樁的幾何尺寸和布置方式是影響高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的重要因素，它們直接關(guān)系到群樁與周圍凍土之間的熱交換過(guò)程以及群樁之間的相互熱影響。樁徑的大小對(duì)群樁熱穩(wěn)定性有著顯著影響。較大的樁徑意味著樁身與周圍凍土的接觸面積增大，在相同的溫度梯度下，熱量傳遞的速率會(huì)加快。在傳熱學(xué)中，根據(jù)傅里葉定律，熱傳導(dǎo)的熱量與導(dǎo)熱系數(shù)、溫度梯度以及傳熱面積成正比。當(dāng)樁徑增大時(shí)，傳熱面積增大，樁身與凍土之間的熱交換量也會(huì)增加。如果樁徑過(guò)大，在施工過(guò)程中，樁身混凝土的水化熱會(huì)更大量地傳遞到周圍凍土中，導(dǎo)致凍土溫度升高的幅度更大，融化范圍更廣。這可能會(huì)使樁周凍土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化，降低樁側(cè)摩阻力和樁端阻力，進(jìn)而影響群樁的承載能力和穩(wěn)定性。在一些大型建筑的群樁基礎(chǔ)中，若樁徑設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)引發(fā)樁基礎(chǔ)的不均勻沉降等問(wèn)題。樁長(zhǎng)也是影響群樁熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。樁長(zhǎng)的增加會(huì)使樁身與不同深度的凍土接觸，而不同深度的凍土溫度和物理力學(xué)性質(zhì)存在差異。一般來(lái)說(shuō)，隨著深度的增加，地溫會(huì)逐漸升高。較長(zhǎng)的樁身會(huì)將不同深度的熱量傳遞到樁周凍土中，從而改變凍土的溫度場(chǎng)分布。在高海拔的高溫多年凍土地區(qū)，地溫隨深度的變化較為明顯，樁長(zhǎng)的設(shè)計(jì)需要充分考慮這一因素。如果樁長(zhǎng)過(guò)短，可能無(wú)法將上部結(jié)構(gòu)的荷載有效地傳遞到穩(wěn)定的土層中，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)的承載能力不足；而樁長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，則可能會(huì)使樁身下部的凍土受到過(guò)度的熱擾動(dòng)，影響凍土的穩(wěn)定性。在青藏公路的改擴(kuò)建工程中，對(duì)樁長(zhǎng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，根據(jù)不同路段的凍土條件，合理確定樁長(zhǎng)，以保證群樁基礎(chǔ)的熱穩(wěn)定性和承載能力。樁間距對(duì)群樁熱穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在群樁之間的相互熱干擾上。較小的樁間距會(huì)使群樁之間的熱量相互疊加，導(dǎo)致樁周凍土溫度升高的幅度更大。當(dāng)樁間距較小時(shí)，一根樁產(chǎn)生的熱量在傳遞到周圍凍土后，會(huì)擴(kuò)散到相鄰樁的影響范圍內(nèi)，使得相鄰樁周凍土的溫度進(jìn)一步升高。這種熱干擾效應(yīng)會(huì)隨著樁間距的減小而增強(qiáng)，可能導(dǎo)致樁周凍土的融化范圍擴(kuò)大，樁間土的力學(xué)性質(zhì)惡化，從而降低群樁的整體穩(wěn)定性。在一些橋梁的群樁基礎(chǔ)中，若樁間距過(guò)小，在運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，可能會(huì)出現(xiàn)樁基礎(chǔ)的不均勻沉降和傾斜等問(wèn)題。而適當(dāng)增大樁間距，可以有效減小群樁之間的熱干擾，降低樁周凍土溫度升高的幅度，有利于維持群樁的熱穩(wěn)定性。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)凍土的性質(zhì)、樁身材料以及工程的具體要求，合理確定樁間距。群樁的布置方式也會(huì)對(duì)其熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。常見的群樁布置方式有方形布置、矩形布置和三角形布置等。不同的布置方式會(huì)導(dǎo)致群樁之間的熱傳遞路徑和熱干擾程度不同。在方形布置中，群樁之間的距離相對(duì)均勻，熱干擾在各個(gè)方向上的分布較為一致；而在三角形布置中，群樁之間的距離在不同方向上存在差異，熱干擾的分布也會(huì)有所不同。在一些對(duì)熱穩(wěn)定性要求較高的工程中，需要根據(jù)凍土的溫度場(chǎng)分布和熱傳遞特性，選擇合適的群樁布置方式，以優(yōu)化群樁的熱穩(wěn)定性。在一些大型油罐的群樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，通過(guò)數(shù)值模擬分析不同布置方式下群樁的熱穩(wěn)定性，最終選擇了最適合的布置方式，確保了油罐在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全穩(wěn)定。3.2凍土特性的影響3.2.1凍土的溫度與含冰量?jī)鐾恋臏囟扰c含冰量是影響高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，它們的變化會(huì)直接改變凍土的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)群樁基礎(chǔ)的工作性能產(chǎn)生顯著影響。在高溫多年凍土地區(qū)，凍土的溫度處于一個(gè)相對(duì)較高的范圍，接近其凍結(jié)溫度。當(dāng)群樁基礎(chǔ)施工時(shí)，樁身混凝土的澆筑會(huì)釋放大量的水化熱，這些熱量會(huì)傳遞到周圍的凍土中，導(dǎo)致凍土溫度升高。隨著凍土溫度的升高，凍土中的冰開始逐漸融化，含冰量降低。在青藏鐵路的建設(shè)過(guò)程中，就出現(xiàn)了因群樁施工導(dǎo)致樁周凍土溫度升高，凍土含冰量減少的情況。這種變化會(huì)使凍土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，例如，凍土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高和含冰量的降低而下降。根據(jù)相關(guān)研究和工程實(shí)踐數(shù)據(jù)，當(dāng)凍土溫度升高1℃，其抗壓強(qiáng)度可能會(huì)降低10%-20%，抗剪強(qiáng)度也會(huì)有相應(yīng)幅度的下降。這是因?yàn)楸趦鐾林衅鸬侥z結(jié)土顆粒的作用，冰的融化會(huì)削弱土顆粒之間的連接，導(dǎo)致凍土的力學(xué)性能變差。凍土溫度變化和含冰量對(duì)群樁承載力的影響也十分顯著。隨著凍土溫度升高和含冰量降低，樁周凍土對(duì)樁身的側(cè)摩阻力會(huì)減小。這是因?yàn)閭?cè)摩阻力主要來(lái)源于樁周凍土與樁身之間的摩擦力和咬合力，當(dāng)凍土性質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，這種相互作用會(huì)減弱。在一些高溫多年凍土地區(qū)的橋梁群樁基礎(chǔ)中，由于凍土的融化，樁周側(cè)摩阻力下降，導(dǎo)致群樁的豎向承載力降低，出現(xiàn)了樁基礎(chǔ)的下沉現(xiàn)象。凍土的融化還可能導(dǎo)致樁端阻力的變化。如果樁端位于凍土中，凍土的融化會(huì)使樁端土體的密實(shí)度降低，樁端阻力減小，進(jìn)一步影響群樁的承載能力。此外，凍土溫度變化和含冰量還會(huì)影響群樁的變形特性。當(dāng)凍土溫度升高，含冰量減少時(shí)，凍土的體積會(huì)發(fā)生收縮，從而對(duì)樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力會(huì)使樁身受到向下的拉力，導(dǎo)致樁身產(chǎn)生額外的沉降和變形。在一些高層建筑的群樁基礎(chǔ)中，由于凍土的這種變化，樁身出現(xiàn)了不均勻沉降，影響了建筑物的正常使用。若凍土在降溫過(guò)程中，含冰量增加，會(huì)發(fā)生凍脹現(xiàn)象，對(duì)樁身產(chǎn)生向上的凍脹力，同樣會(huì)導(dǎo)致樁身的變形和位移。在冬季，氣溫降低，凍土中的水分凍結(jié)，體積膨脹，會(huì)對(duì)樁身產(chǎn)生較大的凍脹力，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致樁身的斷裂或傾斜。3.2.2凍土的物理力學(xué)性質(zhì)凍土的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響，其密度、導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度等性質(zhì)在群樁與凍土的相互作用過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。凍土的密度是其物理性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，它與土顆粒、冰和未凍水的含量及分布狀態(tài)密切相關(guān)。較高密度的凍土通常意味著其中含有較多的土顆粒和冰，這會(huì)影響其力學(xué)性能和熱傳遞特性。在一些高含冰量的高溫多年凍土區(qū)域，由于冰的填充，使得凍土的密度增大。這種高密度的凍土在承受荷載時(shí)，具有一定的特殊性。在群樁基礎(chǔ)的荷載作用下，高密度凍土能夠提供相對(duì)較大的承載能力，因?yàn)檩^多的土顆粒和冰能夠更好地傳遞和分散荷載。但是，高密度凍土的導(dǎo)熱性能也會(huì)受到影響，冰的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大，使得這種凍土的導(dǎo)熱性能增強(qiáng)。這在群樁施工過(guò)程中可能會(huì)帶來(lái)不利影響，因?yàn)闊崃繒?huì)更容易通過(guò)凍土傳遞，導(dǎo)致樁周凍土溫度變化更快，增加了群樁熱穩(wěn)定性的控制難度。導(dǎo)熱系數(shù)是影響凍土熱傳遞的關(guān)鍵參數(shù)，它反映了凍土傳導(dǎo)熱量的能力。高溫多年凍土的導(dǎo)熱系數(shù)受冰、未凍水和土顆粒的組成及結(jié)構(gòu)影響。冰的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大，約為2.2-2.3W/(m?K)，因此含冰量較高的高溫多年凍土導(dǎo)熱系數(shù)也較大。在一些含冰量豐富的凍土區(qū)域，熱量能夠快速地在凍土中傳導(dǎo)。當(dāng)群樁基礎(chǔ)施工時(shí)，樁身混凝土的水化熱會(huì)迅速通過(guò)高導(dǎo)熱系數(shù)的凍土傳遞出去，使得樁周凍土溫度升高的范圍擴(kuò)大。而未凍水的存在會(huì)降低凍土的導(dǎo)熱系數(shù)，因?yàn)槲磧鏊膶?dǎo)熱性能相對(duì)冰和土顆粒較差。在凍土溫度接近0℃時(shí)，未凍水含量會(huì)增加，這會(huì)改變凍土的導(dǎo)熱特性，使得熱量傳遞變得更加復(fù)雜。這種導(dǎo)熱系數(shù)的變化會(huì)影響群樁周圍的溫度場(chǎng)分布，進(jìn)而影響群樁的熱穩(wěn)定性。如果凍土的導(dǎo)熱系數(shù)在不同位置或不同時(shí)間發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致群樁各部位的溫度變化不一致，從而產(chǎn)生不均勻的熱應(yīng)力，對(duì)群樁的結(jié)構(gòu)安全造成威脅。凍土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度是其力學(xué)性質(zhì)的重要體現(xiàn)，對(duì)群樁的承載能力和穩(wěn)定性有著直接影響?？箟簭?qiáng)度表示凍土在壓力作用下抵抗破壞的能力，高溫多年凍土的抗壓強(qiáng)度與溫度、含冰量、荷載作用時(shí)間等因素密切相關(guān)。在一定負(fù)溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，冰的膠結(jié)作用增強(qiáng)，凍土的抗壓強(qiáng)度增大；含冰量增加也會(huì)使抗壓強(qiáng)度提高，因?yàn)楦嗟谋鸬搅四z結(jié)土顆粒的作用。但當(dāng)溫度升高接近0℃時(shí)，冰開始融化，抗壓強(qiáng)度會(huì)急劇下降。在群樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工中，需要充分考慮凍土抗壓強(qiáng)度的變化。若在施工過(guò)程中，由于各種因素導(dǎo)致凍土溫度升高，抗壓強(qiáng)度降低，群樁基礎(chǔ)可能無(wú)法承受上部結(jié)構(gòu)的荷載，從而引發(fā)工程事故。在一些橋梁的群樁基礎(chǔ)中，由于凍土的抗壓強(qiáng)度不足，在長(zhǎng)期荷載作用下，出現(xiàn)了樁基礎(chǔ)的下沉和傾斜現(xiàn)象?？辜魪?qiáng)度則反映了凍土抵抗剪切破壞的能力，其性質(zhì)與抗壓強(qiáng)度有相似之處。高溫多年凍土的抗剪強(qiáng)度也隨溫度降低而增高，土的粘聚力和內(nèi)摩擦角是影響抗剪強(qiáng)度的重要因素。在高溫多年凍土中，由于冰的存在，土的粘聚力會(huì)有所增加，但隨著溫度升高冰的融化，粘聚力會(huì)減??；內(nèi)摩擦角則主要與土顆粒的性質(zhì)和排列方式有關(guān)。在群樁基礎(chǔ)的受力過(guò)程中，樁周凍土需要提供足夠的抗剪強(qiáng)度來(lái)抵抗樁身傳來(lái)的水平荷載。如果凍土的抗剪強(qiáng)度不足，樁身可能會(huì)發(fā)生水平位移或轉(zhuǎn)動(dòng)，影響群樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。在一些地震多發(fā)地區(qū)，地震產(chǎn)生的水平力會(huì)對(duì)群樁基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的作用，此時(shí)凍土的抗剪強(qiáng)度就顯得尤為重要。若凍土的抗剪強(qiáng)度不能滿足要求，在地震作用下，群樁基礎(chǔ)可能會(huì)發(fā)生破壞，危及整個(gè)工程的安全。3.3環(huán)境因素的影響3.3.1氣溫變化氣溫變化是影響高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的重要環(huán)境因素之一，其年氣溫變化和季節(jié)氣溫波動(dòng)都會(huì)對(duì)群樁與凍土之間的熱交換過(guò)程產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響群樁的熱穩(wěn)定性。年氣溫變化對(duì)群樁熱穩(wěn)定性有著長(zhǎng)期的累積效應(yīng)。隨著全球氣候變暖的趨勢(shì)，高溫多年凍土地區(qū)的年平均氣溫呈上升趨勢(shì)。在青藏高原的部分地區(qū)，近幾十年來(lái)年平均氣溫上升了1-2℃。這種氣溫的升高會(huì)導(dǎo)致凍土的地溫升高，凍土中的冰開始融化，從而改變凍土的物理力學(xué)性質(zhì)。對(duì)于群樁基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，凍土的這種變化會(huì)使其周圍的溫度場(chǎng)發(fā)生改變。年平均氣溫的升高會(huì)使樁周凍土的溫度持續(xù)上升，導(dǎo)致凍土的融化范圍擴(kuò)大。在一些橋梁的群樁基礎(chǔ)中，由于年氣溫升高，樁周凍土的融化深度逐年增加，使得樁側(cè)摩阻力減小，群樁的承載能力下降。長(zhǎng)期的年氣溫變化還可能導(dǎo)致凍土的結(jié)構(gòu)性破壞，使得凍土的力學(xué)性能進(jìn)一步惡化，對(duì)群樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生更為不利的影響。季節(jié)氣溫波動(dòng)對(duì)群樁熱穩(wěn)定性的影響也不容忽視。在高溫多年凍土地區(qū)，季節(jié)氣溫的變化較為明顯，冬季氣溫較低，夏季氣溫相對(duì)較高。這種季節(jié)氣溫的波動(dòng)會(huì)使群樁和凍土之間發(fā)生周期性的熱交換。在冬季，氣溫降低，群樁表面的溫度也隨之下降，熱量從凍土向群樁傳遞，導(dǎo)致樁周凍土溫度降低。當(dāng)凍土溫度降低到一定程度時(shí)，凍土中的水分會(huì)發(fā)生凍結(jié)，體積膨脹，產(chǎn)生凍脹力。這種凍脹力會(huì)對(duì)群樁產(chǎn)生向上的作用力，可能導(dǎo)致樁身的變形和位移。在一些房屋建筑的群樁基礎(chǔ)中，冬季的凍脹力使得樁頂出現(xiàn)了不同程度的上抬，影響了建筑物的正常使用。而在夏季，氣溫升高，群樁表面溫度升高，熱量從群樁向凍土傳遞，導(dǎo)致樁周凍土溫度升高，可能引起凍土的融化。這種季節(jié)性的凍融循環(huán)會(huì)使樁周凍土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生反復(fù)變化，降低凍土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響群樁的承載能力和穩(wěn)定性。長(zhǎng)期的凍融循環(huán)還可能導(dǎo)致樁身材料的疲勞損傷，縮短樁基礎(chǔ)的使用壽命。3.3.2降水與地下水降水和地下水在高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性中扮演著重要角色，它們通過(guò)影響凍土的水分含量和熱穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)群樁基礎(chǔ)產(chǎn)生潛在危害。降水對(duì)凍土水分含量和熱穩(wěn)定性的影響較為復(fù)雜。在高溫多年凍土地區(qū)，降水主要以降雨和降雪的形式出現(xiàn)。降雨會(huì)直接增加凍土的含水量，當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，大量的雨水會(huì)迅速滲入凍土中，使凍土的飽和度增加。在一些降水量較大的地區(qū)，夏季的強(qiáng)降雨會(huì)使凍土的含水量在短時(shí)間內(nèi)大幅上升。凍土含水量的增加會(huì)改變其熱物理性質(zhì)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等。含水量的增加會(huì)使凍土的導(dǎo)熱系數(shù)增大，這意味著熱量在凍土中的傳遞速度加快。在群樁基礎(chǔ)周圍，由于凍土導(dǎo)熱系數(shù)的增大，樁身與凍土之間的熱交換會(huì)更加劇烈，可能導(dǎo)致樁周凍土溫度的變化更加迅速，增加了群樁熱穩(wěn)定性的控制難度。降水還可能引發(fā)坡面徑流和地下徑流的變化，導(dǎo)致地下水水位的波動(dòng)，進(jìn)一步影響凍土的熱穩(wěn)定性。降雪對(duì)凍土的影響則與積雪的覆蓋時(shí)間和厚度有關(guān)。在冬季，積雪覆蓋在凍土表面，起到了一定的隔熱作用。積雪的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較小，能夠阻止熱量從凍土向大氣中散失，使得凍土在冬季的溫度相對(duì)較高。在一些地區(qū)，深厚的積雪層能夠使凍土在冬季的溫度保持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，減少了凍土的凍脹現(xiàn)象。但是，如果積雪覆蓋時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或厚度過(guò)大，在春季積雪融化時(shí)，大量的融雪水會(huì)滲入凍土中，同樣會(huì)導(dǎo)致凍土含水量的增加，引發(fā)與降雨類似的問(wèn)題。地下水是影響凍土熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。在高溫多年凍土地區(qū)，地下水的存在形式和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)凍土的溫度場(chǎng)和力學(xué)性質(zhì)有著重要影響。地下水的流動(dòng)會(huì)攜帶熱量，改變凍土的溫度分布。當(dāng)?shù)叵滤蛏狭鲃?dòng)時(shí)，會(huì)將深部的熱量帶到淺層凍土中，使凍土溫度升高；反之，當(dāng)?shù)叵滤蛳铝鲃?dòng)時(shí)，會(huì)帶走淺層凍土的熱量，使凍土溫度降低。在一些地下水位較高且有明顯水流的區(qū)域，地下水的熱對(duì)流作用會(huì)導(dǎo)致樁周凍土溫度的不均勻分布，進(jìn)而影響群樁的熱穩(wěn)定性。如果樁周凍土的溫度差異較大，會(huì)產(chǎn)生不均勻的熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致樁身的開裂或變形。地下水的水位變化也會(huì)對(duì)群樁基礎(chǔ)產(chǎn)生潛在危害。當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r(shí)，樁周凍土?xí)幱陲査疇顟B(tài)，土顆粒之間的有效應(yīng)力減小，導(dǎo)致凍土的強(qiáng)度降低。在一些橋梁的群樁基礎(chǔ)中，由于地下水位上升，樁周凍土的強(qiáng)度下降，使得樁側(cè)摩阻力減小，群樁的承載能力降低，出現(xiàn)了樁基礎(chǔ)的下沉現(xiàn)象。地下水位的頻繁波動(dòng)還可能導(dǎo)致凍土的凍融循環(huán)加劇，進(jìn)一步破壞凍土的結(jié)構(gòu)，降低其穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r(shí)，可能會(huì)使樁周凍土產(chǎn)生干縮裂縫，增加了外界熱量進(jìn)入凍土的通道，也會(huì)對(duì)群樁的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。四、高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的案例分析4.1案例選取與工程概況為深入研究高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性，本研究選取了位于青藏高原某地區(qū)的橋梁工程作為案例。該地區(qū)屬于典型的高溫多年凍土區(qū)域，年平均地溫約為-0.5℃至-1.5℃，凍土上限深度在1.5-2.5m之間，且含冰量較高，給橋梁群樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。該橋梁工程全長(zhǎng)1.2km，共設(shè)置了50個(gè)橋墩，每個(gè)橋墩采用群樁基礎(chǔ)，群樁布置方式為矩形。其中，主橋橋墩的群樁由16根樁組成，樁徑為1.2m，樁長(zhǎng)為25m，樁間距為3.6m（3倍樁徑）；引橋橋墩的群樁由9根樁組成，樁徑為1.0m，樁長(zhǎng)為20m，樁間距為3.0m（3倍樁徑）。樁身材料采用C30混凝土，其導(dǎo)熱系數(shù)為1.75W/(m?K)，比熱容為0.92kJ/(kg?K)。承臺(tái)尺寸根據(jù)橋墩的受力情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，主橋橋墩承臺(tái)尺寸為長(zhǎng)8m、寬6m、高2m，引橋橋墩承臺(tái)尺寸為長(zhǎng)6m、寬4m、高1.5m。在地質(zhì)條件方面，該地區(qū)表層為0.5-1.0m厚的粉質(zhì)黏土，其下為含砂冰層，厚度約為10-15m，再往下為粉質(zhì)黏土和泥灰?guī)r互層。含砂冰層的含冰量較高，一般在30%-50%之間，這使得該土層的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)溫度變化極為敏感。粉質(zhì)黏土的密度為1.8-2.0g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.2-1.5W/(m?K)，抗壓強(qiáng)度為100-150kPa；含砂冰層的密度為1.6-1.8g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為2.0-2.2W/(m?K)，抗壓強(qiáng)度為80-120kPa。泥灰?guī)r的密度為2.2-2.4g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.5-1.8W/(m?K)，抗壓強(qiáng)度為200-300kPa。該地區(qū)的氣候條件也較為特殊，年平均氣溫較低，晝夜溫差較大，夏季最高氣溫可達(dá)25℃左右，冬季最低氣溫可降至-30℃以下。年降水量約為400-500mm，主要集中在夏季，且降水形式以降雨為主，冬季降雪量相對(duì)較少。該地區(qū)的太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，年日照時(shí)數(shù)超過(guò)3000小時(shí)。這些氣候因素對(duì)群樁基礎(chǔ)的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生了重要影響，氣溫的變化導(dǎo)致樁周凍土溫度的波動(dòng)，降水和太陽(yáng)輻射則會(huì)改變凍土的水分含量和溫度分布。4.2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析4.2.1監(jiān)測(cè)方案與儀器布置為全面掌握高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性變化情況，本研究制定了詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括樁周凍土的溫度、濕度、位移以及群樁的內(nèi)力和變形。在溫度監(jiān)測(cè)方面，采用高精度的鉑電阻溫度傳感器，其測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃，能夠準(zhǔn)確捕捉凍土溫度的細(xì)微變化。在每個(gè)橋墩的群樁基礎(chǔ)中，選取代表性的樁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在樁周凍土中沿深度方向每隔1m埋設(shè)一個(gè)溫度傳感器，從凍土上限開始直至樁端以下2m，以獲取不同深度處凍土溫度的變化情況。在承臺(tái)底面和側(cè)面也布置了溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)承臺(tái)與凍土之間的熱交換情況。濕度監(jiān)測(cè)采用時(shí)域反射儀（TDR），它通過(guò)測(cè)量土壤中電磁波的傳播速度來(lái)確定土壤的含水量，具有精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。在樁周凍土中，每隔2m埋設(shè)一個(gè)TDR探頭，與溫度傳感器交錯(cuò)布置，以便同時(shí)獲取溫度和濕度數(shù)據(jù)，分析兩者之間的相互關(guān)系。位移監(jiān)測(cè)包括樁頂位移和樁周凍土的水平位移。樁頂位移采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，全站儀具有高精度、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量樁頂在平面內(nèi)的三維位移。在每個(gè)橋墩的承臺(tái)頂部設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，呈三角形分布，定期進(jìn)行測(cè)量。樁周凍土的水平位移則通過(guò)在凍土中埋設(shè)測(cè)斜管，利用測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)斜管沿樁身外側(cè)布置，每隔2m設(shè)置一個(gè)測(cè)量斷面，通過(guò)測(cè)量測(cè)斜管的傾斜角度變化來(lái)計(jì)算凍土的水平位移。群樁的內(nèi)力監(jiān)測(cè)主要通過(guò)在樁身內(nèi)部埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在每根樁的不同深度處，選取關(guān)鍵截面，在主筋上焊接鋼筋應(yīng)力計(jì)，測(cè)量樁身的軸力和彎矩變化。鋼筋應(yīng)力計(jì)采用振弦式傳感器，具有穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確反映樁身的受力狀態(tài)。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置上，充分考慮了群樁的對(duì)稱性和不同位置樁的代表性。對(duì)于主橋橋墩的群樁，選取中心樁以及四個(gè)角樁進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，同時(shí)在邊緣樁上也布置了部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以了解群樁整體的熱穩(wěn)定性變化情況。引橋橋墩的群樁則選取中心樁和部分邊緣樁進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都進(jìn)行了詳細(xì)的標(biāo)記和記錄，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可追溯性。為了確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，所有監(jiān)測(cè)儀器在使用前都進(jìn)行了嚴(yán)格的校準(zhǔn)和標(biāo)定。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，按照預(yù)定的監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，初期監(jiān)測(cè)頻率為每天一次，隨著時(shí)間的推移，根據(jù)凍土溫度和群樁變形的穩(wěn)定情況，逐漸降低監(jiān)測(cè)頻率，但在氣溫變化劇烈或出現(xiàn)異常情況時(shí)，及時(shí)增加監(jiān)測(cè)次數(shù)。4.2.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與處理在獲取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的整理和分析。首先，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量檢查，剔除了明顯異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并對(duì)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行了合理的插值處理。然后，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，繪制了溫度、位移等隨時(shí)間變化的曲線，以便直觀地分析群樁熱穩(wěn)定性的變化規(guī)律。從溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，在群樁施工完成后的初期，由于混凝土水化熱的影響，樁身溫度迅速升高，樁周凍土溫度也隨之上升。在某主橋橋墩的中心樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，樁身混凝土澆筑后的前3天，樁身中心溫度最高達(dá)到了50℃，樁周凍土在距離樁身0.5m處的溫度也從初始的-1.0℃升高到了3.0℃。隨著時(shí)間的推移，樁身溫度逐漸下降，通過(guò)熱傳導(dǎo)，樁周凍土的溫度也開始緩慢下降，但在距離樁身較近的區(qū)域，凍土溫度仍然高于初始溫度。在施工完成后的1個(gè)月，樁身中心溫度降至15℃，距離樁身0.5m處的凍土溫度為0.5℃，表明樁周凍土的熱擾動(dòng)仍然存在。繪制不同深度樁周凍土溫度隨時(shí)間的變化曲線，發(fā)現(xiàn)凍土溫度的變化受深度影響較大。在凍土上限附近，溫度受氣溫變化的影響較為明顯，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性波動(dòng)。在夏季，氣溫升高，凍土上限附近的溫度也隨之升高；在冬季，氣溫降低，凍土上限附近的溫度也隨之降低。而在較深的土層中，溫度變化相對(duì)較為平緩，受氣溫變化的影響較小。在深度為10m處的凍土溫度，在一年中的波動(dòng)范圍僅為-1.0℃至-0.5℃，而在凍土上限處的溫度波動(dòng)范圍可達(dá)-3.0℃至3.0℃。在位移監(jiān)測(cè)方面，樁頂位移和樁周凍土的水平位移隨時(shí)間的變化曲線顯示，在施工完成后的初期，由于樁周凍土的熱融和土體的固結(jié)，樁頂出現(xiàn)了一定的沉降，樁周凍土也產(chǎn)生了向樁身方向的水平位移。在某引橋橋墩的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，施工完成后的前3個(gè)月，樁頂沉降達(dá)到了15mm，樁周凍土在距離樁身1m處的水平位移為8mm。隨著時(shí)間的推移，樁頂沉降和樁周凍土的水平位移逐漸趨于穩(wěn)定，但仍存在一定的殘余變形。在施工完成后的1年，樁頂沉降穩(wěn)定在20mm，樁周凍土在距離樁身1m處的水平位移穩(wěn)定在10mm。通過(guò)對(duì)群樁內(nèi)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)樁身的軸力和彎矩在施工過(guò)程中以及運(yùn)營(yíng)初期變化較大。在混凝土澆筑過(guò)程中，由于樁身的自重和混凝土的沖擊力，樁身軸力迅速增加；在運(yùn)營(yíng)初期，由于樁周凍土的熱融和土體的變形，樁身軸力和彎矩也發(fā)生了一定的變化。在某主橋橋墩的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，混凝土澆筑完成時(shí)，樁身底部的軸力為500kN，在運(yùn)營(yíng)3個(gè)月后，由于樁周凍土的熱融導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力減小，樁身底部的軸力增加到了600kN。綜合分析溫度、位移和內(nèi)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得出該高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性變化規(guī)律。在施工過(guò)程中，混凝土水化熱對(duì)樁周凍土的熱穩(wěn)定性影響較大，導(dǎo)致凍土溫度升高、土體力學(xué)性質(zhì)改變，進(jìn)而引起樁頂沉降和樁周凍土的水平位移。在運(yùn)營(yíng)階段，氣溫變化、降水等環(huán)境因素對(duì)群樁熱穩(wěn)定性的影響逐漸顯現(xiàn)，樁周凍土溫度的季節(jié)性波動(dòng)和土體的凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致樁身內(nèi)力和變形的變化。長(zhǎng)期來(lái)看，群樁的熱穩(wěn)定性逐漸趨于穩(wěn)定，但仍需密切關(guān)注其變化情況，以確保橋梁工程的安全運(yùn)營(yíng)。4.3案例中的熱穩(wěn)定性問(wèn)題與解決措施在該橋梁工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。在施工階段，由于混凝土水化熱的影響，樁周凍土溫度明顯升高，部分區(qū)域的凍土出現(xiàn)了融化現(xiàn)象。在某主橋橋墩的群樁基礎(chǔ)中，施工完成后1周內(nèi)，距離樁身0.5m范圍內(nèi)的凍土溫度升高了5-8℃，部分高含冰量的凍土出現(xiàn)了明顯的融化跡象，導(dǎo)致樁周土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。樁側(cè)摩阻力在短時(shí)間內(nèi)下降了15%-20%，這對(duì)群樁的承載能力產(chǎn)生了不利影響。若樁側(cè)摩阻力持續(xù)降低，可能導(dǎo)致群樁無(wú)法承受上部結(jié)構(gòu)的荷載，引發(fā)橋梁墩臺(tái)的沉降和傾斜。在運(yùn)營(yíng)階段，氣溫變化和降水等環(huán)境因素對(duì)群樁熱穩(wěn)定性的影響也較為顯著。在夏季高溫時(shí)段，由于氣溫升高，樁周凍土溫度進(jìn)一步上升，凍土融化范圍擴(kuò)大。在連續(xù)高溫的情況下，樁周凍土的融化深度增加了0.5-1.0m，使得樁身的有效錨固長(zhǎng)度減小，群樁的穩(wěn)定性受到威脅。而在冬季，氣溫降低，凍土的凍脹現(xiàn)象對(duì)群樁產(chǎn)生了向上的凍脹力。在某引橋橋墩的監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，冬季時(shí)樁頂出現(xiàn)了5-8mm的上抬位移，這可能導(dǎo)致樁身結(jié)構(gòu)的破壞，影響橋梁的正常使用。降水的影響也不容忽視，夏季的強(qiáng)降雨使得地下水位上升，樁周凍土處于飽水狀態(tài)，土體強(qiáng)度降低，進(jìn)一步加劇了群樁的沉降和變形。為解決群樁熱穩(wěn)定性問(wèn)題，工程中采取了一系列有效的措施。在施工階段，采用了低溫混凝土澆筑技術(shù)，通過(guò)在混凝土中添加冰塊或采用低溫水?dāng)嚢璧确绞?，降低混凝土的入模溫度。在該橋梁工程中，將混凝土的入模溫度控制?-10℃，有效減少了混凝土水化熱對(duì)樁周凍土的熱擾動(dòng)。優(yōu)化了混凝土配合比，減少水泥用量，選用低熱水泥，并添加適量的粉煤灰和礦渣粉等摻合料，降低了混凝土的水化熱總量。這些措施使得樁周凍土溫度升高幅度明顯減小，在施工完成后的1周內(nèi)，距離樁身0.5m范圍內(nèi)的凍土溫度升高控制在2-3℃，有效抑制了凍土的融化，保證了樁側(cè)摩阻力的穩(wěn)定，提高了群樁在施工階段的承載能力。在運(yùn)營(yíng)階段，采用了熱棒技術(shù)來(lái)降低樁周凍土溫度。熱棒是一種高效的熱傳導(dǎo)裝置，其工作原理是利用氨的氣液相變來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。在夏季，當(dāng)樁周凍土溫度升高時(shí)，熱棒內(nèi)的液態(tài)氨吸收熱量蒸發(fā)成氣態(tài)，氣態(tài)氨上升到熱棒頂部，通過(guò)散熱片將熱量散發(fā)到大氣中，然后氣態(tài)氨冷卻凝結(jié)成液態(tài)，回流到熱棒底部，如此循環(huán)往復(fù)，將樁周凍土中的熱量不斷帶出。在該橋梁工程中，沿群樁基礎(chǔ)周邊布置了熱棒，熱棒的間距為2m，埋深為15m。通過(guò)熱棒的作用，樁周凍土的年平均溫度降低了1-2℃，有效抑制了凍土的融化，減少了樁身的變形和位移。在連續(xù)高溫的夏季，采用熱棒后，樁周凍土的融化深度相比未采用熱棒時(shí)減少了0.3-0.5m，保證了群樁的穩(wěn)定性。為了減少氣溫變化對(duì)群樁熱穩(wěn)定性的影響，在承臺(tái)表面鋪設(shè)了隔熱材料。隔熱材料選用了聚苯乙烯泡沫板，其導(dǎo)熱系數(shù)低，能夠有效阻止熱量的傳遞。在冬季，隔熱材料可以減少承臺(tái)向凍土傳遞熱量，降低凍土的凍脹力；在夏季，隔熱材料可以阻止外界熱量傳入承臺(tái)和樁周凍土，減少凍土的融化。在某橋墩的監(jiān)測(cè)中，鋪設(shè)隔熱材料后，冬季樁頂?shù)纳咸灰茰p少了3-5mm，夏季樁周凍土的溫度升高幅度降低了1-2℃，有效改善了群樁的熱穩(wěn)定性。還加強(qiáng)了對(duì)地下水位的控制，通過(guò)設(shè)置排水系統(tǒng)，及時(shí)排除地下水，避免地下水位過(guò)高對(duì)群樁基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響。在該橋梁工程中，在橋墩周圍設(shè)置了盲溝和集水井，將地下水引至集水井，然后通過(guò)水泵將水排出。通過(guò)有效的排水措施，地下水位得到了有效控制，樁周凍土的飽水狀態(tài)得到改善，土體強(qiáng)度得以保持，群樁的沉降和變形得到了有效抑制。在地下水位較高的區(qū)域，采取排水措施后，群樁的沉降量相比未采取措施時(shí)減少了5-8mm，保證了橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。五、高溫多年凍土地區(qū)群樁的控溫措施5.1被動(dòng)控溫措施5.1.1隔熱材料的應(yīng)用在高溫多年凍土地區(qū)群樁基礎(chǔ)中，隔熱材料的應(yīng)用是一種重要的被動(dòng)控溫措施。隔熱材料通過(guò)降低熱量傳遞速率，有效減少了樁身與周圍凍土之間的熱交換，從而維持樁周凍土的溫度穩(wěn)定，提高群樁的熱穩(wěn)定性。隔熱材料在群樁中的應(yīng)用方式主要有樁身包裹和承臺(tái)隔熱兩種。樁身包裹是將隔熱材料緊密纏繞或粘貼在樁身表面，形成一層隔熱屏障。在實(shí)際工程中，常采用聚苯乙烯泡沫板（EPS）、聚氨酯泡沫等隔熱材料。以某橋梁群樁基礎(chǔ)為例，在樁身外側(cè)包裹了厚度為5cm的EPS板，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，包裹隔熱材料后，樁周凍土的溫度升高幅度明顯減小。在施工后的一個(gè)月內(nèi)，未包裹隔熱材料的樁周凍土溫度升高了5℃，而包裹EPS板的樁周凍土溫度僅升高了2℃。這表明樁身包裹隔熱材料能夠有效阻止樁身熱量向凍土傳遞，降低凍土的熱擾動(dòng)。承臺(tái)隔熱則是在承臺(tái)底部和側(cè)面鋪設(shè)隔熱材料，減少承臺(tái)與凍土之間的熱量傳遞。在某建筑工程的群樁基礎(chǔ)中，承臺(tái)底部采用了隔熱性能良好的擠塑聚苯乙烯泡沫板（XPS），厚度為8cm。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，采用承臺(tái)隔熱措施后，承臺(tái)底部?jī)鐾恋臏囟茸兓^為平緩，在夏季高溫時(shí)段，凍土溫度升高幅度比未采取隔熱措施時(shí)降低了3-4℃。這說(shuō)明承臺(tái)隔熱材料能夠有效阻擋外界熱量傳入凍土，保護(hù)樁周凍土的穩(wěn)定性。隔熱材料對(duì)減少熱量傳遞、提高群樁熱穩(wěn)定性的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。隔熱材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，能夠顯著降低熱量的傳導(dǎo)速率。聚苯乙烯泡沫板的導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.03-0.04W/(m?K)之間，遠(yuǎn)低于混凝土等樁身材料的導(dǎo)熱系數(shù)。這使得樁身產(chǎn)生的熱量難以通過(guò)隔熱材料傳遞到周圍凍土中，從而減少了對(duì)凍土的熱影響。隔熱材料能夠起到緩沖溫度變化的作用。在氣溫波動(dòng)較大的環(huán)境下，隔熱材料可以減緩樁身溫度的變化速度，避免因溫度驟變對(duì)凍土產(chǎn)生不利影響。在冬季，外界氣溫急劇下降時(shí)，隔熱材料能夠阻止樁身溫度迅速降低，減少凍土的凍脹現(xiàn)象；在夏季，氣溫升高時(shí)，隔熱材料又能防止樁身溫度過(guò)高，降低凍土的融化風(fēng)險(xiǎn)。此外，隔熱材料還可以提高群樁基礎(chǔ)的能源利用效率。在一些需要對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行加熱或冷卻的工程中，隔熱材料能夠減少熱量的散失或吸收，降低能源消耗。在采用地源熱泵系統(tǒng)的群樁基礎(chǔ)中，隔熱材料可以減少熱量在樁身與外界環(huán)境之間的傳遞，提高地源熱泵系統(tǒng)的工作效率，降低運(yùn)行成本。隔熱材料的應(yīng)用在高溫多年凍土地區(qū)群樁基礎(chǔ)中具有重要意義。通過(guò)合理選擇和應(yīng)用隔熱材料，可以有效減少熱量傳遞，降低樁周凍土的溫度變化，提高群樁的熱穩(wěn)定性，為工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。5.1.2熱棒技術(shù)的原理與應(yīng)用熱棒技術(shù)是一種在高溫多年凍土地區(qū)群樁基礎(chǔ)中廣泛應(yīng)用的被動(dòng)控溫措施，其工作原理基于氣液相變傳熱和熱虹吸原理，能夠有效地將樁周凍土中的熱量散發(fā)出去，維持凍土的低溫狀態(tài)，保障群樁的熱穩(wěn)定性。熱棒通常由一根密閉的空心長(zhǎng)棒組成，內(nèi)部充有液氨、液氮等低沸點(diǎn)的工質(zhì)。熱棒的上部為冷凝段，裝有散熱葉片，暴露在大氣中；下部為蒸發(fā)段，埋入地基多年凍土中。當(dāng)樁周凍土溫度高于大氣溫度時(shí)，存在溫差，蒸發(fā)段的工質(zhì)吸收凍土中的熱量，由液態(tài)蒸發(fā)成氣態(tài)。在氣壓差的作用下，氣態(tài)工質(zhì)沿管內(nèi)空隙上升至冷凝段。在冷凝段，氣態(tài)工質(zhì)與外界大氣進(jìn)行熱交換，將熱量散發(fā)出去，冷卻凝結(jié)成液態(tài)。液態(tài)工質(zhì)在重力作用下，沿管壁流回蒸發(fā)段，如此往復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了熱量從凍土向大氣的持續(xù)傳輸，從而降低多年凍土的地溫，防止多年凍土發(fā)生融化。在群樁基礎(chǔ)中，熱棒的安裝方式需要根據(jù)工程的具體情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。熱棒可與樁身同軸布置，將熱棒插入樁身內(nèi)部，使蒸發(fā)段位于樁周凍土中，冷凝段伸出地面。這種布置方式能夠直接對(duì)樁周凍土進(jìn)行冷卻，有效降低樁周凍土的溫度。在某橋梁群樁基礎(chǔ)中，采用了與樁身同軸布置的熱棒，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，樁周凍土的平均溫度降低了2-3℃，有效抑制了凍土的融化，提高了群樁的承載能力。熱棒也可環(huán)繞群樁布置在樁間土中，通過(guò)熱傳導(dǎo)作用，降低樁間土的溫度，減少群樁之間的熱干擾。在某建筑的群樁基礎(chǔ)中，在樁間土中環(huán)繞布置了熱棒，熱棒間距為2m。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，采用這種布置方式后，樁間土的溫度分布更加均勻，群樁之間的熱干擾明顯減小，群樁的熱穩(wěn)定性得到了顯著提升。熱棒在群樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用效果顯著。通過(guò)熱棒的持續(xù)工作，能夠有效降低樁周凍土的溫度，維持凍土的凍結(jié)狀態(tài)，從而保證樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的穩(wěn)定，提高群樁的承載能力。在青藏鐵路的部分路段，采用熱棒技術(shù)的群樁基礎(chǔ)在多年的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，樁周凍土溫度始終保持在較低水平，群樁的沉降和變形控制在合理范圍內(nèi)，確保了鐵路的安全運(yùn)行。熱棒還可以減少因凍土融化和凍脹引起的樁身變形和破壞。在冬季，熱棒能夠?qū)鐾林械臒崃可l(fā)出去，防止凍土過(guò)度凍脹對(duì)樁身產(chǎn)生過(guò)大的凍脹力；在夏季，熱棒又能阻止凍土過(guò)度融化，避免樁身因凍土融化而產(chǎn)生過(guò)大的沉降和位移。在某公路橋梁的群樁基礎(chǔ)中，在采用熱棒技術(shù)之前，每年冬季都會(huì)出現(xiàn)樁身上抬的現(xiàn)象，采用熱棒后，樁身上抬現(xiàn)象得到了有效控制，保證了橋梁的正常使用。熱棒技術(shù)作為一種有效的被動(dòng)控溫措施，在高溫多年凍土地區(qū)群樁基礎(chǔ)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)合理的安裝和布置，熱棒能夠顯著降低樁周凍土溫度，提高群樁的熱穩(wěn)定性，為高溫多年凍土地區(qū)的工程建設(shè)提供可靠的技術(shù)支持。5.2主動(dòng)控溫措施5.2.1溫控樁的設(shè)計(jì)與工作原理溫控樁作為一種主動(dòng)控溫措施，在高溫多年凍土地區(qū)群樁基礎(chǔ)中發(fā)揮著重要作用。溫控樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融合了多種功能組件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)樁周凍土溫度的有效調(diào)控。其主體結(jié)構(gòu)通常由樁身、制冷裝置、溫度傳感器和控制系統(tǒng)等部分組成。樁身采用高強(qiáng)度的混凝土或鋼材制成，以確保其具備足夠的承載能力，滿足工程對(duì)基礎(chǔ)強(qiáng)度的要求。在青藏鐵路某橋梁工程的群樁基礎(chǔ)中，溫控樁的樁身采用了C40混凝土，抗壓強(qiáng)度達(dá)到40MPa以上，能夠承受上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的巨大荷載。制冷裝置是溫控樁的核心部件之一，常見的制冷方式有壓縮式制冷和熱電制冷。壓縮式制冷利用制冷劑的相變過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。在溫控樁中，壓縮機(jī)將氣態(tài)制冷劑壓縮成高溫高壓的氣體，然后通過(guò)冷凝器將熱量釋放到周圍環(huán)境中，制冷劑冷卻液化。液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收樁周凍土的熱量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)凍土的降溫。熱電制冷則是基于帕爾貼效應(yīng)，當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同導(dǎo)體組成的回路時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生溫差，一端吸熱，另一端放熱。在溫控樁中，通過(guò)合理布置熱電元件，使其一端與樁周凍土接觸，吸收凍土的熱量，另一端將熱量散發(fā)出去。在某實(shí)驗(yàn)性的群樁基礎(chǔ)中，采用了熱電制冷的溫控樁，通過(guò)精確控制電流的大小和方向，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樁周凍土溫度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。溫度傳感器分布在樁身和樁周凍土中，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化。這些傳感器能夠精確測(cè)量溫度，為控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。在某群樁基礎(chǔ)的溫控樁中，采用了高精度的鉑電阻溫度傳感器，其測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃，能夠及時(shí)捕捉到樁周凍土溫度的細(xì)微變化?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)溫度傳感器反饋的數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷裝置的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樁周凍土溫度的精確控制。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到樁周凍土溫度超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)制冷裝置，加大制冷量，降低凍土溫度；當(dāng)溫度低于閾值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)適當(dāng)減少制冷量，保持凍土溫度的穩(wěn)定。溫控樁通過(guò)主動(dòng)制冷，能夠有效降低樁周凍土的溫度，抑制凍土的融化。在某高溫多年凍土地區(qū)的建筑群樁基礎(chǔ)中，使用溫控樁后，樁周凍土的年平均溫度降低了2-3℃，凍土的融化深度明顯減小，有效提高了群樁的熱穩(wěn)定性。在夏季高溫時(shí)段，當(dāng)外界氣溫升高，樁周凍土溫度有上升趨勢(shì)時(shí)，溫控樁的制冷裝置會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，將凍土中的熱量帶走，防止凍土過(guò)度融化，保證樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的穩(wěn)定，從而提高群樁的承載能力。在冬季，溫控樁可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)制冷量，避免凍土過(guò)度冷卻，減少凍脹現(xiàn)象對(duì)群樁的影響。在一些寒冷地區(qū)的群樁基礎(chǔ)中，通過(guò)溫控樁的調(diào)節(jié)，冬季樁身所受的凍脹力明顯減小，樁身的變形和位移得到了有效控制。5.2.2智能控溫系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用智能控溫系統(tǒng)是一種先進(jìn)的主動(dòng)控溫措施，它通過(guò)集成多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)群樁溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)調(diào)控，為高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性提供了可靠保障。智能控溫系統(tǒng)主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊、執(zhí)行模塊以及通信模塊等部分組成。傳感器模塊是系統(tǒng)的感知層，負(fù)責(zé)采集群樁和周圍凍土的溫度、濕度、應(yīng)力等多參數(shù)信息。在某群樁基礎(chǔ)中，溫度傳感器采用了高精度的熱電偶，能夠準(zhǔn)確測(cè)量不同位置的溫度，精度可達(dá)±0.2℃；濕度傳感器則利用電容式原理，能夠快速響應(yīng)濕度變化，測(cè)量范圍為0-100%RH；應(yīng)力傳感器采用電阻應(yīng)變片，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁身和凍土的應(yīng)力狀態(tài)，精度達(dá)到±1με。這些傳感器分布在群樁的關(guān)鍵部位和樁周凍土中，如樁頂、樁身不同深度以及樁周不同距離處，以全面獲取群樁的工作狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)處理與控制模塊是智能控溫系統(tǒng)的核心，它對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理。通過(guò)內(nèi)置的智能算法，該模塊能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度閾值和控制策略，生成相應(yīng)的控制指令。在某智能控溫系統(tǒng)中，采用了模糊控制算法，該算法能夠根據(jù)溫度的變化趨勢(shì)和偏差大小，自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到樁周凍土溫度升高時(shí)，數(shù)據(jù)處理與控制模塊會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的模糊規(guī)則，判斷溫度升高的程度和速度，然后向執(zhí)行模塊發(fā)送相應(yīng)的控制指令，調(diào)整制冷或加熱設(shè)備的工作狀態(tài)。執(zhí)行模塊根據(jù)數(shù)據(jù)處理與控制模塊的指令，對(duì)群樁的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。執(zhí)行模塊包括制冷設(shè)備、加熱設(shè)備以及通風(fēng)設(shè)備等。在高溫時(shí)段，制冷設(shè)備啟動(dòng)，如壓縮式制冷機(jī)組或地源熱泵系統(tǒng)的制冷模式，通過(guò)循環(huán)冷媒吸收群樁和凍土的熱量，降低溫度；在低溫時(shí)段，加熱設(shè)備啟動(dòng)，如電加熱元件或地源熱泵系統(tǒng)的制熱模式，為群樁和凍土提供熱量，防止過(guò)度冷卻。通風(fēng)設(shè)備則通過(guò)調(diào)節(jié)空氣流通，帶走或引入熱量，輔助溫度調(diào)節(jié)。在某群樁基礎(chǔ)中，當(dāng)夏季樁周凍土溫度過(guò)高時(shí)，執(zhí)行模塊啟動(dòng)制冷設(shè)備，將樁周凍土溫度降低了3-5℃，有效抑制了凍土的融化；在冬季，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，加熱設(shè)備啟動(dòng)，使樁周凍土溫度保持在適宜的范圍內(nèi)，減少了凍脹現(xiàn)象的發(fā)生。通信模塊實(shí)現(xiàn)了智能控溫系統(tǒng)與外部設(shè)備的信息交互，用戶可以通過(guò)手機(jī)APP、電腦客戶端等遠(yuǎn)程終端對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和操作。在某工程中，工作人員可以通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看群樁的溫度、濕度等參數(shù)，還可以遠(yuǎn)程調(diào)整溫度閾值和控制策略。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到異常情況時(shí)，如溫度過(guò)高或設(shè)備故障，通信模塊會(huì)及時(shí)向用戶發(fā)送預(yù)警信息，以便采取相應(yīng)的措施。智能控溫系統(tǒng)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控群樁溫度方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)群樁溫度的實(shí)時(shí)、全面監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度異常情況。通過(guò)智能算法和自動(dòng)化控制，系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地調(diào)整溫度，提高了控溫的精度和效率。與傳統(tǒng)的控溫方式相比，智能控溫系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)優(yōu)化控制策略，減少了人工干預(yù)，降低了運(yùn)營(yíng)成本。在某大型橋梁的群樁基礎(chǔ)中，采用智能控溫系統(tǒng)后，群樁的溫度波動(dòng)范圍明顯減小，熱穩(wěn)定性得到了顯著提升，同時(shí)，運(yùn)營(yíng)成本降低了15%-20%。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性及控溫措施展開，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等多種方法，取得了以下主要研究成果：群樁熱穩(wěn)定性影響因素分析：系統(tǒng)分析了樁體材料與結(jié)構(gòu)、凍土特性以及環(huán)境因素對(duì)高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的影響。樁身材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等熱物理性質(zhì)顯著影響群樁與凍土間的熱交換，如混凝土樁和鋼樁在相同條件下對(duì)凍土溫度場(chǎng)的影響差異明顯。樁的幾何尺寸與布置方式，包括樁徑、樁長(zhǎng)、樁間距以及群樁布置方式，均對(duì)群樁熱穩(wěn)定性有重要作用，較大樁徑、過(guò)長(zhǎng)樁長(zhǎng)和過(guò)小樁間距會(huì)加劇熱擾動(dòng)，不同布置方式的熱干擾程度各異。凍