溫度變化對中國東北多年凍土地區(qū)地基承載力的影響

溫度變化對中國東北多年凍土地區(qū)地基承載力的影響

1凍土地基對氣候變化的敏感性自100世紀以來，地球氣候經(jīng)歷了世界轉(zhuǎn)型作為主要特征的顯著變化，這尤其是北半球的高緯度地區(qū)。中國東北部的多年凍土處于歐亞大陸(高緯度)多年凍土帶南緣。根據(jù)近50年的氣象觀測數(shù)據(jù),該地區(qū)年平均氣溫普遍升高0.9~2.2℃;升溫速率高于中國東北乃至全國其他地區(qū)的一般情況。按人類中等排放情況,至21世紀中期,中國東北氣溫將繼續(xù)升高2.5~3.0℃。近年來,國際社會對于未來可能發(fā)生的氣候變化對建筑、交通、水利基礎(chǔ)設(shè)施安全的影響予以極大的關(guān)注。國內(nèi)學(xué)者也就氣候變化對重點或大型工程設(shè)施影響的評價開展了大量的研究工作。伴隨著西部大開發(fā)和青藏鐵路等重點工程建設(shè),近年來對凍土地區(qū)工程穩(wěn)定技術(shù)進行了深入的研究,但凍土地基研究的區(qū)域大多局限于青藏高原。凍土是一種對氣候和環(huán)境變化極為敏感的不穩(wěn)定地質(zhì)體。而中國東北多年凍土由于溫度高、厚度小,凍土熱狀況不穩(wěn)定,對氣候變化更為敏感。然而,目前有關(guān)東北多年凍土地區(qū)建筑地基承載力對氣候變化的敏感性以及凍脹融沉作用變化趨勢等方面的研究還少有報道,本文嘗試在這方面開展一些研究工作。氣候變化對凍土地區(qū)建筑物穩(wěn)定性存在多方面的潛在影響。首先,由于凍土的強度主要由冰的膠結(jié)作用所提供,在氣候變化的背景下地基溫度的升高,凍土的強度以及凍土地基與樁之間的凍結(jié)強度會迅速降低,從而導(dǎo)致地基承載力的下降。隨著多年凍土地基溫度的升高以及多年凍土上限的下降,甚至完全融化,基礎(chǔ)的融沉變形數(shù)量會逐漸加大,基礎(chǔ)的蠕變速率會進一步加快。另外,在氣候變化影響下,季節(jié)活動層厚度發(fā)生變化,會不同程度地影響地基對結(jié)構(gòu)的凍脹作用的強度。凍土地區(qū)地基基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)建立在對凍土環(huán)境變化以及對凍土工程地質(zhì)條件科學(xué)評價和變化趨勢準確評估的基礎(chǔ)之上。掌握凍土地區(qū)不同類型凍土地基對氣候變化的敏感性規(guī)律以及凍融作用的變化趨勢,對在工程建設(shè)和養(yǎng)護中,有針對性的提出設(shè)計、施工和維護方案具有重要的價值。然而,目前國內(nèi)對于氣候變化及經(jīng)濟活動影響下凍土工程地質(zhì)評價以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變化趨勢預(yù)報等方面的工作尚處于起步和研究探索階段。在高溫凍土或低溫凍土以及高含冰量凍土或低含冰量凍土等不同類型的凍土地基中,哪種類型凍土地基的承載力對氣候變化更為敏感等問題有待深入分析和探討。按中等排放情景(0.05℃的年升溫率)本文采用有限元方法,分析和預(yù)測中國東北大片多年凍土地區(qū)和島狀多年凍土地區(qū)不同含冰量類型凍土地基溫度的狀況變化以及季節(jié)活動層厚度的變化;利用溫度場數(shù)值試驗結(jié)果和已有的力學(xué)試驗數(shù)據(jù),綜合分析了不同類型凍土地基承載力對地溫和氣溫變化的敏感性,評估氣溫變化對各類凍土地基承載力的影響。2溫度上升對基本溫度的影響有限分析2.1土壤溫度場模擬采用ANSYS平臺進行帶有相變的傳熱學(xué)有限元溫度場數(shù)值模擬。根據(jù)當?shù)毓こ痰刭|(zhì)條件,建立有限元模型。由于碎礫石以及含水率較低凍土的力學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定,本文數(shù)值試驗中僅選用黏性土進行分析,并選取15%、25%、35%、70%和100%等5種含水率作為典型地基土層含水率條件。鑒于當?shù)睾駥拥叵卤穸纫话悴怀^2m,將存在含土冰層的地基分為兩層,上層為70%或100%的高含水(冰)量土,厚度為2m;下層為含水率為35%黏性土,厚度為18m。35%及低于35%含水率場地按均勻土層處理。各層土的熱學(xué)參數(shù)(表1)均按文獻[13-14]中的建議值選取。在高緯度多年凍土地區(qū),冬季雪蓋對橋梁地溫狀況影響不容忽視。為此,在地表設(shè)置一定厚度的雪蓋層,采用生死單元方法模擬在寒季雪蓋的隔熱作用對地基溫度場的影響。每年10月至次年3月激活雪蓋單元,4~9月殺死雪蓋單元。土中相變熱按式(1)計算。式中:Q為相變熱(kJ/m3);L為水結(jié)晶或冰的融化潛熱,取334.56kJ/kg;ρd為土的干密度(g/cm3);w為土的總含水率;wu為凍土中的未凍水含量。根據(jù)文獻[13-14],凍結(jié)黏性土中未凍水含量按式(2)確定:式中:wp為塑限含水率;K為溫度修正系數(shù);T為計算土的溫度。根據(jù)東北多年凍土地區(qū)氣象觀測數(shù)據(jù),年平均氣溫TMAAT和年平均氣溫較差A(yù)取值如表2所示。根據(jù)對近60年來東北地區(qū)氣溫資料分析結(jié)果和有關(guān)對氣候變化趨勢預(yù)估的研究成果,年平均氣溫未來升溫速率取0.05℃/a。不考慮升溫的氣溫變化方程為考慮升溫的氣溫變化方程為樁體周圍(暖季)地面和(寒季)雪蓋頂面溫度按第一類邊界條件控制。根據(jù)現(xiàn)場實際觀測數(shù)據(jù)得到的回歸公式(5)確定:式中:Tsurface為地表溫度;Tair為氣溫。有限元模型兩側(cè)和下邊界不考慮地熱流的影響,均設(shè)置為絕熱的邊界。2.2地溫條件評價試驗結(jié)果的分析2.2.1含冰量凍土地基對氣溫變化的響應(yīng)數(shù)值試驗結(jié)果表明,隨著氣溫升高,不同類型凍土地基的溫度狀況變化進程各不相同,而不同地層深度的溫度對氣溫變化響應(yīng)存在一定的滯后效應(yīng)。以初始年平均氣溫-2℃條件下不同含水率地基(3m處)為例,圖1顯示了地基年平均溫度隨年平均氣溫變化規(guī)律。對數(shù)值試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析,得到各深度地溫年平均值隨年平均氣溫變化速率(升溫期間,地溫年均值變化量與年均氣溫變化量之比),如表3所示。從數(shù)值試驗結(jié)果可以看到,在氣溫變化影響下,低溫凍土比相同含冰量的高溫凍土溫度變化速率更快。這一數(shù)值試驗結(jié)果與吳青柏研究員在青藏高原觀測到的數(shù)據(jù)結(jié)果規(guī)律基本一致。但是,含水(冰)量對升溫速率的影響有些復(fù)雜。對于低溫多年凍土,高含冰量凍土(飽冰凍土和富冰凍土)比低含冰量凍土(多冰凍土和少冰凍土)變化速率更快,對氣溫變化更為敏感;而對于高溫多年凍土,高含冰量凍土不如低含冰量凍土變化速率快。從數(shù)值試驗結(jié)果中還可以看到,多年凍土地區(qū)中的季節(jié)凍土(融區(qū))地溫比多年凍土地基升溫速率更快。在氣溫變化影響下,凍土地基的升溫速率(地溫對氣溫變化的響應(yīng))要受兩個方面因素的影響和制約,一是地基土層的導(dǎo)溫系數(shù)(或?qū)嵯禂?shù)),二是凍土中參與冰-水的相變潛熱數(shù)量。凍土地基含冰量較高時,溫度變化則伴隨更多數(shù)量的冰-水相變,因此,導(dǎo)致高含冰量凍土地基溫度對氣溫變化的響應(yīng)更為遲鈍。但是,無論土層處于凍結(jié)狀態(tài),還是融化狀態(tài),高含冰(水)量土層的導(dǎo)溫系數(shù)均大于低含冰(水)量土層,因此,如果單純從熱傳導(dǎo)角度分析可以認為,高含冰量凍土地基(在東北地區(qū)高含冰量凍土地帶往往也是季節(jié)活動層的潮濕地段)溫度對氣溫變化的響應(yīng)越強烈。在相同氣溫升溫率情況下,如果初始凍土地基年平均溫度較高(處于劇烈相變區(qū)段),地基溫度變化伴隨著大量的冰-水的相變過程,因此高含冰量凍土地基溫度隨氣溫變化速率較慢。如果初始凍土地基年平均溫度較低,地溫變化伴隨相變熱量較少,此時導(dǎo)熱系數(shù)影響則成為主導(dǎo)影響因素,高含冰量凍土地基溫度隨氣溫變化速率更快。季節(jié)凍土地基年平均溫度上升較快也是同樣原因。2.2.2水冰量變化計算結(jié)果表明,隨著氣溫的升高,多年凍土上限(最大季節(jié)融化深度)逐年降低。升溫50a后最大季節(jié)融化深度(多年凍土上限)變化值如表4所示。多年凍土所處氣溫區(qū)域和凍土地溫類型以及土層含水(冰)量大小對最大季節(jié)融化深度(多年凍土上限深度)及其變化有較大影響。當前氣溫(或地溫)越高、地基土層含水(冰)量越小,最大季節(jié)融化深度(多年凍土上限)越深,融化深度隨氣溫升高的增加量越大。隨著氣溫升高,島狀多年凍土區(qū)的高溫低含冰量凍土將會全部消失;50a內(nèi)低溫低含冰量凍土地基上限下降0.46~1.56m。高溫高含冰量凍土最大融化深度增加值(0.58~8.22m)比低溫高含冰量凍土最大融化深度增加值(0.28~0.35m)更大。含土冰層地基最大融化深度增加值較小。可見,隨著年平均氣溫的上升,導(dǎo)致各類凍土地帶呈現(xiàn)不同程度的退化趨勢。3凍結(jié)強度對地基承載力的影響凍土地基的承載力主要取決于凍土的強度。對于樁基礎(chǔ),還應(yīng)考慮樁側(cè)凍土地基與樁體(樁側(cè)表面)之間的凍結(jié)強度對地基承載力的貢獻。凍土的強度和樁側(cè)土體與樁體之間的凍結(jié)強度均受溫度的顯著影響,且在氣溫變化影響下多年凍土上限(最大季節(jié)融化深度)的變化還會影響樁側(cè)表面凍結(jié)面積大小,進而影響凍土地基的承載力。3.1基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)抗剪強度隨立地溫度的變化規(guī)律地基溫度狀況對凍土的承載力及凍結(jié)強度具有強烈影響。本文采用國內(nèi)勘察設(shè)計規(guī)范以及與中國東北毗鄰的俄羅斯規(guī)范和文獻[17-18]中數(shù)據(jù)進行分析。圖2和圖3分別為明挖基礎(chǔ)底部凍土承載力和(不同深度的)樁端凍土承載力隨溫度變化規(guī)律,圖4和圖5是基礎(chǔ)與凍土界面抗剪強度隨溫度變化規(guī)律。圖中D為沉樁深度,i為地基含冰量,F為粉黏粒含量。從圖中可以看到,隨著溫度的升高,凍土的承載力和凍結(jié)強度急劇降低。特別是在高溫區(qū)段,凍土力學(xué)性質(zhì)受溫度變化的影響更為顯著。3.2凍土類型對地溫變化的影響設(shè)T為地基溫度,取T0=-1℃為參照溫度,σ0為T0=-1℃時凍土的承載力(強度)參照值。對圖2~5的數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)果表明,σ/σ0與T/T0之間具有較好的相關(guān)性,即在相同條件下,凍土的承載力(強度)僅為溫度的函數(shù)。如果采用冪函數(shù)描述溫度對凍土的承載力或凍結(jié)強度的影響,凍土類型之間(對承載力的影響)的差別僅體現(xiàn)在指數(shù)m上,即式中:m為僅與土質(zhì)及凍土類型有關(guān)的參數(shù)。通過回歸分析(圖6~9)得到各種凍土的參數(shù)m值,見表5。凍土的承載力(強度)隨溫度的變化率為顯然,凍土地基承載力(強度)對地溫變化敏感性取決于凍土類型(由參數(shù)m決定)和地基的溫度T狀況?？紤]到采用凍土地基承載力相對變化量比絕對量Δσ能更好地反映其隨溫度變化的敏感性,凍土地基承載力的變化比率為凍土地基承載力(強度)對地溫變化的敏感性,取決于凍土類型和地基溫度。根據(jù)表5,含土冰層及高含冰量凍土m值較大,因此對地溫變化較為敏感;而高溫凍土(Tground的絕對值較小)較低溫凍土承載力對地溫變化更為敏感。例如,在其他條件相同時,-1℃地基敏感性是-4℃的4倍。3.3不同類型凍土地基對氣溫變化的敏感性明挖基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)樁端凍土地基承載力對氣溫變化ΔTair的敏感性,取決于凍土地基承載力對地溫變化ΔTground的敏感性和凍土地溫對氣溫變化ΔTair的敏感性兩個方面。凍土地基承載力變化比率為顯然,明挖基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)樁端凍土地基承載力對氣溫變化敏感性主要取決于4個方面因素,凍土類型(由m確定)、當前地基溫度現(xiàn)狀Tground和凍土地基溫度對氣溫變化的敏感性以及氣溫變化的幅度ΔTair。氣溫變化幅度越大,凍土力學(xué)指標降低幅度越大。若考慮單位氣溫變化量(1℃)凍土地基的影響,則定義凍土地基承載力(強度)隨氣溫變化敏感性指數(shù)sT為對于樁基礎(chǔ),除樁側(cè)表面凍結(jié)強度隨溫度升高而降低之外,最大季節(jié)融化深度的增加也會導(dǎo)致地基承載力的下降。樁側(cè)表面凍結(jié)強度的變化比率采用下式近似計算:式中:H為樁長;ΔH為最大季節(jié)融化深度的增加量,則凍土對樁的凍結(jié)強度隨氣溫變化敏感性指數(shù)s′T為根據(jù)第2節(jié)中氣溫變化對地基溫度場影響有限元分析得到的dTground/dTair結(jié)果,可以計算出不同類型凍土地基的氣溫變化敏感性指數(shù)sT如表6所示。對于低溫凍土,含冰量越高,凍土地基承載力對氣溫變化越敏感,而含土冰層對氣溫變化最為敏感;對于高溫凍土,含冰量越高,凍土地基的力學(xué)性能對氣溫變化敏感性越差(由于高溫含土冰層在東北地區(qū)少有分布,本文則不予考慮)。深層凍土承載力對氣溫變化越敏感性較淺層弱,這主要是由于溫度上升向深層傳遞的滯后效應(yīng)所致。由式(10)可知,凍土地基當前溫度越高(越接近0℃),溫度變化對其力學(xué)性能影響越大,即高溫凍土比低溫凍土的力學(xué)性質(zhì)對溫度變化更為敏感。但根據(jù)有限元分析結(jié)果,隨氣溫的變化,低溫凍土溫度升高的速率較高溫凍土更快。因此,在相同的氣溫變化條件下,兩方面的影響可能會部分抵消。綜合作用的結(jié)果是深度3m處高溫凍土地基承載力對氣溫變化較為敏感,而較深層位敏感性指數(shù)差別不大。隨著氣溫升高,高溫凍土融化深度變化較快,這成為影響凍結(jié)強度對氣溫變化敏感性的主導(dǎo)因素。4凍土地基設(shè)計原則和基礎(chǔ)類型的確定年平均氣溫的上升,導(dǎo)致各類凍土地帶呈現(xiàn)不同程度的退化趨勢,進而也會在不同程度上影響構(gòu)筑物的長期穩(wěn)定性能。氣候變化對多年凍土地區(qū)構(gòu)筑物基礎(chǔ)穩(wěn)定性影響程度,取決于凍土地基溫度狀況對氣候變化的響應(yīng)(敏感性),以及凍土地基力學(xué)性質(zhì)對地基溫度變化的敏感性。地基初始溫度狀態(tài)和含冰量對凍土地基承載力隨氣溫變化的敏感性具有顯著的影響。含土冰層地基承載力對氣溫變化最為敏感。氣候暖化對高溫凍土明挖基礎(chǔ)(淺層地基)承載力以及樁-土凍結(jié)強度影響較為強烈,而深基礎(chǔ)樁端承載力受氣候變化影響相對較小。多年凍土地基設(shè)計,應(yīng)針對凍土工程地質(zhì)條件和地基不同溫度狀態(tài)、凍土