孫洪偉

（長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春130012）

0 引言

入冬前長春南湖湖區(qū)部分排水，水面降低引起近岸湖底基土露天的船臺(tái)為露基船臺(tái)。它是主要湖岸工程之一，如圖1所示。經(jīng)過3個(gè)寒期對(duì)露基船臺(tái)的原位觀測，發(fā)現(xiàn)基土凍脹推動(dòng)船臺(tái)基礎(chǔ)樁使船臺(tái)結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生了向上拔出的現(xiàn)象，我們將該現(xiàn)象定義為“凍拔”，表現(xiàn)為船臺(tái)向上拔起產(chǎn)生了“凍拔”位移［1］。船臺(tái)“凍拔”是自然現(xiàn)象，但頻繁“凍拔”會(huì)破壞船臺(tái)整體性而降低使用壽命；凍拔引起的臺(tái)岸“錯(cuò)動(dòng)”會(huì)影響使用功能?？梢?，船臺(tái)“凍拔”也是一種凍害［2－3］。據(jù)原位觀測采集的船臺(tái)凍拔位移數(shù)據(jù)建立的凍拔位移和寒期氣溫間的關(guān)系曲線（以下簡稱凍拔位移曲線）的狀態(tài)分析，顯現(xiàn)船臺(tái)凍拔和寒期氣溫變化強(qiáng)相關(guān)，并呈現(xiàn)特有的規(guī)律。本文據(jù)凍拔位移曲線分析揭示露基船臺(tái)的“凍拔”規(guī)律。

圖1 露基船臺(tái)“凍拔”機(jī)理和“凍拔”位移圖

1 露基船臺(tái)“凍拔”位移曲線的建立

據(jù)南湖公園露基船臺(tái)實(shí)測“凍拔”位移值，繪制3個(gè)寒期的“凍拔”位移曲線和同期氣溫變化曲線，如圖2～4所示。每個(gè)寒期（a）圖中的“半駝峰型”曲線代表據(jù)船臺(tái)凍拔位移觀測點(diǎn)測得的凍拔位移值繪制的凍拔位移曲線。各觀測點(diǎn)［1］的凍拔位移曲線集合成圖示的曲線組，虛線代表位移回歸曲線。凍拔位移單位為mm。（b）圖中的“頻譜型”曲線是據(jù)寒期日最高氣溫和最低氣溫繪制的同期氣溫變化曲線，圖中虛線表示回歸的日平均氣溫曲線。氣溫溫度單位為℃。

2 露基船臺(tái)凍拔位移規(guī)律分析

圖3 第2寒期南湖公園露基船臺(tái)“凍拔”位移規(guī)律曲線和同期氣溫變化曲線（2011／2012寒期）

據(jù)地質(zhì)報(bào)告，南湖公園湖岸露基船臺(tái)場地基土為粉質(zhì)黏土，地下水位在地表以下－0.5～－2.8m。土層含水率較高，屬強(qiáng)凍脹性土［2］。船臺(tái)實(shí)測凍拔位移曲線和擬合后的凍拔位移曲線如圖2～4。位移曲線總體均呈“半馱峰型”姿態(tài)發(fā)展，表明各寒船臺(tái)發(fā)生的凍拔形態(tài)總體趨勢(shì)相似。其中：相同基土凍脹條件下，自重小的船臺(tái)抵抗凍脹應(yīng)力的能力弱，相應(yīng)產(chǎn)生的凍拔位移較大，位移曲線上凸高聳；反之，凍拔位移小，位移曲線扁平。反映在位移曲線上形成多條位移區(qū)位不同的曲線組。但各船臺(tái)凍拔位移發(fā)展?fàn)顟B(tài)相似，位移曲線的總體均呈“半馱峰型”態(tài)勢(shì)。經(jīng)反復(fù)研究和對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)氣溫的變化直接影響位移的變化，位移的變化狀態(tài)是通過以下4個(gè)溫度時(shí)段反應(yīng)出來的。

第1時(shí)段：持續(xù)降溫時(shí)段——?dú)鉁叵蜇?fù)（低）溫的下降期，時(shí)段內(nèi)氣溫呈波動(dòng)性下降趨勢(shì)。長春地區(qū)的持續(xù)降溫時(shí)段為每年的11月初至12月中下旬，最長至次年的1月上旬，約40～60d，如圖2～4所示。持續(xù)降溫時(shí)段的平均溫度在－5℃至－13℃之間，呈下降波動(dòng)趨勢(shì)。時(shí)段內(nèi)日最低氣溫達(dá)－20～－25℃，發(fā)生在持續(xù)降溫時(shí)段的末期。

圖4 第3寒期南湖公園露基船臺(tái)“凍拔”位移規(guī)律曲線和同期氣溫變化曲線（2012／2013寒期）

各寒期持續(xù)降溫時(shí)段船臺(tái)的位移曲線呈前期小幅平緩下降過渡到后期平緩上升趨勢(shì)。前期平緩下降表明船臺(tái)發(fā)生了較小的負(fù)位移，即下降位移；后期的平緩上升顯現(xiàn)出船臺(tái)發(fā)生了凍拔位移，并增大較快。筆者分析：出現(xiàn)下降位移的原因是船臺(tái)鋼筋混凝土板、基礎(chǔ)樁及周圍基土整體因降溫產(chǎn)生“冷縮”，引起船臺(tái)板臺(tái)面降低，即臺(tái)面降低是隨持續(xù)降溫收縮而繼發(fā)的，表現(xiàn)在船臺(tái)就是產(chǎn)生了緩慢的下降，類似出現(xiàn)了下降（負(fù)）位移。船臺(tái)凍拔位移曲線平緩回落即說明這一下降過程。這種下降是由于持續(xù)降溫使船臺(tái)、基礎(chǔ)樁和基土整體“冷縮”引起的，而非其他因素引起的“下降”。如：各寒期中該時(shí)段的最大下降位移在5mm左右。在持續(xù)降溫時(shí)段的初期，船臺(tái)基礎(chǔ)樁周圍的基土剛剛開始受凍，凍土層很薄，凍脹作用極小，沒形成足夠的向上的切向凍脹應(yīng)力τ（如圖1）推動(dòng)船臺(tái)基礎(chǔ)樁產(chǎn)生“凍拔”位移。持續(xù)降溫的中后期，隨凍土層逐漸凍結(jié)增厚凍脹性增強(qiáng)，作用于船臺(tái)基礎(chǔ)樁上的切向凍脹應(yīng)力τ逐漸加大。當(dāng)τ增大至超過樁和船臺(tái)平均重G和未凍土層對(duì)樁的摩擦阻力f之和時(shí)，即τ≥G＋f時(shí)［3］，船臺(tái)在其基礎(chǔ)樁推動(dòng)下開始產(chǎn)生凍拔位移Δ（mm）。隨切向凍脹應(yīng)力的不斷加大，船臺(tái)的凍拔位移也不斷增大。如：各寒期持續(xù)降溫時(shí)段的末期，各船臺(tái)的凍拔位移增大到5～10mm?？梢?，持續(xù)降溫時(shí)段的前期船臺(tái)降溫收縮產(chǎn)生下降位移，后期是凍拔位移產(chǎn)生的開始階段。

第2時(shí)段：持續(xù)低溫時(shí)段——持續(xù)低溫時(shí)段時(shí)間較長，氣溫在較低負(fù)溫下平穩(wěn)波動(dòng)，為年最低氣溫期。雖在時(shí)段末氣溫略有回升，但總體處于絕對(duì)負(fù)溫狀態(tài)。長春地區(qū)的持續(xù)低溫時(shí)段為每年的12月下旬至次年2月中下旬，約60d左右，如圖1～3所示。時(shí)段平均溫度在－8～－15℃之間，呈水平波動(dòng)趨勢(shì)。時(shí)段內(nèi)日最低氣溫達(dá)－22～－27℃，一般發(fā)生在當(dāng)年的12月下旬至次年的1月中旬。時(shí)段內(nèi)氣溫低且波動(dòng)小，為土凍結(jié)創(chuàng)造了充足的低溫條件。

觀察各實(shí)驗(yàn)寒期持續(xù)低溫時(shí)段船臺(tái)的凍拔位移曲線，如圖1～3所示，曲線呈上凸陡峭增長趨勢(shì)，上升梯度較大。表明在該溫度時(shí)段凍拔位移以較快的速度增大。如：各實(shí)驗(yàn)寒期持續(xù)低溫時(shí)段實(shí)測平均凍拔位移速度在0.315～1.123mm／d之間，最大凍拔位移速度達(dá)0.414～2.2mm／d。筆者分析：凍拔位移增速較快的原因是時(shí)段內(nèi)船臺(tái)樁基土處于絕對(duì)負(fù)溫的低溫環(huán)境（時(shí)段末氣溫雖有升高，但仍為較低的負(fù)溫）。長時(shí)間連續(xù)的低溫作用使凍結(jié)基土中的殘余未凍水凍結(jié)成冰，和地下水向凍結(jié)深度處遷移再凍結(jié)［2，4］，基土體積繼續(xù)膨脹，凍脹性持續(xù)增強(qiáng)［2，4］，使得作用于船臺(tái)基礎(chǔ)樁單位面積上的向上的切向凍脹應(yīng)力τ強(qiáng)度持續(xù)加大。同時(shí)，隨持續(xù)低溫基土凍結(jié)加深，基礎(chǔ)樁與凍結(jié)基土的接觸面積加大，致使作用于樁表面的切向凍脹應(yīng)力τ的絕對(duì)值加大，進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)樁的推動(dòng)作用。據(jù)前文分析，當(dāng)τ≥G＋f（符號(hào)意義同前）時(shí)，船臺(tái)即可發(fā)生凍拔并相應(yīng)產(chǎn)生凍拔位移。其中船臺(tái)與樁的平均自重G和未凍土層對(duì)樁的摩擦阻力f是定值，而在持續(xù)低溫時(shí)段切向凍脹應(yīng)力τ是隨凍土的凍脹強(qiáng)度和作用面積的增大而加大的，即切向凍脹應(yīng)力在長期持續(xù)的低溫作用下是持續(xù)增大的，必然導(dǎo)致基礎(chǔ)樁和船臺(tái)整體產(chǎn)生較快速的“凍拔”，即產(chǎn)生越來越大的凍拔位移。凍拔位移曲線呈上凸陡峭增長的特征印證了這一點(diǎn)。筆者認(rèn)為另一不容忽視的因素是：持續(xù)低溫下，一定厚度的凍土層在平面上無限延展形成剛度較大的平面塊體，由于塊體凍土中的未凍水隨持續(xù)低溫會(huì)繼續(xù)凍結(jié)，這個(gè)巨大的凍土塊體橫向凍脹將額外對(duì)船臺(tái)基礎(chǔ)樁產(chǎn)生較大的凍脹力。因凍土的各向凍脹特性［2，5］，凍土塊體的凍脹力的一部分以向上的切向凍脹應(yīng)力的形式作用于船臺(tái)基礎(chǔ)樁表面，參與對(duì)樁的“凍拔”。

各寒期持續(xù)低溫時(shí)段末期，氣溫在負(fù)溫下有一定幅度回升。如：長春地區(qū)的2月中下旬為持續(xù)低溫的末期，氣溫開始在負(fù)溫下回升，一般年份回升至3月中下旬達(dá)到正溫期。船臺(tái)樁基土向深層的凍結(jié)因氣溫回升而減緩。氣溫繼續(xù)回升接近正溫期，冷源減少，基土向深層的凍結(jié)將終止，此時(shí)土的凍結(jié)深度為該寒期的最大凍結(jié)深度［4，6］。且作用于船臺(tái)基礎(chǔ)樁上的切向凍脹應(yīng)力因基土凍結(jié)逐漸終止趨于恒定，凍拔位移不再增大，該時(shí)期的凍拔位移將為本寒期的“最大凍拔位移”?？梢姡畲髢霭挝灰瓢l(fā)生在持續(xù)低溫時(shí)段的末期，也是持續(xù)低溫時(shí)段向升溫時(shí)段的過渡轉(zhuǎn)折期。如圖2～4中的各寒期的實(shí)測最大凍拔位移在19～110mm之間，均發(fā)生在每年的2月中下旬。此時(shí)期均為各寒期持續(xù)低溫時(shí)段的末期，也是持續(xù)低溫時(shí)段向升溫時(shí)段的過渡轉(zhuǎn)折期。

第3時(shí)段：持續(xù)升溫時(shí)段——?dú)鉁叵蛘郎氐纳咂?，時(shí)段內(nèi)氣溫波動(dòng)性上升。長春地區(qū)的持續(xù)升溫時(shí)段為每年的2月下旬至3月中旬，最長至4月上旬。約30～40d，如圖2～4所示。各實(shí)驗(yàn)寒期持續(xù)升溫時(shí)段的平均溫度在－3～7℃之間，呈上升波動(dòng)趨勢(shì)；持續(xù)升溫時(shí)段的中晚期，日最高氣溫可上升至9～22℃。升溫時(shí)段氣溫的升高，為船臺(tái)樁基土解凍融化提供了溫度條件。

各寒期持續(xù)升溫時(shí)段，船臺(tái)凍拔位移曲線呈上凸平緩下降形態(tài)。說明達(dá)到最大凍拔位移的船臺(tái)又出現(xiàn)了下降，凍拔位移出現(xiàn)規(guī)律性的減小。并表現(xiàn)出升溫時(shí)段位移下降速度比持續(xù)低溫時(shí)段凍拔位移增長速度慢，如圖2～4所示。如：各實(shí)驗(yàn)寒期凍拔位移平均減小速度分別在0.114～0.676mm／d之間，同寒期各持續(xù)低溫時(shí)段（第2時(shí)段）凍拔位移增長速度相比，僅為凍拔增長速度的1／2.76～1／1.66，減小約40%～64%，說明持續(xù)升溫時(shí)段船臺(tái)凍拔減小的速度（船臺(tái)下降速度）比凍拔速度緩慢。筆者分析：因作用于基礎(chǔ)樁側(cè)凍土切向凍脹應(yīng)力隨凍基土的逐漸解凍而減小，船臺(tái)結(jié)構(gòu)在自重作用下整體下降，引起凍拔位移減小。而持續(xù)升溫凍土緩慢融化是土凍脹應(yīng)力減小的直接誘因。持續(xù)升溫首先使表層凍土內(nèi)的冰體融化形成融土，切向凍脹應(yīng)力相應(yīng)消失。隨氣溫繼續(xù)升高，凍土將以一定速度逐漸向凍層深處延伸融化，意味著延伸層內(nèi)融土的切向凍脹應(yīng)力也相應(yīng)消失，作用于船臺(tái)基礎(chǔ)樁上的有效切向凍脹應(yīng)力τ逐漸減小，船臺(tái)和基礎(chǔ)樁將在自重G作用下逐漸下沉達(dá)到新的平衡，表現(xiàn)為凍拔位移減小。其中凍土層融化速度決定切向凍脹應(yīng)力消失速度，也直接影響船臺(tái)下降或凍拔位移減小的速度。船臺(tái)下降到某低位（減小到某位移）時(shí)可達(dá)到一個(gè)“暫時(shí)平衡”，這個(gè)平衡是靠土層深處未融化的凍土層的剩余切向凍脹應(yīng)力暫時(shí)維持的。一旦該凍土層開始融化，切向凍脹應(yīng)力繼續(xù)減小，這個(gè)“暫時(shí)平衡”將被打破，船臺(tái)會(huì)繼續(xù)下降，凍拔位移繼續(xù)減小，直至最大凍深的凍土層全部融化［7－8］，作用于船臺(tái)基礎(chǔ)樁上的切向凍脹應(yīng)力最終全部消失，船臺(tái)和基礎(chǔ)樁重量最終靠融土層的摩擦阻力平衡。至此，持續(xù)升溫時(shí)段船臺(tái)的下降（位移減?。┬娼K止。不難看出，凍拔位移動(dòng)態(tài)平緩下降過程是一系列平衡被打破到建立新平衡的動(dòng)態(tài)往復(fù)過程的體現(xiàn)。而制約平衡的關(guān)鍵因素是持續(xù)升溫對(duì)船臺(tái)樁基凍土融化的進(jìn)程，基土向深層融化速度越快，船臺(tái)下降的位移速度越快，二者正相關(guān)。但持續(xù)升溫時(shí)段船臺(tái)的下降位移速度比持續(xù)低溫時(shí)段的船臺(tái)凍拔位移速度要慢得多。原因是船臺(tái)下降時(shí)即要克服剩余凍土層的切向凍脹應(yīng)力，還要克服升溫增厚的融土層和下部未凍土層的摩擦阻力，引起船臺(tái)下降速度緩慢。

需要指出的是，以下幾個(gè)因素對(duì)船臺(tái)凍拔和下降的影響也應(yīng)引起注意：1）凍土熱工作用影響：寒期內(nèi)，某凍結(jié)深度的基土在平面上形成一個(gè)巨大連續(xù)的凍土塊體。同其他材料一樣，在溫差作用下，凍土塊體也具有熱脹冷縮的特性。晝間升溫塊體吸熱膨脹，夜間降溫收縮。白天塊體的膨脹產(chǎn)生對(duì)船臺(tái)基礎(chǔ)樁的水平擠壓力，會(huì)抑制船臺(tái)基礎(chǔ)樁的下沉。甚至?xí)矔r(shí)助長船臺(tái)基礎(chǔ)樁的凍拔。但因凍土的蠕變特性［5，9－10］擠壓力隨時(shí)間推移會(huì)減小，抑制作用會(huì)減輕。夜間降溫收縮后的基土和樁之間產(chǎn)生脫離，這將有利于樁和船臺(tái)整體下降。足見，頻繁的熱脹冷縮作用將有助于船臺(tái)下降。應(yīng)該指出的是上述的擠壓力是由凍土塊體的熱脹產(chǎn)生的，而非凍脹產(chǎn)生，應(yīng)屬凍脹作用的次生力。此外，熱脹冷縮的高發(fā)期應(yīng)是持續(xù)低溫時(shí)段的末期至持續(xù)升溫時(shí)段的初期，因?yàn)榇藭r(shí)期的晝夜溫差大，脹縮效果明顯。頻繁的熱脹冷縮會(huì)使凍土表面產(chǎn)生縱橫交錯(cuò)的裂縫，裂縫在地表寬，在深層窄。裂縫破壞了凍土塊體的連續(xù)性，相應(yīng)削弱了對(duì)樁的凍脹作用，這也將有助于船臺(tái)的下降。2）光照的影響：白天光照提高了地表凍土的溫度，產(chǎn)生淺層融化。融化土層對(duì)船臺(tái)基礎(chǔ)樁的凍拔或下降失去作用。3）風(fēng)力和干燥氣候的影響：冬春季風(fēng)力較大，空氣干燥，基土表層凍土失水收縮，產(chǎn)生干縮裂縫，也將消減表層凍土對(duì)船臺(tái)基礎(chǔ)樁的凍脹作用，促進(jìn)船臺(tái)下降。

筆者認(rèn)為，在持續(xù)升溫階段船臺(tái)下降（位移減?。┦怯梢陨现T因素耦合作用的結(jié)果。船臺(tái)在時(shí)段的末期下降到趨于某恒定值不再減少，接近年剩值凍拔值?？梢姡掷m(xù)升溫時(shí)段凍拔位移緩慢減小，是船臺(tái)凍拔的“回落期”。

第4時(shí)段：正溫時(shí)段——?dú)鉁氐恼郎夭▌?dòng)期，時(shí)段內(nèi)氣溫在正溫下持續(xù)走高。長春地區(qū)正溫時(shí)段從3月下旬始至4月中下旬，最長至5月中旬。約30～50d。其后過渡為夏季溫度，不在實(shí)驗(yàn)期內(nèi)。各實(shí)驗(yàn)期正溫時(shí)段的平均溫度在4～17℃之間，均呈上升波動(dòng)趨勢(shì)。正溫時(shí)段日最高氣溫可上升至20～28℃。正溫時(shí)段的持續(xù)高溫，使船臺(tái)樁基土解凍融化。各寒期進(jìn)行的船臺(tái)基土凍深的挖掘試驗(yàn)，測量的最大凍結(jié)深度在0.9～1.2m之間。凍基土從持續(xù)升溫時(shí)段逐漸解凍融化，至正溫時(shí)段最大凍結(jié)深度內(nèi)的凍土全部融化。

觀察各寒期正溫時(shí)段的凍拔位移曲線，隨時(shí)間的推移，位移變化呈水平態(tài)勢(shì)。如圖1～3。表明正溫時(shí)段內(nèi)船臺(tái)即無凍拔位移，也無沉降位移，船臺(tái)下降終止，位移趨于恒定值。如前分析：從持續(xù)升溫時(shí)段至正溫時(shí)段的較長時(shí)間內(nèi)，船臺(tái)凍基土持續(xù)吸收升溫?zé)崃咳咳诨饔迷诖_(tái)基礎(chǔ)樁上的切向凍脹應(yīng)力全部消失。而融土層的摩擦阻力和未凍土層的摩擦阻力的共同作用力f成為抵抗船臺(tái)結(jié)構(gòu)整體下降的主要抗力。當(dāng)船臺(tái)和基礎(chǔ)樁自重G和總的摩擦阻力f相平衡時(shí)，船臺(tái)下降終止。正溫全時(shí)段的力場正是處于該平衡狀態(tài)，故正溫時(shí)段的各凍拔位移恒定于某值不變，位移曲線呈水平態(tài)勢(shì)，是凍拔位移的最終穩(wěn)定期。

正溫時(shí)段的恒定位移為經(jīng)歷一個(gè)寒期剩余的船臺(tái)凍拔位移值，也是真正意義上的年凍拔位移。如：自重較輕的船臺(tái)的不同觀測點(diǎn)上的年凍拔位移在8～81mm之間；較重的船臺(tái)在4～13mm，如圖2～4。另外，位移曲線又表現(xiàn)出：正溫時(shí)段的末期船臺(tái)凍拔位移有輕微增大，位移曲線略顯上升。在第3個(gè)寒期尤為明顯，如圖3所示。原因是該時(shí)段船臺(tái)樁基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)的土層含冰全部融化使樁基土含水率提高，另外地下水的循環(huán)補(bǔ)給也持續(xù)保持了樁基土的含水率，二者的供應(yīng)使樁基土的含水率高，處于飽和狀態(tài)。飽和土的浮力向上推動(dòng)船臺(tái)基礎(chǔ)樁，使船臺(tái)整體產(chǎn)生輕微上浮，表現(xiàn)為正溫時(shí)段的末期船臺(tái)出現(xiàn)輕微的上升位移，但正溫時(shí)段是年剩余凍拔位移的穩(wěn)定期。

研究也發(fā)現(xiàn)：寒期的平均氣溫偏高，船臺(tái)的凍拔量會(huì)整體減小。第2觀測實(shí)驗(yàn)研究期內(nèi)的船臺(tái)樁基礎(chǔ)“凍拔”位移特征曲線說明了這一點(diǎn)，如圖2所示。其位移變化和其他兩觀測實(shí)驗(yàn)研究期形態(tài)相似，但凍拔位移總體比其他兩期減小約75%左右。原因是該寒期氣溫偏高（暖冬），基土凍深淺，凍脹性弱，作用于船臺(tái)基礎(chǔ)樁上的切向凍脹應(yīng)力較小，相應(yīng)產(chǎn)生的凍拔位移較小，表現(xiàn)在該期船臺(tái)的“凍拔”位移特征曲線呈“扁平”狀態(tài)。

3 結(jié)語

湖岸露基船臺(tái)“凍拔”是自然現(xiàn)象，也是“凍害”。通過對(duì)3個(gè)寒期露基船臺(tái)實(shí)測“凍拔”位移曲線和同期氣溫的對(duì)比分析，反映出在寒期的4個(gè)不同溫度時(shí)段船臺(tái)產(chǎn)生不同形式的凍拔位移狀態(tài)。原因是4個(gè)時(shí)段的不同氣溫使基土產(chǎn)生了強(qiáng)弱不同的切向凍脹應(yīng)力作用于船臺(tái)基礎(chǔ)樁，最終以船臺(tái)的4種位移狀態(tài)表現(xiàn)出來?？梢姡诓煌瑲鉁匾鸬耐羶鋈跔顩r［10］是影響湖岸露基船臺(tái)凍拔位移狀態(tài)的關(guān)鍵。概言之，寒期船臺(tái)的凍拔呈4個(gè)溫度時(shí)段變化規(guī)律。

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