2. 长春市新立城水库管理局, 长春 130119
2. Changchun Xinlicheng Reservoir Authority, Changchun 130119, China
0 前言
中国长江北部占国土面积48%的地区为季冻土区[1]。季冻土区内典型的工程冻害之一是临水轻台结构(船台、亭台)的冻拔冻害，表现为遭受冻拔的轻台结构发生拉裂、错动等冻害破坏，严重影响轻台结构的正常使用。据笔者测算，国内季冻土区轻台结构寿命期内发生的冻害处理费用高达15亿元，浪费巨大。长期以来，我国冻土研究集中在冻土分布和性质，及铁道、公路、桥涵、房屋建筑的地基冻害和永冻土方面。陈肖柏等[1]学者用50余年的时间，研究了我国永冻土和季冻土的分布和性质、土冻结的水分迁移机制、永冻土工程冻害等问题，取得了重要成果；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所对穿越青藏高原永冻土区铁路路基冻害问题研究取得了重大突破[1]。内蒙古水利科学研究所发现桥梁、渡槽的冻害是由其桩基冻胀引起的，但对冻害机理和治理没有深入研究[1]；黑龙江省寒地建筑科学研究院低温研究所对高寒地区建筑地基的冻害进行了长期研究，提出了土冻结深度的计算、基础的防冻设计和地基“融化盘”理论等，为我国冻土地区建筑地基基础设计规范[2-3]的制定提供了试验数据支持。但以上学者和科研院所均未对季冻土区临水轻台结构的冻拔冻害机理和防治问题进行研究。笔者对轻台结构竖向位移动态进行原位观测，采集冻拔位移数据并分析其变化规律，以揭示冻拔位移冻害的特征和机理；并且设计套筒防冻拔冻害装置，在轻台结构桩上安装试验并监测其防冻害效果，以解决临水轻台结构多发的冻拔冻害问题。
1 观测试验 1.1 试验场地条件冻拔冻害试验场地选在长春某湖岸临水轻台结构群，如图 1所示。各轻台设计桩径均为0.6 m、桩深10 m。轻台结构地基土冬季裸露受冻。地质勘探探明：土最大冻深1.7 m内，上层土为厚0.2~0.4 m的松散中密杂填土，含水量为25.4%，为冻胀土；下层为1.3~1.5 m厚的中压缩性粉质黏土，含水量为27.2%，为强冻胀性地基土。桩埋深的下部有7.0 m左右在未冻的中压缩性粉质黏土层内。地下水位于地表下2.7 m左右的土层中，随季节变化，受大气降水和湖水补充。
|
| 1.轻台结构；2.轻台结构冻拔位移高程观测点(编号为Di，i=1，2，3，…，12)；3.高程基准点测桩(编号为JD)；4.岸边景廊柱；5.地坪方砖；6.道路边线。 图 1 轻台结构竖向位移观测布点 Fig. 1 Vertical displacement observation points of light platform |
|
|
选精密水准仪[4]观测轻台结构竖向位移动态。如图 1所示，轻台结构台面和岸边分设高程观测点(Di)和高程基准点(JD)。为保证测量精度，采取有效防冻处理措施维护基准点测桩在观测年内桩顶标高恒定。采取的防冻处理措施为：入冬前，先按长春地区最大冻土深度[2-3]将基准点测桩处土方挖掉，在坑中心垂直打入基准点测桩贯入未冻土层，保持测桩稳固；然后，在坑内基准点测桩周围分层交替铺设聚苯乙烯板、塑料布、炉渣等保温材料(图 2)，增加冷阻[5]形成保温隔冻层隔离冻土。选择图 1中轻台结构2、4、5、6为基土自然冻胀条件冻拔位移观测试验台；轻台结构1、3为基础桩上加设套筒装置的防冻拔冻害试验台。在各观测年内，采用精密水准仪同期观测两类轻台结构的竖向位移动态。精密水准观测原理如图 2所示。
|
| 1.地坪土；2.浆砌块石挡土墙；3.聚苯乙烯板保温层；4.炉渣保温层。Δ.轻台结构冻拔位移；-Δ.轻台结构沉降位移; G.单轻台桩分担的轻台系统自重，kN；τ′.冻土层对轻台桩单位面积的切向冻胀应力，kN/m2；f′.非冻土层对轻台桩单位面积的摩阻力，kN /m2。 图 2 精密水准观测原理 Fig. 2 Observation principles of precise leveling |
|
|
选每年11月初至翌年5月末为冻拔位移观测年。每个观测年入冬前首次测定各轻台结构台面各位移观测点与基准点测桩之间的基期高差，各观测日观测并计算各位移观测点与基准点测桩间的观测高差。各观测点基期高差与其观测高差之差值即为本次观测得到的轻台结构竖向位移。若观测得到的竖向位移为正值(Δ)，表明轻台发生的是冻拔位移；若竖向位移为负值(-Δ)，说明轻台发生了沉降位移，见图 2。按精密水准观测精度要求，本试验采用单测站精密水准仪观测[4, 6]，故观测得到的竖向位移数据精度应控制在±2 mm，以保证竖向位移数据的精度和可靠性。观测年内，每隔15 d左右观测1次，记录观测采集到的轻台结构竖向位移值。
以观测年1(201011—201105)为例，列举测量采集到基土自然冻胀的轻台结构2、4、5、6的竖向位移(包括冻拔位移和沉降位移)数据，见表 1。
| 序号 | 观测日期 | 气温/℃ | 竖向位移/mm | |||||||
| D3 | D4 | D7 | D8 | D9 | D10 | D11 | D12 | |||
| 1 | 2010-11-16 | 0.0 | 0 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -3 | -1 |
| 2 | 2010-12-02 | -7.0 | -0.8 | -3 | -2 | -2 | -3 | -3 | -5 | -1 |
| 3 | 2010-12-15 | -6.0 | -1 | -2 | -1 | -1 | -2 | -4 | -4 | -1 |
| 4 | 2010-12-28 | -10.0 | -0.4 | -1 | -1 | -1 | -2 | -3 | -2 | -1 |
| 5 | 2011-01-15 | -8.0 | 2 | 2 | 1 | 1 | 4 | 2 | 7 | 4 |
| 6 | 2011-01-28 | -5.0 | 3 | 4 | 3 | 3 | 12 | 3 | 11 | 7 |
| 7 | 2011-02-15 | -3.0 | 6 | 8 | 4 | 4 | 14 | 7 | 17 | 10 |
| 8 | 2011-02-26 | 5.0 | 7 | 9 | 3 | 3 | 13 | 6 | 15 | 8 |
| 9 | 2011-03-16 | 7.0 | 3 | 4 | 2 | 2 | 10 | 5 | 13 | 7 |
| 10 | 2011-04-15 | 9.0 | 2 | 2 | 1 | 1 | 8 | 4 | 11 | 6 |
| 11 | 2011-05-30 | 18.0 | 2 | 2 | 1 | 1 | 6 | 4 | 9 | 5 |
| 注：表中的温度为观测日平均气温；竖向位移正值数据为轻台结构的冻拔位移、负值数据为沉降位移。 | ||||||||||
选取观测年1(201011—201105)、观测年2(201311—201405)、观测年3(201711—201805)观测采集基土自然冻胀的轻台结构竖向位移数据与对应观测年气温进行相关分析，建立的关系曲线如图 3所示。轻台结构竖向位移形态总体表现出如下特征。
|
| a.观测年1；b.观测年2；c.观测年3。1—8.轻台结构观测点冻拔位移曲线；9.冻拔位移回归曲线；10.平均气温线。 图 3 各观测年基土自然冻胀轻台结构冻拔位移曲线 Fig. 3 Frost heave displacement curve of soil foundation in natural frost heave light platform structure in each observation year |
|
|
1) 各观测年轻台结构冻拔位移曲线出现相似的“半驼峰型”。图 3所示的各观测年气温变化同样经历了持续降温—持续低温—持续升温—正温时段，只是各观测年相同时段的气温高低有差异，但各观测年气温总体变化的自然规律是相同的。同样的气温变化规律使轻台结构基土产生了相似的冻胀和融化机理[1]，冻胀土产生的冻拔力对轻台结构桩作用的增强和弱化机理相似，致使各观测年发生的冻拔位移和沉降位移状态也相似。冻拔力作用机理如图 4所示。
|
| τ.冻土层对轻台桩的冻拔力(切向冻胀应力的合力)，kN；f.非冻土层对轻台桩的摩阻力(单位摩阻力的合力)，kN。 图 4 轻台桩冻拔力机理模型 Fig. 4 Frost heave force mechanism model of light platform pile |
|
|
2) 各观测年不同的低气温水平冻结土形成不同的冻胀强度，对应形成各年不同强度水平的冻拔力推动轻台结构形成不同的冻拔位移，表现为各观测年冻拔位移峰值不同。如图 3a所示，观测年1气温偏高，寒冷期(11月下旬至翌年3月中旬)平均气温仅为-7 ℃，冻土的冻胀强度增长缓慢且较弱，产生的冻拔力较小，冻拔缓慢，表现为冻拔位移峰值小，仅为17 mm，位移曲线矮平。相比之下，观测年2、3的寒冷期(11月上、中旬至翌年3月中下旬)平均气温分别为-15 ℃和-11 ℃，气温偏低且持续时间长，土产生持久增大的冻胀强度继而形成大冻拔力推动轻台桩快速冻拔，产生较大的冻拔位移，位移峰值大，最大冻拔位移峰值分别达到110和78 mm(图 3b，c)，冻拔位移曲线陡峭上升。
3) 同观测年轻台结构位移大小不等，是不同质量的轻台结构对冻拔力的抵消平衡能力不同所致。以冻拔位移水平最高的观测年2为例：轻台结构2质量达74.05 t，质量最大，对冻拔力的抵消平衡能力最强，冻拔力的净作用最小，其产生的冻拔位移最小，最大冻拔位移仅为35 mm；而轻台结构5、6质量最轻，每个质量仅为27.06 t，对冻拔力的抵消平衡能力最弱，冻拔力的净作用最大，相应产生的冻拔位移最大，最大冻拔位移高达110 mm；轻台结构4质量为38.01 t，质量介于轻台结构2和轻台结构5、6之间，产生的最大冻拔位移也介于二者之间，为39 mm。其他各观测年内，以上不同质量的轻台结构的冻拔位移也呈类似特征，见观测年1、3冻拔位移曲线图 3a、c。可见，质量大的轻台结构对冻拔力的抵消平衡能力大，产生的冻拔位移小；反之，质量小的轻台结构，产生的冻拔位移大。
2.2 阶段特征和机理分析1) 持续降温时段：观测年气温向低温的下降期，11月中旬至12月下旬或翌年1月上旬，一般为30~50 d。各观测年该时期平均温度在-14~-6 ℃区间。时段末的日最低气温达-26 ℃。
持续降温时段，轻台结构位移曲线以最大下降位移出现的时刻为临界点，将持续降温时段分为前期和后期，位移曲线呈前期缓慢下降而后期上升的特征；说明轻台结构前期出现下降位移，后期发生冻拔位移。时段前期随气温逐渐下降，轻台结构体逐渐降温“冷缩”引起轻台结构缓慢下降，下降过程较长，约占持续降温时段的2/3左右，前期末出现的最大下降位移达5 mm。冻拔力的作用机理(图 4)如下：伴随气温的逐渐降低，基土逐渐发生冻结，但冻深浅、冻胀强度低，生成的冻拔力τ远小于与其反向的轻台重力G和非冻土层的摩阻力f二者的共同作用，即τ≪G+f，轻台结构无冻拔；随着降温时间延长，土冻结深度和冻胀强度持续增大，生成的冻拔力不断加大；当轻台结构达到最大下降位移时，冻拔力增至τ=G+f，达到冻拔临界状态；进入持续降温时段后期，冻拔力增至τ＞G+f，轻台结构产生冻拔，出现持续增大的冻拔位移，表现为持续降温阶段后期位移曲线出现上升趋势。
2) 持续低温时段：观测年最寒冷期，气温在低(负)温下持续波动，一般从12月中下旬至翌年2月上旬或中旬，约60 d。持续低温时段末期气温略有回升但仍处于负温状态。各观测年持续低温时段平均气温在-16~-9 ℃区间，最低气温出现在12月下旬至翌年1月中旬，日最低气温可达-28 ℃左右。持续低温使土充分冻结。
如图 3所示，轻台结构在各观测年持续低温时段冻拔位移曲线呈陡峭上升特征，说明轻台结构随时间快速冻拔。冻拔平均速率在0.30~1.20 mm/d之间，最大速率0.42~2.30 mm/d。冻拔增速的原因：①持续低温使冻土中未冻水继续冻结成冰，含冰量增加[1, 7-9]引起冻土体积膨胀，冻胀强度加大。土层内的结冰膨胀过程是随持续低温由浅入深发生的，导致作用于轻台桩上的冻拔力强度加大，冻拔速度加快。②地下水不断向正冻锋面持续迁移冻结[1, 7-9]使冻土不断加深，冻土和轻台结构桩间的作用面积随之增大，冻拔力加大，冻拔速度加快[7]。土冻结过程中的水分迁移机制如图 5所示。③轻台结构桩基所在的地坪冻土形成刚度较大的水平冻土块体。温差引起块体热胀冷缩。热胀力和冻拔力“叠加”促进冻拔。冷缩时热胀力消失，土的冻拔力维持冻拔位移发展。
|
| Pw.冻结边缘区上界面的土壤水吸力，kN /m2；Pu.冻结边缘区下界面的土壤水吸力，kN /m2；d.冻结边缘区厚度，mm。 图 5 土冻结过程中的水分迁移机制示意图 Fig. 5 Schematic diagram of water migration mechanism during soil freezing |
|
|
可见，以上多种因素复合作用对冻土的冻胀强度产生持续的增强效果，进而形成快速增大的冻拔力，使得持续低温时段冻拔力保持在τ＞G+f的高增长水平，促使轻台桩产生较快的冻拔，各观测年轻台结构在持续低温时段位移曲线陡峭上升印证了这一点。应说明的是，轻台桩埋深恒定，随冻土层增厚非冻土层逐渐变薄，非冻土层对轻台桩的摩阻力逐渐减小。轻台结构重力和摩阻力对增长的冻拔力抵消平衡能力逐渐减弱，冻拔力持续增大而占据主导地位。
分析表明，持续低温时段轻台发生快速冻拔位移，是冻拔力增大而形成的。
持续低温时段末气温在负温下回升，冷源减弱，土向深层冻结趋近终止，轻台结构“冻拔”不再发展。此时土的冻深为观测年最大冻结深度[1-3]，相应位移为观测年的最大冻拔位移。如图 3所示，各观测年轻台结构的最大冻拔位移均出现在每年的持续低温时段末的2月中下旬，最大冻拔位移在17~110 mm之间，冻拔位移均值为33.6 mm，此后不再增大。足见，持续低温时段是轻台结构冻拔的快速成长期，最大冻拔位移发生时段末期。
3) 持续升温时段：气温向正温的升高期，即观测年的2月中旬至3月中下旬，一般为30~40 d，平均气温在-4~8 ℃区间波动上升。持续升温时段中晚期，日最高气温可上升至12 ℃左右，为冻土融化提供热源。
持续升温时段轻台结构冻拔位移曲线表现出平缓回落特征，表明轻台结构开始出现缓慢“下降”[10]。其下降速率较冻拔速率小。如各观测年轻台结构冻拔位移平均下降速率在0.20~0.70 mm/d之间，比冻拔速率小30%~50%。持续升温时段冻拔力的作用机理：伴随气温逐渐上升，地表浅层冻土吸热解冻，冻拔力减小或消失。升温热量向深层传导相对滞后，深层仍有冻拔力。轻台结构靠自重下降要克服逐渐增厚的融化层和非冻土层的摩阻力(含桩端阻力)及深部冻拔力三者构成的阻力，使其缓慢下降。需说明的是，融化层逐渐增厚冻土层随之变薄，冻拔力逐渐减小，而摩阻力逐渐增大，且G≥τ+f是轻台结构下降的必要条件。
导致轻台结构下降的其他因素：1)蠕变。冻土长时间推挤轻台结构桩，冻土自身出现应力松弛和强度下降等蠕变[9]引起冻土作用于轻台结构桩上的冻拔力衰减，利于轻台下降。2)冷缩。如前所述，夜间冻土降温冷缩，对桩的挤压产生瞬时减弱，轻台结构产生瞬时下降。此外，昼夜频繁的热胀冷缩使冻土表面产生纵横裂缝削弱了冻土的整体性，相对减弱了对桩的冻拔力，这也有助于轻台下降。3)光照。光照使地表温度升高，浅层冻土融化冻拔力消失，轻台结构下降的阻力减小，也促进轻台下降。4)风力、干燥。冬春季刮风天多空气干燥，引起表层冻土失水干缩[8, 10-11]，出现的干缩裂缝削弱了表层冻土对轻台结构桩的作用，也有助于轻台下降。
持续升温时段轻台结构下降是以上诸多因素耦合形成的。持续升温时段末期轻台结构的下降趋于终止，位移减小到接近年剩余冻拔位移量。分析表明：持续升温时段冻拔位移逐渐减小，是轻台结构的“下降期”。
4) 正温时段：气温在0 ℃以上的持续升高期为3月下旬至5月末，一般为30~50 d。正温时段各年的平均气温在5 ~ 18 ℃区间，区间内出现的日最高气温达27 ℃。正温时段持续高温，冻土全部融化。
各观测年正温时段轻台结构冻拔位移曲线呈平位伸展特征，说明轻台结构下降终止，冻拔位移减小至定值。正温时段轻台桩埋深为全融土，冻拔力消失(τ=0)。融土摩擦阻力(含桩端阻力)为抵抗轻台结构靠重力下降的主抗力，二者平衡，即f=G时，轻台下降终止，冻拔位移恒定。可见，正温时段是轻台结构位移的稳定期。恒定位移为不可恢复的冻拔位移，均值为21.6 mm，形成轻台结构的残余冻害。
综上分析表明：临水轻台结构在观测年的4个温度时段经历了下降—冻拔—下降—稳定的动态位移变化过程，各年重复发生。这是冻拔力的生成—增长—减弱—消失的作用机理形成的。非预期的频繁冻拔和下降[10]引起轻台结构产生非均匀变形而破坏，如台岸错动和台板拉裂等冻害破坏。究其原因，是冻拔力推动轻台结构产生冻拔位移冻害，说明冻害的根源是冻拔力的作用。
3 临水轻台结构冻拔冻害防治 3.1 方案的提出和实施轻台结构桩与冻土接触产生的冻拔力推动轻台结构发生冻拔位移冻害。可见，隔断冻土与轻台结构桩接触是治理轻台结构冻拔冻害的关键。笔者设计了刚性和柔性套筒防冻拔冻害装置，将其安装于轻台结构桩外，以隔离冻土与轻台结构桩的接触。冻土被隔断于套筒装置外侧，轻台结构桩周围无冻土，无冻拔力作用，就不会产生冻拔位移。套筒装置隔离冻土机理如图 6、7所示。加设套筒装置后，冻土产生的冻拔力τ转而作用于套筒装置外表面，套筒装置将在冻拔力的作用下沿竖向产生冻拔和沉降位移。春夏季冻土融化松动，刚性套筒装置在自重的作用下沉回原位，若有残余冻拔位移时用压重的方式使套筒装置回归原位；柔性套筒装置的高弹性材料在融化松动的土层内收紧回弹至原位。回归原位的套筒装置在其后各寒期继续发挥隔离冻土的功能。套筒装置一次安装，长期使用。实施方案中，刚性套筒选用预制钢筋混凝土管筒；柔性套筒选用高弹性橡胶板缠绕于轻台结构桩表面，下部与桩锁紧。刚、柔性套筒的预制长度以大于地区极寒年份的最大冻土深度[2-3](冻土层厚度)为原则，长春地区为1.7 m。套筒下部伸入未冻土层0.4 m，上部高出自然地坪0.4 m。套筒装置顶部和轻台板之间预留有效的冻拔位移空间，参考值不小于0.5 m。
|
| 图 6 轻台1刚性套筒安装方式 Fig. 6 Installation methods of rigid sleeve in No.1 light platform |
|
|
|
| 图 7 轻台3柔性套筒安装方式 Fig. 7 Installation methods of flexible sleeve in No.3 light platform |
|
|
应说明的是：刚性套筒内填充的圆状卵石表面光滑、滚动性好，减小了对刚性套筒上下移动的摩阻力。另外，卵石间的空隙增大了卵石颗粒间的可松性，更有助于卵石自由滚动，二者结合有助于刚性套筒装置产生冻拔和下降位移运动。此外，卵石为不冻胀性材料[1]，在轻台结构桩和刚性套筒间的卵石填充体不冻胀，消除了轻台结构桩遭受二次冻拔和限制套筒运动的隐患。
本次研究将刚性混凝土套筒安装于轻台结构1的基础桩上，安装方式如图 6所示；柔性橡胶板套筒安装于轻台结构3的基础桩上，安装方式如图 7所示。
在各观测年内观测轻台结构1、3的竖向位移状态，监测两种套筒装置防冻拔冻害效果。
3.2 效果监测对各观测年加设刚性套筒防冻拔冻害的试验轻台结构1、加设柔性套筒的试验轻台结构3进行竖向位移观测，采集竖向位移数据。列举观测年1采集的套筒防冻拔冻害试验轻台结构1、3的竖向位移数据，如表 2所示。
| 序号 | 观测日期 | 气温/ ℃ |
竖向位移/mm | |||
| D1 | D2 | D5 | D6 | |||
| 1 | 2010-11-15 | 0.0 | 1 | -1 | -1 | -1 |
| 2 | 2010-11-30 | -7.0 | 1 | -2 | -1 | -2 |
| 3 | 2010-12-21 | -11.0 | 1 | -2 | -1 | -2 |
| 4 | 2010-12-31 | -12.0 | 1 | -2 | -1 | -2 |
| 5 | 2011-01-20 | -8.0 | 2 | -1 | -3 | 1 |
| 6 | 2011-02-05 | -10.0 | 5 | 2 | 5 | 4 |
| 7 | 2011-02-15 | -2.0 | 5 | 1 | 5 | 5 |
| 8 | 2011-02-27 | -1.0 | 3 | 1 | 3 | 4 |
| 9 | 2011-03-09 | -6.0 | 5 | 3 | 5 | 5 |
| 10 | 2011-03-24 | 8.0 | 4 | 2 | 3 | 3 |
| 11 | 2011-04-13 | 7.0 | 4 | 2 | 3 | 3 |
| 12 | 2011-05-05 | 9.0 | 4 | 2 | 4 | 3 |
| 13 | 2011-05-20 | 18.0 | 4 | 2 | 4 | 3 |
建立观测年1、观测年2、观测年3观测采集的防冻拔冻害试验轻台结构1、3的竖向位移和对应观测年同期气温的关系曲线(图 8)。
|
| a.观测年1；b.观测年2；c.观测年3。1—4.轻台结构观测点冻拔位移曲线；5.平均气温线。 图 8 各观测年套筒防冻拔冻害试验轻台结构1、3竖向位移曲线 Fig. 8 Vertical displacement curve of No.1 and No. 3 experimental light platform structure with anti-freezing-damage sleeve in each observation year |
|
|
图 8显示：各观测年试验轻台结构1、3的竖向位移曲线小幅升降，总体呈平位延伸姿态。对应于各观测年不同时段气温的大幅波动，试验轻台结构竖向位移未随之变化，始终保持小位移平位延伸的态势，说明位移对温度变化不敏感，不符合冻拔位移特征，即位移和观测年气温变化无相关性。可推断竖向小位移不是因轻台结构桩基冻拔引起的。与发生自然冻拔的轻台结构相比，加设套筒的轻台结构竖向位移均值仅为-0.2 mm，且在±5 mm间平位波动，极其微小，比自然冻拔轻台结构的平均冻拔位移减小98%。说明加设套筒防冻害装置的轻台结构冻拔位移大幅度减小，换言之，冻拔位移冻害被遏制。刚、柔性套筒防冻害装置有效隔离了冻拔力对轻台结构桩的作用，轻台结构无冻拔位移发生。勘验加设套筒防冻拔冻害装置的试验轻台结构实体未发现错动、开裂等冻害破坏，印证刚、柔性套筒装置防冻害技术有实效，且二者防冻害性能几乎等效。
加设套筒防冻拔冻害装置的试验轻台结构1、3产生竖向小幅平位移的原因：1)寒期轻台桩基融土层内地下水位下降，土排水固结后沉实下降[11-13]，轻台结构随之下降产生小的下降位移；反之地下水位升高时，饱和土的浮力作用会使轻台结构产生较小的上升位移。2)地基约束下的钢筋混凝土[14]轻台结构桩和轻台板之间因热胀或冷缩产生的不协调变形，也使轻台结构发生微小的上升和下降。可推断，是以上非冻拔因素引起轻台结构出现竖向小位移，与寒冷季节无相关性。此种竖向小位移对轻台结构是无害的。
此外，监测套筒装置发现：各观测年内，套筒装置出现了类似于基土自然冻胀轻台结构的冻拔和沉降位移，冻拔位移均值为52 mm。其中刚性套筒装置随冻土解冻沉降后的残余冻拔位移均值为19 mm，柔性套筒装置的残余冻拔位移随冻土融化松动弹性回缩归回原位，但轻台结构却未发生冻拔；表明套筒装置切断冻土对轻台结构桩的作用后独立承受了冻土产生的冻拔力，自身发生了冻拔和沉降运动，有效发挥了隔离冻土作用。
在各观测年时段外的非寒冷季节(夏秋季)对套筒装置位移状态的连续监测表明：刚性套筒装置的竖向位移无变化，处于静止状态，测得的位移均值仍为19 mm，保持在冻土解冻沉降后的残余位移水平；而柔性套筒则未发生竖向位移。对出现残余冻拔位移的刚性套筒实施压重归位后，其后各年重复使用仍能持续发挥以上效能。测定刚性套筒内部温度显示：套筒装置内部温度与空气温度接近，原因是卵石填充体的空隙与空气间为对流开放系统，故而温度接近。卵石的不冻胀性使得温度变化不影响卵石填充体的滚动性、松散性与体积变化，可保证套筒装置正常发挥效能。
另外，本方案将套筒装置的设计使用期选与轻台结构相同，轻台结构设计使用期[10]为25 a，套筒装置的使用期也为25 a，基本可以做到一次安装、长期重复使用。其中，刚性套筒混凝土材料强度高、抗疲劳和耐老化性好，对冻土产生的冻拔力的抵抗能力强、耐用持久，其一次安装的重复使用期可达25 a，安装成本为0.112万元/个。柔性橡胶板套筒的弹性恢复能力较强，其一次安装成本为0.058万元/个，但相对于混凝土材料而言，柔性橡胶板耐老化性弱，其老化龄期[1]为13 a，则在使用期25 a内需增加安装1次，使得能在使用期发挥实效的单个柔性橡胶板套筒装置的实际安装成本上升为约0.117万元。可见，在使用期内刚、柔性套筒成本接近。比较两种装置的使用期和成本，混凝土套筒装置略优于柔性橡胶板套筒。但从防治轻台结构冻拔冻害的技术层面评估，刚性混凝土套筒装置和柔性橡胶板套筒装置均为可选择方案。本研究是基于检验两种套筒装置方案防冻拔冻害的有效性而展开。
4 结论1) 基土自然冻胀的临水轻台结构的冻拔位移特征：各观测年轻台结构冻拔位移形态相同，位移曲线均呈“半驼峰型”姿态发展；各观测年轻台结构冻拔位移峰值不同；同观测年轻台结构冻拔位移值不等。
2) 各观测年基土自然冻胀的临水轻台结构在持续降温—持续低温—持续升温—正温各时段，对应呈现下降—冻拔—下降—稳定的动态升降运动。动态升降引起结构变形破坏。根源是不同气温时段冻土的不同冻胀强度形成了变化的冻拔力，从而相应产生了时段特征明显的冻拔或沉降位移。
3) 安装套筒防冻拔冻害装置的轻台结构实体无冻拔冻害发生，仅发生了±5 mm的小幅平位移。套筒装置有效隔离和疏导了冻土产生的冻拔力，对防治轻台结构冻拔位移冻害有明显效果。
| [1] |
陈肖柏, 刘建坤, 刘鸿绪, 等. 土的冻结作用与地基[M]. 北京: 科学出版社, 2006: 4-496. Chen Xiaobai, Liu Jiankun, Liu Hongxu, et al. Frost Action Soil and Foundation Engineering[M]. Beijing: Science Press, 2006: 4-496. |
| [2] |
冻土地区建筑地基基础设计规范: JGJ 118-2011[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2011: 26-38. Code for Design of Soil and Foundation of Building in Frozen Soil Region: JGJ 118-2011[S].Beijing: China Architecture & Building Press, 2011: 26-38. |
| [3] |
建筑地基基础设计规范: GB 50007-2016[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2016: 83-86. Code for Design of Building Foundation: GB 50007-2016[S].Beijing: China Architecture & Building Press, 2016: 83-86. |
| [4] |
顾孝烈, 鲍峰, 程效军. 测量学[M]. 第五版. 上海: 同济大学出版社, 2016: 26-36. Gu Xiaolie, Bao Feng, Cheng Xiaojun. Surveying[M]. 5th ed. Shanghai: Tongji University Press, 2016: 26-36. |
| [5] |
李长雨, 马桂霞, 郝光, 等. 季节冻土地区路基冷阻层温度场效应[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2018, 48(4): 1174-1181. Li Changyu, Ma Guixia, Hao Guang, et al. Effect on Temperature Field of Subgrade Cold Resistive Layer in Seasonal Frost Region[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2018, 48(4): 1174-1181. |
| [6] |
孙洪伟, 王德君, 曲祖光, 等. 季节性冻土地区人工湖岸船台桩基础"冻拔"现象的观测[J]. 长春工程学院学报, 2007(4): 1-4. Sun Hongwei, Wang Dejun, Qu Zuguang, et al. Observation of Upward Freezing Pulling Phenomenon About Pile Foundation Applied to the Artificial Lakeshore Shipway of Garden Buildings in Seasonal Frozen Soil Zone[J]. Journal of Changchun Institute of Technology, 2007(4): 1-4. |
| [7] |
朱自强. 论季节性冻土沿深度分布[M]. 北京: 科学出版社, 1989: 135-138. Zhu Ziqiang. Discussion on the Distribution of Seasonal Frozen Soil Along Depth[M]. Beijing: Science Press, 1989: 135-138. |
| [8] |
徐学祖, 何平, 张健明. 土体冻结和冻胀研究的新进展[J]. 冰川冻土, 1997, 19(3): 280-283. Xu Xuezu, He Ping, Zhang Jianming. New Progress in Research on Soil Freezing and Frost Heave[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 1997, 19(3): 280-283. |
| [9] |
孙洪伟. 关于冻土的不稳定性研究[J]. 长春工程学院学报, 2014(1): 9-12. Sun Hongwei. Research on the Instability to Permafrost[J]. Journal of Changchun Institute of Technology, 2014(1): 9-12. DOI:10.3969/j.issn.1009-8984.2014.01.003 |
| [10] |
Sun Hong wei. Analysis of the Lifting Law of the Lakeshore Deepwater Berth[C]//Civil Engineering and Urban Planning: Ⅳ. London: CRC Press, 2015: 597-601.
|
| [11] |
孙洪伟. 对MiLLer和Beskow冻土理论的研究[J]. 长春工程学院学报, 2014(2): 16-19. Sun Hongwei. Research on the Miller and Beskow Freezing Soil Theories[J]. Journal of Changchun Institute of Technology, 2014(2): 16-19. DOI:10.3969/j.issn.1009-8984.2014.02.004 |
| [12] |
张世银, 汪仁和. 土壤冻胀特性的试验研究[J]. 岩土工程界, 2004, 17(2): 72-73. Zhang Shiyin, Wang Renhe. Experimental Study on the Frost Heaving Properties of Soil[J]. Geotechnical Engineering World, 2004, 17(2): 72-73. DOI:10.3969/j.issn.1674-7801.2004.02.048 |
| [13] |
He Ping. Process of Frost Heave and Characteristics of Frozen Fringe[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2004, 26(Sup. 1): 21-25. |
| [14] |
龙广成, 刘赫, 马昆林, 等. 考虑冻融作用的混凝土单轴压缩损伤本构模型[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2018, 49(8): 1884-1892. Long Guangcheng, Liu He, Ma Kunlin, et al. Uniaxial Compression Damage Constitutive Model of Concrete Subjected to Freezing and Thawing[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2018, 49(8): 1884-1892. |