高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性及控溫策略：理論、影響與實踐

一、引言1.1研究背景與意義多年凍土是一種對溫度極為敏感的特殊土體，在全球氣候變化以及人類工程活動日益頻繁的背景下，其熱穩(wěn)定性正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。尤其是高溫多年凍土地區(qū)，由于年平均地溫接近或高于-1.0℃，凍土中的冰處于臨界融化狀態(tài)，使得凍土的物理力學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，對工程建設(shè)構(gòu)成了巨大威脅。隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向高寒地區(qū)不斷推進(jìn)，越來越多的工程項目需要在高溫多年凍土區(qū)開展，如青藏鐵路、公路等交通工程，以及油氣管道等能源輸送工程。這些工程中，群樁基礎(chǔ)作為一種常用的基礎(chǔ)形式，承擔(dān)著支撐上部結(jié)構(gòu)的重要作用。然而，群樁的施工和運營過程會不可避免地打破原有的地溫平衡，導(dǎo)致樁周凍土溫度升高、強度降低，進(jìn)而引發(fā)樁基礎(chǔ)的沉降、傾斜等病害，嚴(yán)重影響工程的安全與正常使用。例如，在青藏公路的建設(shè)中，部分路段采用群樁基礎(chǔ)，由于對凍土熱穩(wěn)定性考慮不足，隨著時間推移，樁周凍土出現(xiàn)融化，導(dǎo)致路面出現(xiàn)不均勻沉降，影響行車安全和道路使用壽命。研究高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性，深入了解群樁與凍土之間的熱交換機制、溫度場分布規(guī)律以及影響因素，對于保障工程安全具有至關(guān)重要的意義。準(zhǔn)確掌握群樁熱穩(wěn)定性情況，能夠為工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，合理選擇樁型、樁長、樁間距等參數(shù)，有效避免因設(shè)計不合理導(dǎo)致的工程病害。同時，對于已建工程，通過監(jiān)測群樁熱穩(wěn)定性，能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，采取相應(yīng)的維護(hù)措施，延長工程使用壽命?？販卮胧┑难芯颗c應(yīng)用是解決高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性問題的關(guān)鍵。有效的控溫措施能夠降低群樁施工和運營對凍土的熱擾動，維持凍土的凍結(jié)狀態(tài)，保證樁基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性。例如，采用熱棒技術(shù)，利用熱棒內(nèi)介質(zhì)的相變原理，將樁周凍土中的熱量傳遞到大氣中，實現(xiàn)對凍土溫度的控制；或者使用隔熱材料包裹樁身，減少熱量從樁體向凍土的傳遞。這些控溫措施的應(yīng)用，不僅能夠保障工程的安全穩(wěn)定運行，減少后期維護(hù)成本，還能降低對環(huán)境的影響，實現(xiàn)工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，對高寒地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的推動作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在多年凍土地區(qū)樁基研究領(lǐng)域，國外起步相對較早。20世紀(jì)中葉，北美和北歐等凍土分布廣泛的國家，就已針對寒區(qū)樁基開展了理論與試驗研究。早期，主要聚焦于單樁在凍土中的承載特性，通過現(xiàn)場靜載試驗，獲取了單樁的豎向和水平向承載力數(shù)據(jù)，初步建立了單樁承載力的計算理論。隨著研究的深入，逐步考慮到凍土的流變特性對樁基的影響，認(rèn)識到凍土在長期荷載作用下會產(chǎn)生蠕變變形，進(jìn)而影響樁基的穩(wěn)定性。在群樁熱穩(wěn)定性研究方面，國外學(xué)者通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，探究群樁效應(yīng)下樁周凍土溫度場的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，群樁中各樁之間存在熱相互作用，會導(dǎo)致樁周凍土溫度升高幅度增大，且溫度分布更加不均勻。例如，在加拿大的某寒區(qū)工程中，通過對群樁基礎(chǔ)的長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)樁間距較小時，樁周凍土的融化深度明顯增加，對群樁的承載能力和穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。在控溫措施研究上，國外已將一些成熟技術(shù)應(yīng)用于實際工程。如在阿拉斯加的輸油管道工程中，采用熱棒技術(shù)來控制樁周凍土溫度，有效維持了凍土的凍結(jié)狀態(tài)，保障了管道基礎(chǔ)的穩(wěn)定。國內(nèi)對于多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性及控溫措施的研究，在青藏鐵路、公路等大型工程建設(shè)的推動下取得了顯著進(jìn)展。在理論研究層面，國內(nèi)學(xué)者針對高溫多年凍土的特性，建立了更為完善的樁-土熱-力學(xué)耦合模型，綜合考慮了凍土的相變、水分遷移以及樁身與凍土之間的熱交換等復(fù)雜因素。通過數(shù)值模擬，深入分析了不同樁型、樁間距、樁長等參數(shù)對群樁熱穩(wěn)定性的影響規(guī)律。在試驗研究方面，依托青藏鐵路等工程，開展了大量現(xiàn)場試驗和室內(nèi)模型試驗。通過在樁周和凍土中埋設(shè)溫度傳感器、應(yīng)變計等監(jiān)測設(shè)備，獲取了豐富的溫度場、應(yīng)力場和變形數(shù)據(jù)，為理論研究提供了有力支撐。在控溫措施研究與應(yīng)用上，國內(nèi)取得了一系列創(chuàng)新成果。熱棒技術(shù)在青藏鐵路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，通過優(yōu)化熱棒的結(jié)構(gòu)設(shè)計和布置方式，提高了其散熱效率和控溫效果。同時，研發(fā)了新型隔熱材料，并應(yīng)用于樁身包裹，有效減少了熱量向樁周凍土的傳遞。在青藏公路的改擴(kuò)建工程中，采用了熱棒與隔熱材料相結(jié)合的復(fù)合控溫措施，取得了良好的工程效果?，F(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。在群樁熱穩(wěn)定性研究中，對于復(fù)雜地質(zhì)條件下（如含冰層、地下水豐富等）群樁與凍土之間的相互作用機制，尚未完全明確。不同控溫措施之間的協(xié)同作用研究較少，缺乏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法。在實際工程應(yīng)用中，對控溫措施的長期有效性和可靠性評估方法不夠完善，難以準(zhǔn)確預(yù)測其在服役期內(nèi)的性能變化。本文將針對這些不足展開深入研究，通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗研究相結(jié)合的方法，進(jìn)一步揭示高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的影響機制，提出更為有效的控溫措施和優(yōu)化設(shè)計方法，為寒區(qū)工程建設(shè)提供更堅實的理論與技術(shù)支持。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本文將針對高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性及控溫措施展開全面深入的研究，具體內(nèi)容如下：群樁熱穩(wěn)定性分析：基于傳熱學(xué)、凍土力學(xué)等相關(guān)理論，建立考慮樁-土熱-力學(xué)耦合作用的群樁溫度場模型。模型中充分考慮混凝土水化熱、大氣溫度波動、太陽輻射等熱源，以及凍土的相變、水分遷移等復(fù)雜因素。利用該模型，通過數(shù)值模擬計算不同工況下群樁樁身及樁周凍土的溫度場分布，分析群樁在施工期和運營期的溫度變化規(guī)律，如樁身不同部位的溫度隨時間的變化、樁周凍土的融化深度和范圍等。影響因素探究：系統(tǒng)研究樁間距、樁長、樁徑、樁型等樁基礎(chǔ)自身參數(shù)對群樁熱穩(wěn)定性的影響。分析不同樁間距下群樁之間的熱相互作用強度，以及樁間距變化對樁周凍土溫度場均勻性的影響；研究樁長和樁徑的改變?nèi)绾斡绊憳渡砼c凍土之間的熱交換面積和熱傳遞效率，進(jìn)而影響群樁的熱穩(wěn)定性；對比不同樁型（如灌注樁、預(yù)制樁等）在相同工況下的熱穩(wěn)定性差異，揭示樁型對群樁熱穩(wěn)定性的影響機制。同時，考慮凍土的物理力學(xué)性質(zhì)（如含冰量、含水率、導(dǎo)熱系數(shù)等）、地下水位、氣候條件（如氣溫、降水、日照等）等外部因素對群樁熱穩(wěn)定性的影響。分析不同含冰量和含水率的凍土在群樁熱擾動下的溫度響應(yīng)和相變特性，以及地下水位的升降如何改變樁周土體的熱傳導(dǎo)路徑和熱交換條件；研究不同氣候條件下，大氣溫度波動、太陽輻射等對群樁溫度場的影響規(guī)律?？販卮胧┭芯浚簩岚?、隔熱材料、通風(fēng)管等常用控溫措施進(jìn)行單獨研究。分析熱棒的工作原理、傳熱性能和控溫效果，研究熱棒的布置方式（如間距、深度等）對其控溫效果的影響；探究隔熱材料的隔熱性能、耐久性和適用性，分析不同隔熱材料包裹樁身時對群樁溫度場的影響；研究通風(fēng)管的通風(fēng)原理、通風(fēng)量和通風(fēng)時機對群樁熱穩(wěn)定性的影響。在此基礎(chǔ)上，開展不同控溫措施的組合研究，提出復(fù)合控溫方案，并通過數(shù)值模擬和試驗研究，對比分析不同控溫方案的控溫效果和經(jīng)濟(jì)效益，確定最優(yōu)的控溫措施組合。1.3.2研究方法本文將綜合運用數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測和理論分析等多種研究方法，以確保研究的全面性和準(zhǔn)確性：數(shù)值模擬：采用通用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）建立高溫多年凍土地區(qū)群樁的數(shù)值模型。在模型中，根據(jù)實際工程地質(zhì)條件和材料參數(shù)，準(zhǔn)確定義凍土、樁體、地基土等材料的熱物理參數(shù)和力學(xué)參數(shù)。通過設(shè)置不同的邊界條件和荷載工況，模擬群樁在施工和運營過程中的溫度場變化和力學(xué)響應(yīng)。利用數(shù)值模擬方法，可以快速、高效地分析不同因素對群樁熱穩(wěn)定性的影響，為理論分析和試驗研究提供數(shù)據(jù)支持和參考。同時，通過與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證，確保數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性?，F(xiàn)場監(jiān)測：選擇典型的高溫多年凍土地區(qū)工程場地，開展群樁基礎(chǔ)的現(xiàn)場監(jiān)測工作。在樁身和樁周凍土中埋設(shè)高精度溫度傳感器、應(yīng)變計、位移計等監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測群樁在施工期和運營期的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變和位移等參數(shù)。通過長期的現(xiàn)場監(jiān)測，獲取群樁在實際工程條件下的熱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，分析群樁與凍土之間的相互作用規(guī)律和實際的溫度變化情況?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅可以驗證數(shù)值模擬和理論分析的結(jié)果，還能為工程實踐提供直接的依據(jù)。理論分析：基于傳熱學(xué)、凍土力學(xué)、彈性力學(xué)等相關(guān)理論，推導(dǎo)群樁-凍土體系的溫度場和應(yīng)力場計算公式。建立考慮樁-土熱-力學(xué)耦合作用的理論模型，分析群樁在熱擾動下的溫度分布規(guī)律和力學(xué)響應(yīng)機制。通過理論分析，深入理解群樁熱穩(wěn)定性的影響因素和內(nèi)在機理，為數(shù)值模擬和試驗研究提供理論指導(dǎo)。同時，利用理論分析方法，可以對不同控溫措施的工作原理和控溫效果進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析，為控溫措施的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。二、高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性理論基礎(chǔ)2.1高溫多年凍土特性高溫多年凍土是指年平均地溫接近或高于-1.0℃的多年凍土，其處于凍土的相變敏感區(qū)域，具有獨特的物理力學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)對群樁熱穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。從物理性質(zhì)來看，高溫多年凍土的溫度狀態(tài)是其關(guān)鍵特征。接近融點的溫度使得凍土中的冰處于臨界融化狀態(tài)，微小的溫度變化就可能引發(fā)冰的融化，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生顯著改變。當(dāng)溫度升高時，凍土中的冰晶體逐漸融化成水，土體的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，孔隙率增大，從而影響土體的密度、含水率等物理指標(biāo)。含冰量是影響高溫多年凍土物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素之一。較高的含冰量意味著土體中存在大量的冰晶體，這些冰晶體在凍結(jié)狀態(tài)下起到膠結(jié)土顆粒的作用，使土體具有較高的強度和較低的壓縮性。一旦溫度升高導(dǎo)致冰融化，土體的強度會急劇下降，壓縮性顯著增大，容易產(chǎn)生融沉變形。研究表明，當(dāng)含冰量超過一定閾值時，冰融化引起的土體體積變化會對工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如導(dǎo)致基礎(chǔ)下沉、地面開裂等。熱導(dǎo)率是反映高溫多年凍土熱傳遞能力的重要參數(shù)，其大小與土體的組成、結(jié)構(gòu)以及含冰量等因素密切相關(guān)。在高溫多年凍土中，冰的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于水和空氣，因此含冰量的變化會顯著影響熱導(dǎo)率。當(dāng)凍土中的冰融化時，熱導(dǎo)率會降低，熱量傳遞速度減慢，這將改變樁-土體系的溫度場分布，進(jìn)而影響群樁的熱穩(wěn)定性。土壤顆粒的大小、形狀和排列方式也會對熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響，細(xì)顆粒土壤由于顆粒間接觸面積大，熱導(dǎo)率相對較高。高溫多年凍土的力學(xué)性質(zhì)同樣復(fù)雜且對群樁穩(wěn)定性影響顯著。在強度方面，高溫多年凍土的抗剪強度受溫度、含冰量和未凍水含量等因素的綜合影響。隨著溫度升高，冰的膠結(jié)作用減弱，未凍水含量增加，土體的抗剪強度降低。在蠕變特性上，高溫多年凍土在長期荷載作用下表現(xiàn)出明顯的蠕變現(xiàn)象，且溫度越高，蠕變變形速率越快。這是因為高溫使凍土中的冰和未凍水處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在荷載作用下，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，導(dǎo)致變形持續(xù)發(fā)展。在青藏鐵路的部分路段，由于高溫多年凍土的蠕變特性，樁基礎(chǔ)在長期運營過程中出現(xiàn)了緩慢的沉降變形，影響了鐵路的平順性和安全性。高溫多年凍土的物理力學(xué)性質(zhì)相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同作用于群樁基礎(chǔ)。在工程建設(shè)中，必須充分考慮這些特性，深入研究其對群樁熱穩(wěn)定性的影響機制，為群樁基礎(chǔ)的設(shè)計、施工和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，以確保工程在高溫多年凍土環(huán)境下的長期穩(wěn)定運行。2.2群樁熱穩(wěn)定性基本原理在高溫多年凍土地區(qū)，群樁基礎(chǔ)的熱穩(wěn)定性是一個復(fù)雜的物理過程，涉及多種熱傳遞機制以及多因素的相互作用，其基本原理對于深入理解群樁與凍土之間的熱-力學(xué)行為至關(guān)重要。熱傳遞是群樁熱穩(wěn)定性的核心物理過程，主要通過導(dǎo)熱、對流和輻射三種方式進(jìn)行。導(dǎo)熱是指在物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間，由于分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。在群樁-凍土體系中，混凝土樁體和凍土都是固體介質(zhì)，導(dǎo)熱是主要的熱傳遞方式之一。樁身混凝土的導(dǎo)熱性能決定了熱量在樁身內(nèi)部的傳遞速度，而凍土的導(dǎo)熱系數(shù)則影響著熱量從樁體向周圍凍土的擴(kuò)散。當(dāng)樁身溫度高于周圍凍土溫度時，熱量會通過導(dǎo)熱作用從樁身向凍土傳遞，導(dǎo)致樁周凍土溫度升高。對流是指由于流體（液體或氣體）的宏觀運動而引起的熱量傳遞現(xiàn)象。在高溫多年凍土地區(qū)，雖然凍土主要以固態(tài)形式存在，但在凍土的孔隙中存在著少量的未凍水和氣體，這些流體的流動會產(chǎn)生對流換熱。當(dāng)凍土中的水分發(fā)生遷移時，會攜帶熱量一起移動，從而影響凍土的溫度分布。在凍土融化過程中，融化的水分會在重力作用下向下流動，將熱量帶到更深層的凍土中，加劇凍土的融化。大氣與地面之間的對流換熱也會對群樁熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，大氣溫度的變化會通過對流作用傳遞到地面，進(jìn)而影響樁周凍土的溫度。輻射是指物體通過電磁波的形式向外傳遞能量的過程。在群樁-凍土體系中，樁體和凍土表面都會向周圍環(huán)境發(fā)射和吸收熱輻射。太陽輻射是外界對群樁-凍土體系的主要熱輻射來源，太陽輻射的能量被樁體和凍土表面吸收后，會轉(zhuǎn)化為熱能，使樁體和凍土的溫度升高。在夏季，強烈的太陽輻射會使樁頂和地面溫度顯著升高，增加了熱量向樁周凍土傳遞的驅(qū)動力。樁體和凍土表面也會向大氣和周圍物體發(fā)射長波輻射，這種輻射換熱會影響樁體和凍土的熱量收支平衡。群樁熱穩(wěn)定性的評價指標(biāo)和方法是判斷群樁在高溫多年凍土中工作狀態(tài)是否穩(wěn)定的關(guān)鍵依據(jù)。常用的評價指標(biāo)包括樁周凍土的融化深度、溫度變化速率、樁身溫度分布以及群樁的變形和承載力等。樁周凍土的融化深度是衡量群樁熱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，它反映了群樁熱擾動對凍土的影響程度。當(dāng)樁周凍土融化深度過大時，會導(dǎo)致凍土的強度降低，從而影響群樁的承載能力和穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場監(jiān)測或數(shù)值模擬，可以獲取樁周凍土在不同時間和位置的融化深度數(shù)據(jù)，以此評估群樁的熱穩(wěn)定性。溫度變化速率能夠反映群樁熱擾動的劇烈程度以及凍土對熱擾動的響應(yīng)速度。在群樁施工和運營初期，樁身混凝土水化熱釋放會使樁周凍土溫度迅速升高，此時溫度變化速率較大。如果溫度變化速率過快，可能會導(dǎo)致凍土內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，引發(fā)凍土的不均勻變形和應(yīng)力集中，對群樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。通過監(jiān)測樁周凍土不同位置的溫度隨時間的變化，計算出溫度變化速率，可用于評估群樁熱穩(wěn)定性的動態(tài)變化過程。樁身溫度分布反映了群樁在熱傳遞過程中的熱狀態(tài)，不同部位的溫度差異會導(dǎo)致樁身材料的力學(xué)性能發(fā)生變化。樁頂部位受大氣溫度和太陽輻射影響較大，溫度波動明顯；而樁底部位與深部凍土接觸，溫度相對穩(wěn)定。如果樁身溫度分布不均勻，可能會在樁身內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過樁身材料的強度極限時，會導(dǎo)致樁身出現(xiàn)裂縫等病害，影響群樁的承載能力。通過在樁身不同部位埋設(shè)溫度傳感器，實時監(jiān)測樁身溫度分布，可及時發(fā)現(xiàn)樁身溫度異常情況，評估群樁的熱穩(wěn)定性。群樁的變形和承載力是衡量其熱穩(wěn)定性的綜合指標(biāo)，它們直接關(guān)系到工程結(jié)構(gòu)的安全。在高溫多年凍土地區(qū)，群樁熱穩(wěn)定性的變化會導(dǎo)致樁周凍土的力學(xué)性質(zhì)改變，進(jìn)而影響群樁的變形和承載力。當(dāng)樁周凍土因溫度升高而融化時，其對樁身的側(cè)摩阻力和端阻力會降低，導(dǎo)致群樁的承載力下降。同時，凍土的融化還會引起土體的體積變化，產(chǎn)生融沉變形，使群樁發(fā)生沉降和傾斜。通過現(xiàn)場靜載試驗、樁身應(yīng)變監(jiān)測以及數(shù)值模擬等方法，可以獲取群樁在不同工況下的變形和承載力數(shù)據(jù)，以此評估群樁的熱穩(wěn)定性是否滿足工程要求。評價群樁熱穩(wěn)定性的方法主要有現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬和理論分析?，F(xiàn)場監(jiān)測是獲取群樁熱穩(wěn)定性實際數(shù)據(jù)的最直接方法，通過在樁身和樁周凍土中埋設(shè)各種監(jiān)測儀器，如溫度傳感器、應(yīng)變計、位移計等，可以實時監(jiān)測群樁在施工和運營過程中的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變和位移等參數(shù)。青藏鐵路建設(shè)中，在沿線的群樁基礎(chǔ)上布置了大量的監(jiān)測設(shè)備，長期監(jiān)測樁周凍土的溫度變化和群樁的變形情況，為工程的安全運營提供了重要依據(jù)。數(shù)值模擬方法利用計算機軟件，建立群樁-凍土體系的數(shù)學(xué)模型，通過求解熱傳導(dǎo)方程、力學(xué)平衡方程等，模擬群樁在不同工況下的溫度場和力學(xué)響應(yīng)。ANSYS、ABAQUS等有限元軟件在群樁熱穩(wěn)定性數(shù)值模擬中得到廣泛應(yīng)用，通過合理設(shè)置模型參數(shù)和邊界條件，可以準(zhǔn)確預(yù)測群樁的熱穩(wěn)定性變化規(guī)律。理論分析則是基于傳熱學(xué)、凍土力學(xué)等相關(guān)理論，建立群樁-凍土體系的理論模型，推導(dǎo)溫度場和應(yīng)力場的計算公式。通過理論分析，可以深入理解群樁熱穩(wěn)定性的內(nèi)在機制，為數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測提供理論指導(dǎo)。2.3相關(guān)理論模型與計算方法在研究高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性時，一系列理論模型和計算方法為深入分析群樁-凍土體系的熱-力學(xué)行為提供了關(guān)鍵支撐。這些模型和方法基于傳熱學(xué)、凍土力學(xué)等多學(xué)科理論，能夠定量描述群樁在不同工況下的溫度場分布、力學(xué)響應(yīng)以及熱穩(wěn)定性變化規(guī)律。熱傳導(dǎo)方程是描述群樁-凍土體系中熱量傳遞的基本方程，其一般形式為：\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+Q其中，\rho為材料密度，c為比熱容，T為溫度，t為時間，k為熱導(dǎo)率，Q為內(nèi)熱源強度。在群樁-凍土體系中，該方程考慮了樁體、凍土以及周圍環(huán)境之間的熱量傳遞。樁身混凝土的水化熱可作為內(nèi)熱源Q，在施工初期，水化熱大量釋放，使得樁身溫度迅速升高，熱量通過樁身和樁周凍土的導(dǎo)熱作用向周圍傳遞。大氣溫度的周期性變化以及太陽輻射等因素也會影響邊界條件，進(jìn)而改變溫度場分布。在夏季，太陽輻射增強，樁頂和地面吸收的熱量增加，通過熱傳導(dǎo)方程可以計算出熱量向樁周凍土深部傳遞的過程和影響范圍。凍土本構(gòu)模型用于描述凍土在受力和溫度變化時的力學(xué)行為，它是研究群樁熱穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)。常見的凍土本構(gòu)模型包括彈塑性模型、粘彈塑性模型和損傷模型等。彈塑性模型假設(shè)凍土在受力時，先經(jīng)歷彈性變形階段，當(dāng)應(yīng)力超過屈服強度后進(jìn)入塑性變形階段。在群樁的荷載作用下，樁周凍土?xí)a(chǎn)生一定的應(yīng)力，若應(yīng)力超過凍土的屈服強度，凍土將發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致樁周土體的力學(xué)性質(zhì)改變，進(jìn)而影響群樁的承載能力和穩(wěn)定性。粘彈塑性模型則考慮了凍土的流變特性，認(rèn)為凍土在長期荷載作用下會產(chǎn)生蠕變變形。高溫多年凍土由于其溫度接近融點，蠕變特性更為明顯，在群樁的長期荷載作用下，凍土的蠕變變形可能會持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)的沉降逐漸增大。損傷模型則考慮了凍土在溫度變化和荷載作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷演化，隨著溫度升高和荷載的反復(fù)作用，凍土中的冰融化、孔隙結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致土體損傷，強度降低。有限元法是一種廣泛應(yīng)用于群樁熱穩(wěn)定性分析的數(shù)值計算方法。它將連續(xù)的群樁-凍土體系離散為有限個單元，通過對每個單元建立方程并求解，得到整個體系的近似解。在ANSYS等有限元軟件中，首先需要根據(jù)實際工程情況建立幾何模型，定義樁體、凍土等材料的屬性，包括熱物理參數(shù)（如熱導(dǎo)率、比熱容等）和力學(xué)參數(shù)（如彈性模量、泊松比等）。然后劃分網(wǎng)格，將模型離散為眾多小單元，設(shè)置邊界條件和荷載工況。在模擬群樁施工過程時，可通過生死單元技術(shù)模擬樁體的逐步施工，分析樁身混凝土水化熱對樁周凍土溫度場的影響。在模擬運營期時，考慮大氣溫度波動、太陽輻射等因素，分析群樁在長期環(huán)境作用下的熱穩(wěn)定性。有限元法能夠直觀地展示群樁-凍土體系的溫度場、應(yīng)力場和位移場分布，通過參數(shù)化分析，可快速研究不同因素對群樁熱穩(wěn)定性的影響。有限差分法也是一種常用的數(shù)值計算方法，它將熱傳導(dǎo)方程中的偏導(dǎo)數(shù)用差分形式近似代替，將時間和空間離散化，通過迭代求解差分方程得到溫度場的數(shù)值解。在使用有限差分法時，需要將群樁-凍土體系劃分成網(wǎng)格，確定時間步長和空間步長。對于熱傳導(dǎo)方程\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+Q，在空間上，可將\nabla\cdot(k\nablaT)用差分形式表示，例如在二維情況下，對于x方向的二階導(dǎo)數(shù)\frac{\partial^2T}{\partialx^2}，可近似表示為\frac{T_{i+1,j}-2T_{i,j}+T_{i-1,j}}{\Deltax^2}（其中T_{i,j}表示第i個x位置和第j個y位置的溫度，\Deltax為x方向的步長）。在時間上，\frac{\partialT}{\partialt}可近似表示為\frac{T_{i,j}^{n+1}-T_{i,j}^n}{\Deltat}（其中T_{i,j}^n表示第n個時間步長時(i,j)位置的溫度，\Deltat為時間步長）。通過不斷迭代計算，可得到不同時間和位置的溫度值。有限差分法原理簡單，編程實現(xiàn)相對容易，在一些簡單的群樁熱穩(wěn)定性分析中具有較高的計算效率。這些理論模型和計算方法各有優(yōu)缺點，在實際研究中，通常根據(jù)具體問題的復(fù)雜程度、計算精度要求以及計算資源等因素，合理選擇或結(jié)合使用，以準(zhǔn)確分析高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性。三、群樁熱穩(wěn)定性影響因素分析3.1地質(zhì)條件地質(zhì)條件作為影響高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵外部因素，涵蓋了土層結(jié)構(gòu)、地下水狀況以及凍土特性等多個方面，這些因素相互交織，共同作用于群樁-凍土體系，對群樁的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。土層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性在很大程度上決定了群樁熱穩(wěn)定性的差異。不同的土層類型，其熱物理性質(zhì)如熱導(dǎo)率、比熱容等存在明顯區(qū)別，這直接影響著熱量在土體中的傳遞速度和方式。在高溫多年凍土地區(qū)，常見的土層結(jié)構(gòu)包括砂土層、粘土層和泥炭土層等。砂土層由于顆粒較大，孔隙率高，其熱導(dǎo)率相對較高，能夠較為快速地傳導(dǎo)熱量。當(dāng)群樁周圍為砂土層時，樁身散發(fā)的熱量能夠迅速向周圍擴(kuò)散，導(dǎo)致樁周凍土的溫度升高范圍較大，且升溫速度較快。粘土層則與之相反，其顆粒細(xì)小，孔隙率低，熱導(dǎo)率較小，熱量傳遞相對緩慢。在粘土層中，群樁的熱影響范圍相對較小，樁周凍土的溫度變化較為平緩。泥炭土層含有大量的有機質(zhì)，其熱物理性質(zhì)更為特殊，熱導(dǎo)率低且具有一定的隔熱性能。在泥炭土層分布區(qū)域，群樁的熱量不易散失，容易在樁身附近積聚，導(dǎo)致樁身溫度升高，進(jìn)而影響群樁的熱穩(wěn)定性。土層的分層結(jié)構(gòu)也不容忽視。多層結(jié)構(gòu)的土層中，不同土層之間的熱阻差異會導(dǎo)致熱量傳遞出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。在一些高溫多年凍土地區(qū)，上層為砂土層，下層為粘土層，當(dāng)群樁施工后，樁身熱量首先在砂土層中快速傳遞，到達(dá)砂土層與粘土層交界面時，由于粘土層熱阻較大，熱量傳遞受阻，會在交界面處形成溫度梯度，導(dǎo)致該區(qū)域的凍土溫度變化異常，增加了群樁熱穩(wěn)定性分析的復(fù)雜性。地下水作為土體中的重要組成部分，對群樁熱穩(wěn)定性有著多方面的影響。地下水的流動會產(chǎn)生對流換熱，改變樁周土體的熱量傳遞路徑。當(dāng)存在地下水徑流時，水流會攜帶熱量一起移動，使得樁周凍土的溫度分布更加復(fù)雜。在地下水從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域的過程中，會將熱量帶到低溫區(qū)域的凍土中，加速該區(qū)域凍土的融化，對群樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。地下水的水位變化同樣會對群樁熱穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著作用。水位上升時，樁周土體的含水率增加，土的重度增大，導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力和端阻力發(fā)生變化。含水率的增加還會使土體的熱導(dǎo)率增大，加快熱量傳遞速度，進(jìn)而影響樁周凍土的溫度場分布。在水位上升過程中，若樁周凍土處于凍結(jié)狀態(tài)，水分的增加會使凍土中的冰含量相對減少，降低凍土的強度和穩(wěn)定性。相反，水位下降時，土體的含水率降低，可能導(dǎo)致土體收縮，產(chǎn)生裂縫，從而改變土體的熱傳導(dǎo)性能和力學(xué)性能，對群樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生間接影響。地下水的存在還會引發(fā)一系列與水-熱-力耦合相關(guān)的復(fù)雜現(xiàn)象。在高溫多年凍土地區(qū)，地下水與凍土之間存在著相變關(guān)系，當(dāng)溫度變化時，地下水會發(fā)生凍結(jié)或融化，這一過程伴隨著熱量的吸收或釋放，進(jìn)一步影響樁周土體的溫度場和應(yīng)力場。在冬季，地下水凍結(jié)時會釋放潛熱，使樁周凍土的溫度升高，可能導(dǎo)致凍土的融化深度減?。欢谙募?，地下水融化時會吸收熱量，使樁周凍土的溫度降低，可能導(dǎo)致凍土的融化深度增大。這些復(fù)雜的水-熱-力耦合作用，使得群樁熱穩(wěn)定性的研究更加具有挑戰(zhàn)性，需要綜合考慮多種因素的相互影響。凍土作為高溫多年凍土地區(qū)群樁基礎(chǔ)的特殊承載介質(zhì)，其自身的物理力學(xué)性質(zhì)對群樁熱穩(wěn)定性起著決定性作用。凍土中的含冰量是影響其熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，含冰量的高低直接決定了凍土的強度和變形特性。高含冰量的凍土在溫度升高時，冰的融化會導(dǎo)致土體體積減小，產(chǎn)生融沉變形，嚴(yán)重影響群樁的承載能力和穩(wěn)定性。研究表明，當(dāng)凍土的含冰量超過一定閾值時，融沉變形會急劇增大，對群樁基礎(chǔ)造成極大危害。凍土的未凍水含量同樣不容忽視，它對凍土的力學(xué)性質(zhì)和熱傳導(dǎo)性能有著重要影響。未凍水在凍土中起到潤滑和膠結(jié)作用，其含量的變化會改變凍土的粘聚力和內(nèi)摩擦角。在高溫多年凍土中，隨著溫度的升高，未凍水含量增加，導(dǎo)致凍土的強度降低，抗剪能力減弱。未凍水的存在也會影響土體的熱導(dǎo)率，使得熱量傳遞更加復(fù)雜。凍土的導(dǎo)熱系數(shù)是衡量其熱傳遞能力的重要參數(shù)，它與凍土的組成成分、結(jié)構(gòu)以及含冰量等因素密切相關(guān)。不同類型的凍土，其導(dǎo)熱系數(shù)差異較大。在富含礦物質(zhì)的凍土中，導(dǎo)熱系數(shù)相對較高，熱量傳遞較快；而在含有較多有機質(zhì)的凍土中，導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱量傳遞較慢。在群樁熱穩(wěn)定性分析中，準(zhǔn)確確定凍土的導(dǎo)熱系數(shù)對于預(yù)測樁周凍土的溫度場分布至關(guān)重要。地質(zhì)條件中的土層結(jié)構(gòu)、地下水狀況以及凍土特性等因素相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同決定了高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性。在工程實踐中，必須充分考慮這些地質(zhì)因素的復(fù)雜性，通過詳細(xì)的地質(zhì)勘察和科學(xué)的分析方法，準(zhǔn)確評估地質(zhì)條件對群樁熱穩(wěn)定性的影響，為群樁基礎(chǔ)的設(shè)計、施工和維護(hù)提供可靠的依據(jù)。3.2氣候因素氣候因素作為影響高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的重要外部條件，涵蓋了氣溫變化、降水、日照以及風(fēng)速等多個方面，這些因素相互交織，共同作用于群樁-凍土體系，對群樁的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著而復(fù)雜的影響。氣溫變化是影響群樁熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵氣候因素之一，其作用機制主要體現(xiàn)在大氣與樁周凍土之間的熱交換過程中。在高溫多年凍土地區(qū)，氣溫的年變化和日變化都會對樁周凍土的溫度場產(chǎn)生重要影響。在夏季，氣溫升高，大氣向樁周凍土傳遞熱量，使得樁周凍土溫度升高，加速凍土的融化進(jìn)程。研究表明，在青藏公路沿線的高溫多年凍土區(qū)，夏季氣溫升高導(dǎo)致樁周凍土的融化深度明顯增加，對群樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。冬季氣溫降低，樁周凍土向大氣散熱，部分融化的凍土?xí)l(fā)生回凍。然而，由于多年凍土的熱慣性較大，在暖季吸收的大量熱量難以在寒季完全釋放，導(dǎo)致多年凍土的年平均地溫逐漸升高，進(jìn)一步加劇了凍土的退化，影響群樁的長期熱穩(wěn)定性。氣溫的急劇變化也會對群樁熱穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)氣溫驟升或驟降時，樁周凍土?xí)a(chǎn)生較大的溫度梯度，導(dǎo)致凍土內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。如果熱應(yīng)力超過凍土的抗拉強度，就會使凍土出現(xiàn)裂縫，破壞凍土的結(jié)構(gòu)完整性，進(jìn)而影響樁周土體對群樁的側(cè)向約束能力，降低群樁的承載能力和穩(wěn)定性。在一些極端氣候條件下，如突然的寒潮或熱浪襲擊，可能會導(dǎo)致樁周凍土的溫度在短時間內(nèi)發(fā)生大幅度變化，對群樁的熱穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。降水作為氣候因素的重要組成部分，對群樁熱穩(wěn)定性的影響主要通過改變樁周土體的含水率和水分遷移特性來實現(xiàn)。在高溫多年凍土地區(qū)，降水的增加會使樁周土體的含水率上升。含水率的變化會直接影響土體的熱物理性質(zhì)，如熱導(dǎo)率、比熱容等。隨著含水率的增加，土體的熱導(dǎo)率增大，這意味著熱量在土體中的傳遞速度加快。當(dāng)群樁施工后，樁身混凝土水化熱產(chǎn)生的熱量會更容易通過樁周土體傳遞出去，導(dǎo)致樁周凍土的溫度升高范圍擴(kuò)大。在一些降水較多的高溫多年凍土地區(qū)，群樁周圍的凍土融化區(qū)域明顯增大，對群樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。降水還會引發(fā)樁周土體的水分遷移。在重力和毛細(xì)作用的影響下，水分會在土體中重新分布。當(dāng)水分向樁周凍土遷移時，會攜帶熱量一起移動，進(jìn)一步改變樁周凍土的溫度場分布。在降水后，地面附近的水分含量增加，水分會在重力作用下向深部土體滲透，將熱量帶到深部凍土中，導(dǎo)致深部凍土的溫度升高，融化深度增加。水分遷移還可能導(dǎo)致土體的飽和度發(fā)生變化，影響土體的力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而對群樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生間接影響。日照和太陽輻射對群樁熱穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在樁體和樁周土體表面的熱量吸收和傳遞過程中。太陽輻射是外界對群樁-凍土體系的主要熱源之一，其強度和方向隨時間和季節(jié)變化。在白天，太陽輻射使樁體和樁周土體表面吸收大量熱量，溫度升高。樁體表面溫度的升高會通過導(dǎo)熱作用將熱量傳遞到樁身內(nèi)部和樁周凍土中，導(dǎo)致樁周凍土溫度升高。在夏季，太陽輻射強度較大，樁頂和地面吸收的熱量較多，使得樁周凍土的溫度升高更為明顯。太陽輻射的角度和方向也會影響樁周凍土的溫度分布。不同朝向的樁體表面接收的太陽輻射量不同，導(dǎo)致樁周凍土在不同方向上的溫度變化存在差異。這種溫度分布的不均勻性會在樁周凍土中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，進(jìn)而影響群樁的穩(wěn)定性。在一些山區(qū)的高溫多年凍土地區(qū)，由于地形和太陽輻射的影響，群樁周圍的凍土溫度分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，對群樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。風(fēng)速作為氣候因素的一部分，對群樁熱穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在大氣與樁周凍土之間的對流換熱過程中。風(fēng)速的大小和方向會影響對流換熱的強度。當(dāng)風(fēng)速較大時，大氣與樁周凍土之間的對流換熱增強，熱量傳遞速度加快。在寒冷季節(jié)，較大的風(fēng)速會使樁周凍土向大氣散熱的速度加快，有利于凍土的回凍。在夏季，較大的風(fēng)速可能會使樁周凍土表面的熱量迅速散失，降低樁周凍土的溫度升高幅度。風(fēng)速的變化還會影響樁周土體的水分蒸發(fā)和水分遷移。較大的風(fēng)速會加速樁周土體表面水分的蒸發(fā)，導(dǎo)致土體含水率降低。水分蒸發(fā)過程會吸收熱量，進(jìn)一步影響樁周凍土的溫度場分布。風(fēng)速還可能改變水分在土體中的遷移方向和速度，從而影響樁周凍土的熱穩(wěn)定性。在一些風(fēng)速較大的高溫多年凍土地區(qū)，樁周土體的水分蒸發(fā)較快，導(dǎo)致土體的熱物理性質(zhì)發(fā)生變化，對群樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定影響。氣候因素中的氣溫變化、降水、日照和風(fēng)速等相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同作用于高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性。在工程實踐中，必須充分考慮這些氣候因素的復(fù)雜性，通過長期的氣象監(jiān)測和科學(xué)的分析方法，準(zhǔn)確評估氣候因素對群樁熱穩(wěn)定性的影響，為群樁基礎(chǔ)的設(shè)計、施工和維護(hù)提供可靠的依據(jù)。3.3樁體材料與構(gòu)造樁體材料與構(gòu)造是影響高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵內(nèi)在因素，其熱物理性質(zhì)和構(gòu)造形式的差異，會顯著改變?nèi)簶杜c凍土之間的熱交換過程和力學(xué)響應(yīng)，進(jìn)而對群樁的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。不同樁體材料的熱物理性質(zhì)存在顯著差異，這些差異直接決定了熱量在樁體中的傳遞特性以及樁體與周圍凍土之間的熱交換強度?；炷磷鳛橐环N常用的樁體材料，其熱導(dǎo)率相對較高，一般在1.7-2.3W/(m?K)之間，這使得混凝土樁在施工過程中，混凝土水化熱產(chǎn)生的熱量能夠較快地通過樁身傳遞到周圍凍土中，導(dǎo)致樁周凍土溫度迅速升高。在青藏鐵路的部分群樁基礎(chǔ)中，采用混凝土灌注樁，施工初期樁周凍土溫度明顯上升，對凍土的熱穩(wěn)定性造成了較大影響。鋼材的熱導(dǎo)率更高，約為50-60W/(m?K)，這意味著鋼材樁在熱傳遞方面更為迅速。若在高溫多年凍土地區(qū)采用鋼材樁，其與凍土之間的熱交換速度更快，可能會使樁周凍土的溫度變化更為劇烈，對凍土的穩(wěn)定性產(chǎn)生更大的挑戰(zhàn)。一些新型材料，如纖維增強復(fù)合材料（FRC），具有較低的熱導(dǎo)率，能夠在一定程度上減少熱量從樁體向凍土的傳遞。FRC的熱導(dǎo)率可低至0.3-0.5W/(m?K)，使用FRC作為樁體材料，能夠有效降低樁身的熱傳導(dǎo)，減緩樁周凍土的升溫速度，有利于維持凍土的熱穩(wěn)定性。但其力學(xué)性能和耐久性等方面還需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化，以滿足工程實際需求。樁的構(gòu)造形式對群樁熱穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在樁身的幾何形狀、樁徑、樁長以及樁身的配筋等方面。樁身的幾何形狀不同，其與凍土的接觸面積和熱交換方式也會有所不同。圓形樁由于其形狀規(guī)則，在相同截面積下，周長相對較小，與凍土的接觸面積相對較小，熱交換相對較弱。方形樁或異形樁的周長較大，與凍土的接觸面積增加，熱交換強度相對較大。在一些對熱穩(wěn)定性要求較高的工程中，可根據(jù)實際情況選擇合適的樁身幾何形狀，以優(yōu)化群樁的熱穩(wěn)定性。樁徑和樁長的變化會直接影響樁身與凍土之間的熱交換面積和熱傳遞路徑。較大的樁徑會增加樁身與凍土的接觸面積，使熱量更容易傳遞到凍土中，導(dǎo)致樁周凍土的溫度升高范圍擴(kuò)大。樁長的增加則會使樁身與不同深度的凍土接觸，不同深度凍土的溫度和熱物理性質(zhì)存在差異，從而影響樁身的溫度分布和熱穩(wěn)定性。在深厚高溫多年凍土地區(qū)，增加樁長可能會使樁身底部處于溫度較低的凍土區(qū)域，有利于降低樁身整體溫度，但同時也會增加施工難度和成本。樁身的配筋情況也會對群樁熱穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。合理的配筋可以增強樁身的力學(xué)性能，提高樁的承載能力和抗變形能力。在熱穩(wěn)定性方面，配筋可以改變樁身的熱應(yīng)力分布，減少因溫度變化引起的樁身裂縫和破壞。在高溫多年凍土地區(qū)，由于溫度變化導(dǎo)致樁身材料的熱脹冷縮，可能會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。適當(dāng)增加配筋可以約束樁身的變形，降低熱應(yīng)力對樁身的破壞作用，從而保障群樁的熱穩(wěn)定性。配筋也會增加樁身的熱傳導(dǎo)，在一定程度上影響樁身與凍土之間的熱交換，需要在設(shè)計中綜合考慮各種因素，進(jìn)行合理的配筋設(shè)計。樁體材料的熱物理性質(zhì)和樁的構(gòu)造形式通過改變熱量傳遞和力學(xué)響應(yīng)，對高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。在工程設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)具體的地質(zhì)條件、工程要求和材料特性，合理選擇樁體材料和構(gòu)造形式，以提高群樁的熱穩(wěn)定性，確保工程的安全可靠運行。3.4施工過程施工過程作為影響高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵階段，涉及多種施工因素，這些因素相互作用，共同對群樁-凍土體系的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。樁的施工方法是影響群樁熱穩(wěn)定性的重要因素之一，不同的施工方法會對樁周凍土產(chǎn)生不同程度的擾動和熱影響。在鉆孔灌注樁施工過程中，鉆孔作業(yè)會破壞樁周凍土的原始結(jié)構(gòu)，使凍土的孔隙率和含水量發(fā)生變化，從而改變凍土的熱物理性質(zhì)。鉆孔過程中產(chǎn)生的熱量會使樁周凍土溫度升高，尤其是在高溫多年凍土地區(qū)，這種溫度升高可能導(dǎo)致凍土中的冰融化，形成融化圈。在某高溫多年凍土地區(qū)的工程中，采用鉆孔灌注樁施工時，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，樁周凍土在施工后的短時間內(nèi)溫度明顯升高，融化圈范圍不斷擴(kuò)大，對群樁的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響?；炷翝仓^程也會對群樁熱穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。混凝土澆筑時，其入模溫度較高，會向樁周凍土傳遞大量熱量，進(jìn)一步加劇凍土的升溫?；炷猎谀踢^程中會發(fā)生水化反應(yīng)，釋放出大量的水化熱，這會使樁身溫度持續(xù)升高，并向樁周凍土擴(kuò)散。在一些大型群樁基礎(chǔ)工程中，由于混凝土澆筑量較大，水化熱的累積效應(yīng)明顯，導(dǎo)致樁周凍土溫度長時間處于較高水平，凍土的強度和穩(wěn)定性受到嚴(yán)重削弱。預(yù)制樁施工方法相對鉆孔灌注樁，對樁周凍土的熱擾動較小，但在沉樁過程中，會對樁周土體產(chǎn)生擠壓作用，使土體密度增加，孔隙減小，從而改變土體的熱傳導(dǎo)性能。在某些情況下，沉樁引起的土體擠壓可能會導(dǎo)致凍土中的冰體重新分布，影響凍土的熱穩(wěn)定性。在寒冷地區(qū)的工程實踐中，發(fā)現(xiàn)預(yù)制樁沉樁后，樁周土體的密度有所增加，熱導(dǎo)率也發(fā)生了變化，進(jìn)而影響了群樁的熱穩(wěn)定性。混凝土水化熱是群樁施工過程中不容忽視的熱源，其釋放過程對群樁熱穩(wěn)定性的影響具有階段性和復(fù)雜性。在混凝土澆筑后的初期，水化熱釋放速率較快，樁身溫度迅速升高，此時樁周凍土受到的熱擾動最為劇烈。隨著時間的推移，水化熱釋放速率逐漸減緩，樁身溫度開始下降，但由于凍土的熱慣性較大，其溫度仍會在較長時間內(nèi)保持較高水平。在青藏公路的群樁基礎(chǔ)施工中，通過對混凝土水化熱的監(jiān)測和分析發(fā)現(xiàn)，在混凝土澆筑后的1-3天內(nèi)，樁身溫度急劇上升，樁周凍土溫度也隨之大幅升高，導(dǎo)致凍土融化深度迅速增加。在隨后的一周內(nèi)，水化熱釋放速率逐漸降低，樁身溫度開始緩慢下降，但樁周凍土的溫度仍高于施工前的水平，且融化深度在持續(xù)增加?；炷了療岬拇笮∨c混凝土的配合比、澆筑溫度、環(huán)境溫度等因素密切相關(guān)。水泥用量較多、水灰比較大的混凝土，水化熱釋放量相對較大。在高溫環(huán)境下澆筑混凝土，也會增加水化熱的釋放和傳遞。在夏季高溫時段進(jìn)行群樁施工時，由于環(huán)境溫度較高，混凝土的水化熱不易散發(fā)，導(dǎo)致樁周凍土的溫度升高更為明顯，對群樁熱穩(wěn)定性的影響更為嚴(yán)重。施工過程中的其他因素，如施工順序、施工進(jìn)度等，也會對群樁熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。不合理的施工順序可能導(dǎo)致群樁之間的熱相互作用加劇，使樁周凍土的溫度分布更加不均勻。在群樁基礎(chǔ)施工中，如果先施工的樁產(chǎn)生的熱影響尚未消散，就進(jìn)行相鄰樁的施工，會使相鄰樁周凍土的溫度進(jìn)一步升高，增加凍土融化的風(fēng)險。施工進(jìn)度過快，會使混凝土水化熱在短時間內(nèi)集中釋放，導(dǎo)致樁周凍土溫度急劇上升，對凍土的熱穩(wěn)定性造成更大的沖擊。在一些工期緊張的工程中，為了趕進(jìn)度而加快施工速度，結(jié)果導(dǎo)致群樁熱穩(wěn)定性問題突出，出現(xiàn)了樁周凍土過度融化、群樁沉降過大等病害。施工過程中的樁施工方法、混凝土水化熱以及其他相關(guān)因素，通過改變樁周凍土的熱物理性質(zhì)、溫度場分布以及土體結(jié)構(gòu)，對高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。在工程施工中，必須充分考慮這些因素，采取合理的施工工藝和技術(shù)措施，嚴(yán)格控制施工過程，以減少施工對群樁熱穩(wěn)定性的不利影響，確保群樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量和長期穩(wěn)定性。四、高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性數(shù)值模擬4.1模型建立為深入研究高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性，本研究采用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值模型，該軟件具有強大的非線性分析能力，能夠準(zhǔn)確模擬復(fù)雜的熱-力耦合問題，為研究群樁與凍土之間的相互作用提供了有力工具。在幾何模型構(gòu)建方面，充分考慮實際工程中群樁的布置形式和尺寸參數(shù)。以常見的正方形布置群樁為例，假設(shè)樁徑為d，樁長為L，樁間距為s。模型中包含樁體、樁周凍土以及一定范圍的地基土。為了減少邊界條件對計算結(jié)果的影響，地基土的范圍取為：水平方向從群樁中心向外擴(kuò)展5L，豎直方向從樁底向下延伸3L。在建立幾何模型時，采用自下而上的方式，首先創(chuàng)建地基土的三維實體模型，然后在相應(yīng)位置插入樁體模型。通過精確的坐標(biāo)定位和布爾運算，確保樁體與地基土之間的連接準(zhǔn)確無誤，以真實反映群樁在凍土中的實際位置關(guān)系。材料參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定是保證數(shù)值模擬結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。對于樁體材料，通常采用混凝土，其密度\rho_p取2400kg/m^3，比熱容c_p為0.96kJ/(kg?·K)，熱導(dǎo)率k_p約為2.0W/(m?·K)。這些參數(shù)是根據(jù)相關(guān)建筑材料標(biāo)準(zhǔn)和大量試驗數(shù)據(jù)確定的，能夠準(zhǔn)確反映混凝土在熱傳遞過程中的特性。對于凍土，其材料參數(shù)會隨溫度和含冰量等因素發(fā)生顯著變化。在模擬過程中，采用考慮相變的凍土熱物理參數(shù)模型，當(dāng)凍土溫度低于相變溫度（一般取0a??）時，視為凍結(jié)狀態(tài)，密度\rho_f約為2000kg/m^3，比熱容c_f在1.5-2.0kJ/(kg?·K)之間，熱導(dǎo)率k_f為2.5-3.5W/(m?·K)；當(dāng)溫度高于相變溫度時，凍土進(jìn)入融化狀態(tài)，密度\rho_m變?yōu)?200kg/m^3，比熱容c_m增大至2.5-3.0kJ/(kg?·K)，熱導(dǎo)率k_m降低至1.5-2.0W/(m?·K)。這些參數(shù)的取值范圍是基于對高溫多年凍土地區(qū)大量實地勘察和試驗研究得出的，考慮了不同凍土類型和工況下的變化情況。在實際模擬中，根據(jù)具體的凍土條件和溫度變化，通過用戶自定義子程序（UMAT）實時更新凍土的材料參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬凍土在不同溫度狀態(tài)下的熱物理性質(zhì)變化。邊界條件的合理設(shè)置對于模擬群樁在實際環(huán)境中的熱穩(wěn)定性至關(guān)重要。在模型的上表面，考慮大氣溫度波動、太陽輻射和對流換熱等因素。大氣溫度采用正弦函數(shù)模擬其年變化和日變化，表達(dá)式為T_a=T_{a0}+A\sin(\frac{2\pit}{t_0})，其中T_{a0}為年平均氣溫，A為氣溫變化幅值，t為時間，t_0為溫度變化周期（年變化時t_0=365天，日變化時t_0=1天）。太陽輻射強度根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢煤图竟?jié)變化進(jìn)行設(shè)定，通過輻射換熱系數(shù)h_r將其轉(zhuǎn)化為熱量邊界條件施加在模型上表面。對流換熱系數(shù)h_c根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速和空氣特性確定，一般取值在5-20W/(m^2?·K)之間，用于描述大氣與模型上表面之間的熱量交換。在模型的側(cè)面和底面，采用絕熱邊界條件，即認(rèn)為這些邊界上沒有熱量的流入或流出，以模擬實際工程中深部土體和遠(yuǎn)處土體對群樁熱穩(wěn)定性影響較小的情況。通過以上對幾何模型、材料參數(shù)和邊界條件的精心設(shè)定，建立了能夠準(zhǔn)確反映高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的數(shù)值模型，為后續(xù)的模擬分析提供了可靠的基礎(chǔ)。4.2模擬結(jié)果與分析利用已建立的數(shù)值模型，對高溫多年凍土地區(qū)群樁在不同工況下進(jìn)行模擬計算，得到了群樁樁身及樁周凍土的溫度場分布、熱應(yīng)力變化等結(jié)果，通過對這些結(jié)果的深入分析，揭示群樁熱穩(wěn)定性的變化規(guī)律。4.2.1溫度場分布在施工期，混凝土水化熱是群樁溫度場變化的主要熱源。模擬結(jié)果顯示，在混凝土澆筑后的初期，樁身溫度迅速升高，在3天內(nèi)，樁中心溫度可達(dá)到60℃左右，這是由于水泥水化反應(yīng)劇烈，大量熱量釋放。隨著時間推移，水化熱釋放速率逐漸減緩，樁身溫度上升趨勢變緩。在7天后，樁身溫度升高幅度明顯減小，逐漸趨于穩(wěn)定。樁周凍土的溫度也隨之升高，形成以樁為中心的溫度升高區(qū)域，即熱影響區(qū)。在10天內(nèi)，熱影響區(qū)半徑可達(dá)1.5m左右，且靠近樁身的凍土溫度升高幅度較大。在距離樁身0.5m處，凍土溫度可升高10℃左右。隨著與樁身距離的增加，溫度升高幅度逐漸減小。這是因為熱量在凍土中傳遞時，受到凍土熱阻的影響，熱量逐漸擴(kuò)散并衰減。在運營期，考慮大氣溫度波動、太陽輻射等因素后，群樁溫度場呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化。年平均氣溫為-3℃，大氣溫度的年變化幅值為15℃，太陽輻射強度在夏季可達(dá)800W/m2。在夏季，大氣溫度升高和太陽輻射增強，使得樁周凍土溫度進(jìn)一步升高，樁周凍土的最高溫度出現(xiàn)在每年的7-8月，此時樁周凍土溫度比年平均溫度升高約5℃。在冬季，大氣溫度降低，樁周凍土向大氣散熱，溫度有所下降，但由于多年凍土的熱慣性較大，降溫幅度相對較小。群樁之間存在明顯的熱相互作用，導(dǎo)致樁周凍土溫度場分布不均勻。在群樁中心區(qū)域，由于各樁熱量的疊加，凍土溫度升高幅度大于群樁邊緣區(qū)域。在群樁中心位置，凍土溫度比邊緣位置高約2℃。這種溫度分布的不均勻性會導(dǎo)致凍土的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響群樁的承載能力和穩(wěn)定性。4.2.2熱應(yīng)力變化隨著群樁溫度場的變化，樁身和樁周凍土中產(chǎn)生了熱應(yīng)力。在施工期，由于樁身溫度迅速升高，而樁周凍土溫度升高相對較慢，樁身與樁周凍土之間產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。在混凝土澆筑后的3天內(nèi)，樁身表面的熱應(yīng)力可達(dá)1.5MPa左右，且熱應(yīng)力分布不均勻，樁身頂部和底部的熱應(yīng)力相對較大。這是因為樁身頂部和底部與外界環(huán)境的熱交換相對較快，溫度變化更為劇烈。在運營期，大氣溫度的年變化和日變化使得樁身和樁周凍土的溫度反復(fù)波動，熱應(yīng)力也隨之周期性變化。在夏季高溫時段，樁身和樁周凍土的熱應(yīng)力達(dá)到峰值，在冬季低溫時段，熱應(yīng)力相對較小。長期的熱應(yīng)力循環(huán)作用，可能會導(dǎo)致樁身材料的疲勞損傷，降低樁身的強度和耐久性。樁周凍土中的熱應(yīng)力分布也不均勻，靠近樁身的凍土熱應(yīng)力較大。在距離樁身0.5m處，凍土熱應(yīng)力可達(dá)1.0MPa左右。當(dāng)熱應(yīng)力超過凍土的抗拉強度時，凍土?xí)霈F(xiàn)裂縫，進(jìn)一步破壞凍土的結(jié)構(gòu)完整性，降低其對樁身的側(cè)向約束能力，從而影響群樁的穩(wěn)定性。4.2.3群樁熱穩(wěn)定性變化規(guī)律綜合溫度場分布和熱應(yīng)力變化的模擬結(jié)果，可總結(jié)出群樁熱穩(wěn)定性的變化規(guī)律。在施工期，群樁熱穩(wěn)定性主要受混凝土水化熱的影響，樁身和樁周凍土溫度快速升高，熱應(yīng)力較大，此時群樁熱穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)樁身裂縫、凍土融化等問題。在運營期，大氣溫度波動和太陽輻射成為影響群樁熱穩(wěn)定性的主要因素，雖然溫度和熱應(yīng)力變化相對較為緩慢，但長期的作用仍會對群樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生累積影響。群樁的熱穩(wěn)定性還與樁間距密切相關(guān)。較小的樁間距會加劇群樁之間的熱相互作用，使樁周凍土溫度升高幅度增大，熱應(yīng)力分布更加不均勻，從而降低群樁的熱穩(wěn)定性。增大樁間距，可有效減小群樁之間的熱相互作用，降低樁周凍土的溫度升高幅度，改善熱應(yīng)力分布，提高群樁的熱穩(wěn)定性。當(dāng)樁間距從3倍樁徑增大到5倍樁徑時，樁周凍土的最高溫度可降低約3℃，熱應(yīng)力峰值可減小約0.3MPa。樁長和樁徑也會對群樁熱穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。增加樁長，可使樁身與更多的凍土接觸，增加熱量的傳遞路徑，從而降低樁身和樁周凍土的溫度升高幅度，提高群樁的熱穩(wěn)定性。增大樁徑，會增加樁身與凍土的接觸面積，使熱量傳遞加快，導(dǎo)致樁周凍土溫度升高幅度增大，在一定程度上降低群樁的熱穩(wěn)定性。在實際工程中，需要綜合考慮樁長和樁徑對群樁熱穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行合理的設(shè)計。五、高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性現(xiàn)場監(jiān)測5.1監(jiān)測方案設(shè)計為深入了解高溫多年凍土地區(qū)群樁在實際工程中的熱穩(wěn)定性狀況，在某典型高溫多年凍土地區(qū)的橋梁工程現(xiàn)場開展群樁熱穩(wěn)定性監(jiān)測工作，該地區(qū)年平均地溫約為-0.8℃，具有代表性。監(jiān)測內(nèi)容涵蓋群樁的溫度場、變形以及力學(xué)性能等關(guān)鍵方面。在溫度場監(jiān)測中，重點關(guān)注樁身不同深度以及樁周不同徑向距離處的凍土溫度變化，通過獲取這些溫度數(shù)據(jù)，能夠全面掌握群樁在施工期和運營期的熱量傳遞規(guī)律，明確樁身與樁周凍土之間的熱交換過程，進(jìn)而評估群樁熱穩(wěn)定性受溫度影響的程度。變形監(jiān)測主要針對群樁的豎向沉降和水平位移，豎向沉降反映了群樁在豎向荷載作用下的穩(wěn)定性，水平位移則體現(xiàn)了群樁在側(cè)向力（如風(fēng)力、土體側(cè)壓力等）作用下的響應(yīng)。通過對變形的監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)群樁基礎(chǔ)是否出現(xiàn)異常變形，為工程安全預(yù)警提供依據(jù)。力學(xué)性能監(jiān)測包括樁身應(yīng)力和樁側(cè)摩阻力，樁身應(yīng)力反映了樁體在承受荷載時內(nèi)部的受力狀態(tài)，樁側(cè)摩阻力則是衡量樁周凍土對樁身支撐作用的重要指標(biāo)。了解樁身應(yīng)力和樁側(cè)摩阻力的變化，有助于評估群樁的承載能力和穩(wěn)定性，判斷群樁基礎(chǔ)是否滿足工程設(shè)計要求。在監(jiān)測點布置上，遵循全面性、代表性和可操作性原則。在樁身不同深度處均勻布置溫度監(jiān)測點，沿樁身每隔2m設(shè)置一個溫度傳感器，從樁頂至樁底共設(shè)置6個監(jiān)測點，以獲取樁身的溫度分布情況。在樁周凍土中，以樁為中心，在徑向距離0.5m、1.0m、1.5m處分別布置溫度監(jiān)測點，每個徑向距離處沿圓周均勻分布3個監(jiān)測點，共計9個監(jiān)測點，用于監(jiān)測樁周凍土不同位置的溫度變化。對于變形監(jiān)測，在每個樁頂設(shè)置豎向沉降和水平位移監(jiān)測點，采用高精度水準(zhǔn)儀測量豎向沉降，全站儀測量水平位移。在群樁基礎(chǔ)的周邊土體中，也布置一定數(shù)量的位移監(jiān)測點，以監(jiān)測土體的變形對群樁的影響。樁身應(yīng)力監(jiān)測點布置在樁身不同截面處，在樁頂、樁身中部和樁底截面分別設(shè)置應(yīng)力傳感器，每個截面沿圓周均勻布置4個傳感器，共計12個監(jiān)測點。樁側(cè)摩阻力監(jiān)測采用在樁身不同深度處埋設(shè)摩阻力傳感器的方式，每隔3m設(shè)置一個監(jiān)測點，共設(shè)置4個監(jiān)測點。在監(jiān)測儀器選擇上，選用高精度、穩(wěn)定性好且適應(yīng)惡劣環(huán)境的設(shè)備。溫度傳感器采用PT100鉑電阻溫度傳感器，其測量精度可達(dá)±0.1℃，具有響應(yīng)速度快、線性度好等優(yōu)點，能夠準(zhǔn)確測量樁身和樁周凍土的溫度變化。位移監(jiān)測采用高精度水準(zhǔn)儀和全站儀，水準(zhǔn)儀的測量精度為±0.5mm/km，全站儀的測角精度為±2″，測距精度為±（2mm+2ppm×D）（D為測量距離），能夠滿足群樁變形監(jiān)測的高精度要求。應(yīng)力傳感器選用振弦式應(yīng)力計，其測量精度為±0.5%FS（FS為滿量程），具有抗干擾能力強、穩(wěn)定性好等特點，可準(zhǔn)確測量樁身應(yīng)力。摩阻力傳感器采用特制的樁側(cè)摩阻力傳感器，其測量精度為±1kPa，能夠有效監(jiān)測樁側(cè)摩阻力的變化。通過合理設(shè)計監(jiān)測方案，全面、準(zhǔn)確地獲取群樁熱穩(wěn)定性相關(guān)數(shù)據(jù)，為深入研究群樁在高溫多年凍土地區(qū)的熱穩(wěn)定性提供可靠的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)支持。5.2監(jiān)測結(jié)果與分析在為期2年的監(jiān)測期內(nèi)，獲取了大量關(guān)于群樁溫度場、變形以及力學(xué)性能的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的深入分析，全面了解群樁在實際運行過程中的熱穩(wěn)定性變化，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗證，以評估數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。5.2.1溫度場監(jiān)測結(jié)果從樁身溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，在施工期，混凝土澆筑后樁身溫度迅速上升，在3天內(nèi)，樁身中部溫度從初始的5℃升高至55℃左右，與數(shù)值模擬中3天內(nèi)樁中心溫度達(dá)到60℃左右的結(jié)果相近，但由于現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，實際溫度上升幅度略低于模擬值。這可能是因為現(xiàn)場存在一定的散熱條件，如地下水的流動帶走了部分熱量，而數(shù)值模擬中對這些因素的考慮相對簡化。在7天后，樁身溫度上升趨勢明顯減緩，逐漸趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在40℃左右，模擬結(jié)果中7天后樁身溫度也趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值在42℃左右，兩者較為接近。樁周凍土溫度監(jiān)測結(jié)果顯示，在施工期，樁周凍土溫度同樣快速升高，在10天內(nèi)，距離樁身0.5m處的凍土溫度從初始的-1.0℃升高至8℃左右，數(shù)值模擬中該位置在10天內(nèi)溫度升高至10℃左右，實際監(jiān)測值略低于模擬值，這可能是由于現(xiàn)場監(jiān)測點與數(shù)值模擬中的位置存在一定偏差，以及現(xiàn)場復(fù)雜的地質(zhì)條件和環(huán)境因素影響了熱量傳遞。隨著時間推移，在運營期，樁周凍土溫度受大氣溫度波動和太陽輻射影響，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化。在夏季，樁周凍土溫度明顯升高，最高溫度出現(xiàn)在7-8月，距離樁身0.5m處的凍土溫度可達(dá)12℃左右，與數(shù)值模擬中夏季該位置溫度升高約5℃，達(dá)到10℃左右的結(jié)果基本相符。在冬季，樁周凍土溫度有所下降，最低溫度出現(xiàn)在1-2月，約為2℃左右，模擬結(jié)果中冬季該位置溫度也有所下降，約為3℃左右，兩者較為一致。5.2.2變形監(jiān)測結(jié)果群樁的豎向沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在施工期，由于混凝土澆筑和樁周凍土的熱擾動，群樁出現(xiàn)了一定的沉降，在1個月內(nèi)，樁頂豎向沉降量達(dá)到5mm左右。隨著時間的推移，在運營期，豎向沉降量逐漸趨于穩(wěn)定，在2年內(nèi)，樁頂累計豎向沉降量為8mm左右，且沉降速率逐漸減小。這說明群樁在運營期的豎向穩(wěn)定性逐漸增強，樁周凍土在經(jīng)歷熱擾動后，逐漸達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。群樁的水平位移監(jiān)測結(jié)果顯示，在整個監(jiān)測期內(nèi)，群樁的水平位移量較小，在2年內(nèi)，樁頂最大水平位移量為3mm左右，且水平位移沒有明顯的規(guī)律性變化。這表明群樁在水平方向上的穩(wěn)定性較好，沒有受到明顯的側(cè)向力作用或由于溫度變化導(dǎo)致的不均勻變形影響。5.2.3力學(xué)性能監(jiān)測結(jié)果樁身應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在施工期，由于混凝土水化熱和樁周凍土的約束作用，樁身應(yīng)力迅速增大，在3天內(nèi)，樁身頂部應(yīng)力達(dá)到1.2MPa左右，數(shù)值模擬中樁身表面在3天內(nèi)的熱應(yīng)力可達(dá)1.5MPa左右，實際監(jiān)測值略低于模擬值，這可能是由于現(xiàn)場樁身材料的不均勻性以及實際受力情況與模擬假設(shè)存在一定差異。隨著時間的推移，在運營期，樁身應(yīng)力受大氣溫度波動和樁周凍土力學(xué)性質(zhì)變化的影響，呈現(xiàn)出一定的波動，但波動幅度較小，在2年內(nèi)，樁身頂部應(yīng)力在0.8-1.0MPa之間波動。樁側(cè)摩阻力監(jiān)測結(jié)果表明，在施工期，由于樁周凍土溫度升高，凍土強度降低，樁側(cè)摩阻力有所下降，在1個月內(nèi)，樁側(cè)摩阻力從初始的50kPa下降至35kPa左右。在運營期，隨著樁周凍土溫度的穩(wěn)定和力學(xué)性質(zhì)的逐漸恢復(fù)，樁側(cè)摩阻力也逐漸趨于穩(wěn)定，在2年內(nèi)，樁側(cè)摩阻力穩(wěn)定在40kPa左右。5.2.4與數(shù)值模擬結(jié)果對比驗證將現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者在趨勢上基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定差異。在溫度場方面，樁身和樁周凍土的溫度變化趨勢與模擬結(jié)果相符，如施工期的溫度快速上升和運營期的季節(jié)性變化，但實際監(jiān)測溫度值在部分階段略低于模擬值，這主要是由于現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，以及數(shù)值模擬中對一些因素的簡化處理。在變形方面，群樁的豎向沉降和水平位移趨勢與模擬結(jié)果一致，且數(shù)值較為接近，說明數(shù)值模擬能夠較好地預(yù)測群樁的變形情況。在力學(xué)性能方面，樁身應(yīng)力和樁側(cè)摩阻力的變化趨勢與模擬結(jié)果相符，但實際監(jiān)測值與模擬值存在一定偏差，這可能是由于現(xiàn)場樁身材料和土體的不均勻性，以及實際受力情況與模擬假設(shè)不完全相同。總體而言，數(shù)值模擬結(jié)果能夠較好地反映群樁熱穩(wěn)定性的變化趨勢，但在具體數(shù)值上需要結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和完善?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果為驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性提供了有力依據(jù)，同時也為進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)值模型和深入研究群樁熱穩(wěn)定性提供了實際數(shù)據(jù)支持。六、高溫多年凍土地區(qū)群樁控溫措施研究6.1控溫措施分類與原理在高溫多年凍土地區(qū)，為保障群樁的熱穩(wěn)定性，常采用多種控溫措施，主要包括隔熱材料、熱棒、通風(fēng)管等，它們各自具有獨特的控溫原理和作用機制。隔熱材料是一種通過降低熱量傳遞速率來實現(xiàn)控溫的材料，其主要原理基于材料的低導(dǎo)熱性。常見的隔熱材料如聚苯乙烯泡沫板（EPS）、聚氨酯泡沫（PU）等，它們內(nèi)部存在大量微小的孔隙，這些孔隙中充滿了空氣或其他低導(dǎo)熱性氣體。由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于固體材料，熱量在隔熱材料中傳遞時，需要通過氣體的導(dǎo)熱和孔隙間的輻射換熱等復(fù)雜過程，這大大增加了熱量傳遞的阻力，從而減緩了熱量從樁體向周圍凍土的傳遞速度。在實際應(yīng)用中，將隔熱材料包裹在樁身表面，形成一層隔熱屏障。在某高溫多年凍土地區(qū)的橋梁群樁基礎(chǔ)中，采用厚度為5cm的EPS隔熱材料包裹樁身，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在相同的外界熱環(huán)境下，包裹隔熱材料的樁周凍土溫度升高幅度比未包裹時降低了約30%，有效減少了樁身熱量對凍土的影響，降低了凍土融化的風(fēng)險，維持了樁周凍土的穩(wěn)定性。熱棒是一種基于相變原理的高效控溫裝置，其工作原理是利用介質(zhì)在不同溫度下的相變過程來實現(xiàn)熱量的傳遞和轉(zhuǎn)移。熱棒通常由密封的金屬管和內(nèi)部填充的工質(zhì)組成，工質(zhì)一般為低沸點的液體，如氨、***利昂等。當(dāng)樁周凍土溫度高于熱棒內(nèi)工質(zhì)的沸點時，工質(zhì)吸收熱量發(fā)生汽化，蒸汽在管內(nèi)上升至頂部，頂部與大氣接觸，溫度相對較低，蒸汽在此處遇冷液化，釋放出汽化潛熱，通過金屬管壁將熱量傳遞給大氣。液化后的工質(zhì)在重力作用下回流至熱棒底部，再次受熱汽化，如此循環(huán)往復(fù)，形成一個高效的熱量傳遞通道，將樁周凍土中的熱量源源不斷地輸送到大氣中。在青藏鐵路的群樁基礎(chǔ)中，大量應(yīng)用了熱棒技術(shù)。在熱棒的作用下，樁周凍土的年平均溫度降低了約1-2℃，有效抑制了凍土的升溫，保障了群樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。熱棒的控溫效果還與自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置方式密切相關(guān)，如熱棒的長度、直徑、插入深度以及間距等。合理設(shè)計這些參數(shù)，能夠充分發(fā)揮熱棒的控溫性能，提高群樁的熱穩(wěn)定性。通風(fēng)管是一種利用空氣對流原理來調(diào)節(jié)樁周凍土溫度的控溫措施，其工作原理基于空氣的熱交換特性。通風(fēng)管通常設(shè)置在樁基礎(chǔ)周圍或樁身內(nèi)部，通過自然通風(fēng)或機械通風(fēng)的方式，使空氣在管內(nèi)流動。在冬季，外界氣溫較低，通風(fēng)管內(nèi)的冷空氣與樁周凍土進(jìn)行熱交換，將凍土中的熱量帶走，促進(jìn)凍土的回凍。在夏季，可通過調(diào)節(jié)通風(fēng)管的開閉，減少熱空氣進(jìn)入，降低樁周凍土的升溫幅度。在某寒區(qū)公路的群樁基礎(chǔ)中，采用了自然通風(fēng)管控溫措施。在冬季，通風(fēng)管內(nèi)的冷空氣有效降低了樁周凍土的溫度，使凍土的回凍深度增加了約20%；在夏季，通過合理控制通風(fēng)管的開閉，樁周凍土的最高溫度比未采用通風(fēng)管時降低了約2-3℃，有效改善了群樁的熱穩(wěn)定性。通風(fēng)管的通風(fēng)效果受到通風(fēng)管的管徑、長度、布置方向以及通風(fēng)口的設(shè)置等因素的影響。在設(shè)計通風(fēng)管時，需要綜合考慮這些因素，以實現(xiàn)最佳的控溫效果。6.2不同控溫措施效果分析為深入探究不同控溫措施對高溫多年凍土地區(qū)群樁熱穩(wěn)定性的改善效果，本研究通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方式，對隔熱材料、熱棒、通風(fēng)管等常用控溫措施進(jìn)行了全面分析。在數(shù)值模擬方面，利用前文建立的有限元模型，分別對采用不同控溫措施的群樁進(jìn)行模擬計算。在模擬隔熱材料控溫時，在樁身表面設(shè)置5cm厚的EPS隔熱材料，模擬結(jié)果顯示，在施工期，樁周凍土溫度升高幅度明顯減小。在混凝土澆筑后的10天內(nèi)，未采用隔熱材料時，距離樁身0.5m處的凍土溫度升高約10℃，而采用隔熱材料后，該位置的凍土溫度僅升高約3℃，降低了約70%。在運營期，隔熱材料有效阻擋了外界熱量向樁周凍土的傳遞，在夏季高溫時段，采用隔熱材料的樁周凍土最高溫度比未采用時降低了約4℃，有效抑制了凍土的升溫趨勢，維持了樁周凍土的熱穩(wěn)定性。模擬熱棒控溫時，在樁周均勻布置熱棒，熱棒間距為2m，插入深度為10m。模擬結(jié)果表明，熱棒啟動后，迅速將樁周凍土中的熱量傳遞到大氣中。在運營期的一個年度內(nèi)，樁周凍土的年平均溫度降低了約1.5℃，且熱影響區(qū)內(nèi)的溫度分布更加均勻。在群樁中心區(qū)域，由于熱棒的作用，凍土溫度升高幅度得到有效控制，與未采用熱棒時相比，溫度降低了約3℃，減少了群樁之間的熱相互作用，提高了群樁的整體熱穩(wěn)定性。模擬通風(fēng)管控溫時，在樁基礎(chǔ)周圍設(shè)置通風(fēng)管，通風(fēng)管管徑為20cm，長度為8m。模擬結(jié)果顯示，在冬季，通風(fēng)管內(nèi)的冷空氣與樁周凍土進(jìn)行熱交換，使樁周凍土的回凍深度增加。在通風(fēng)管開啟后的一個冬季，樁周凍土的回凍深度比未采用通風(fēng)管時增加了約25%，有效增強了凍土的強度和穩(wěn)定性。在夏季，通過合理控制通風(fēng)管的開閉，減少了熱空氣進(jìn)入，樁周凍土的最高溫度比未采用通風(fēng)管時降低了約2℃，改善了群樁在夏季的熱穩(wěn)定性。在現(xiàn)場試驗方面，選擇某高溫多年凍土地區(qū)的實際工程，設(shè)置不同控溫措施的試驗段。在采用隔熱材料的試驗段，對樁周凍土溫度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果顯示，在施工期和運營期，樁周凍土溫度升高幅度均小于未采用隔熱材料的對照段，與數(shù)值模擬結(jié)果趨勢一致。在采用熱棒的試驗段，通過監(jiān)測熱棒周圍凍土的溫度變化，發(fā)現(xiàn)熱棒能夠有效降低樁周凍土溫度，熱棒周圍1m范圍內(nèi)的凍土溫度明顯低于其他區(qū)域，且群樁的變形量也小于對照段，表明熱棒對群樁熱穩(wěn)定性的改善效果顯著。在采用通風(fēng)管的試驗段，監(jiān)測結(jié)果表明，通風(fēng)管在冬季能夠促進(jìn)凍土回凍，在夏季能夠降低凍土溫度，提高了群樁的熱穩(wěn)定性。綜合數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗結(jié)果，不同控溫措施對群樁熱穩(wěn)定性均有一定的改善效果，但效果存在差異。隔熱材料主要通過減少熱量傳遞來降低樁周凍土溫度，適用于對溫度升高較為敏感的區(qū)域；熱棒能夠主動散熱，對降低樁周凍土的平均溫度和改善溫度分布效果明顯；通風(fēng)管則在調(diào)節(jié)凍土季節(jié)性溫度變化方面具有優(yōu)勢，通過促進(jìn)冬季回凍和夏季降溫來提高群樁熱穩(wěn)定性。在實際工程中，應(yīng)根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件、氣候條件以及工程要求，合理選擇控溫措施，以達(dá)到最佳的控溫效果，保障高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性。6.3控溫措施優(yōu)化與組合為進(jìn)一步提升高溫多年凍土地區(qū)群樁的熱穩(wěn)定性，在實際工程應(yīng)用中，需對控溫措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并開展組合應(yīng)用研究，以充分發(fā)揮不同控溫措施的優(yōu)勢，實現(xiàn)控溫效果與經(jīng)濟(jì)性的平衡。在控溫措施優(yōu)化設(shè)計方面，針對隔熱材料，需綜合考慮材料的隔熱性能、耐久性、成本以及施工工藝等因素。在隔熱性能優(yōu)化上，研發(fā)新型隔熱材料或改進(jìn)現(xiàn)有材料的結(jié)構(gòu)，以提高其隔熱性能。通過在EPS隔熱材料中添加納米顆粒，可增強其隔熱效果，使導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)一步降低。在耐久性方面，研究隔熱材料在高溫多年凍土惡劣環(huán)境下的老化特性，開發(fā)防護(hù)涂層或采用特殊的封裝工藝，延長隔熱材料的使用壽命。在成本控制上，尋找價格低廉且性能優(yōu)良的原材料，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低隔熱材料的制造成本。同時，優(yōu)化隔熱材料的施工工藝，提高施工效率，減少施工過程中的材料損耗。對于熱棒，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)和布置方式是提高控溫效果的關(guān)鍵。在結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化上，通過數(shù)值模擬和試驗研究，確定熱棒的最佳長度、直徑、壁厚以及工質(zhì)充裝量等參數(shù)。增加熱棒的長度可提高其散熱深度，但也會增加成本和施工難度，需綜合考慮工程需求和成本效益，確定合適的長度。在布置方式優(yōu)化上，根據(jù)群樁的布局和樁周凍土的溫度分布情況，合理確定熱棒的間距和排列方式。采用不等間距布置熱棒，在群樁中心區(qū)域和溫度較高的區(qū)域適當(dāng)減小熱棒間距，以增強散熱效果；在邊緣區(qū)域適當(dāng)增大間距，以降低成本。通風(fēng)管的優(yōu)化設(shè)計主要集中在通風(fēng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式上。在通風(fēng)參數(shù)優(yōu)化方面，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試，確定通風(fēng)管的最佳管徑、通風(fēng)量、通風(fēng)時間以及通風(fēng)口的開啟方式等參數(shù)。在夏季高溫時段，增加通風(fēng)量和通風(fēng)時間，可有效降低樁周凍土溫度；在冬季，合理控制通風(fēng)量和通風(fēng)時間，避免過度冷卻導(dǎo)致凍土凍脹。在結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化上，研發(fā)新型通風(fēng)管結(jié)構(gòu)，如采用變截面通風(fēng)管或帶有擾流裝置的通風(fēng)管，增強通風(fēng)管內(nèi)空氣的對流換熱效果，提高通風(fēng)管的控溫效率。在控溫措施組合應(yīng)用方面，不同控溫措施的協(xié)同作用能夠顯著提高群樁的熱穩(wěn)定性。將隔熱材料與熱棒組合使用，隔熱材料可減少熱量從樁體向凍土的傳遞，熱棒則可主動將樁周凍土中的熱量散發(fā)出去，兩者相互配合，可有效降低樁周凍土溫度，維持凍土的穩(wěn)定性。在某實際工程中，采用隔熱材料包裹樁身，并在樁周布置熱棒，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，樁周凍土的年平均溫度比單獨使用熱棒時降低了約0.5℃，且溫度分布更加均勻，群樁的變形量也明顯減小。通風(fēng)管與熱棒的組合應(yīng)用也具有良好的效果。通風(fēng)管在冬季可促進(jìn)凍土回凍，夏季可降低凍土溫度，熱棒則可在全年持續(xù)散熱，兩者結(jié)合，可有效調(diào)節(jié)樁周凍土的季節(jié)性溫度變化，提高群樁的熱穩(wěn)定性。在某寒區(qū)公路的群樁基礎(chǔ)中，采用通風(fēng)管與熱棒組合控溫措施，在冬季通風(fēng)管開啟后，樁周凍土的回凍深度比單獨使用熱棒時增加了約15%；在夏季，通風(fēng)管與熱棒共同作用，使樁周凍土的最高溫度比單獨使用通風(fēng)管時降低了約1℃。隔熱材料、熱棒和通風(fēng)管的三元組合應(yīng)用，能夠更全面地控制樁周凍土溫度。隔熱材料減少熱量傳入，熱棒主動散熱，通風(fēng)管調(diào)節(jié)季節(jié)性溫度變化，三者協(xié)同工作，為群樁提供更穩(wěn)定的熱環(huán)境。在某大型橋梁群樁基礎(chǔ)工程中，采用三元組合控溫措施，經(jīng)過多年監(jiān)測，樁周凍土溫度始終保持在合理范圍內(nèi)，群樁的承載能力和穩(wěn)定性得到了有效保障。在選擇控溫措施組合方案時，需綜合考慮工程的地質(zhì)條件、氣候條件、工程規(guī)模以及成本等因素。在地質(zhì)條件復(fù)雜、凍土溫度較高的區(qū)域，可采用熱棒與隔熱材料的組合，以增強控溫效果；在氣候條件季節(jié)性變化明顯的地區(qū)，通風(fēng)管與熱棒的組合更為適用；對于大型工程，需在保證控溫效果的前提下，充分考慮成本因素，選擇經(jīng)濟(jì)合理的控溫措施組合。通過控溫措施的優(yōu)化設(shè)計和組合應(yīng)用，能夠在保障群樁熱穩(wěn)定性的同時，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)性，為高溫多年凍土地區(qū)的工程建設(shè)提供更可靠的技術(shù)支持。七、案例分析7.1工程概況本案例為位于青藏高原東北部的某高速公路橋梁工程，該區(qū)域?qū)儆诘湫偷母邷囟嗄陜鐾恋貐^(qū)，年平均地溫約為-0.6℃，凍土上限深度在1.8-2.2m之間，且存在厚層地下冰，對橋梁群樁基礎(chǔ)的熱穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。橋梁全長1.5km，共設(shè)置50個橋墩，每個橋墩采用6根直徑為1.2m的鉆孔灌注樁，樁長25m，樁間距為3.6m，呈梅花形布置。橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，設(shè)計荷載等級為公路-Ⅰ級，要求群樁基礎(chǔ)在運營期內(nèi)的沉降量不超過20mm，水平位移不超過10mm，以確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。在工程地質(zhì)方面，該區(qū)域地層主要由粉質(zhì)黏土、粉砂和細(xì)砂組成，各土層的物理力學(xué)性質(zhì)差異較大。粉質(zhì)黏土的含冰量較高，約為25%-30%，具有較強的凍脹性和融沉性；粉砂和細(xì)砂的滲透性較好，地下水在其中的流動較為活躍，對群樁的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生了重要影響。地下水位埋深較淺，一般在1.0-1.5m之間，且水位隨季節(jié)變化明顯，在雨季水位會上升0.5-1.0m，進(jìn)一步加劇了群樁基礎(chǔ)的熱-力耦合作用。在氣候條件方面，該地區(qū)氣候寒冷干燥，年平均氣溫較低，晝夜溫差大，年降水量較少，約為300-400mm，主要集中在夏季。太陽輻射強度較大，年日照時數(shù)超過2500小時，在夏季太陽輻射強度可達(dá)800-900W/m2，導(dǎo)致樁周土體表面溫度升高，增加了熱量向深部土體傳遞的驅(qū)動力。冬季氣溫極低，最低可達(dá)-30℃以下，而夏季氣溫最高可達(dá)25℃以上，這種大幅度的氣溫變化使得樁周凍土經(jīng)歷頻繁的凍融循環(huán)，對群樁的熱穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著的影響。由于該工程所處區(qū)域的高溫多年凍土特性以及復(fù)雜的地質(zhì)和氣候條件，群樁基礎(chǔ)在施工和運營過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，如樁周凍土的融化、群樁的不均勻沉降、熱應(yīng)力導(dǎo)致的樁身裂縫等問題。因此，深入研究該工程群樁的熱穩(wěn)定性及采取有效的控溫措施，對于保障橋梁的安全運營具有重要的現(xiàn)實意義。7.2群樁熱穩(wěn)定性分析與評價對該高速公路橋梁群樁的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，依據(jù)數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，從溫度場、變形以及力學(xué)性能等方面展開評估。從溫度場角度來看，在施工期，混凝土水化熱導(dǎo)致樁身溫度急劇上升。數(shù)值模擬顯示，在混凝土澆筑后的3天內(nèi)，樁身中部溫度可達(dá)58℃左右，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，樁身中部實際溫度在3天內(nèi)升高至55℃左右，兩者趨勢一致，實際溫度略低于模擬值，這可能是由于現(xiàn)場存在一些散熱因素，如地下水的流動帶走了部分熱量，而模擬中未能完全考慮這些因素。隨著時間推移，7天后樁身溫度上升趨勢變緩，逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定溫度在40℃左右，模擬結(jié)果也顯示7天后樁身溫度趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值在42℃左右。樁周凍土溫度也隨之升高，形成熱影響區(qū)。數(shù)值模擬得出，在混凝土澆筑后的10天內(nèi)，距離樁身0.5m處的凍土溫度升高約10℃，熱影響區(qū)半徑可達(dá)1.5m左右；