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原文传递基于人工冻结的多年冻土区桩基础沉降病害应急抢修技术研究

论文题名：	基于人工冻结的多年冻土区桩基础沉降病害应急抢修技术研究
关键词：	多年冻土区;桩基础工程;应急抢修;人工冻结法;温度场
摘要：	由于多年冻土桩基础埋深较大，可将上部荷载传递到深部持力层中，同时对气候变化的适应性较强，在多年冻土区工程建设中得到越来越广泛的应用。在青藏铁路、公路桥梁工程建设中，桩基础被大量采用。近年来青藏高原气温逐渐攀升，降水量逐年增加，高原热融湖塘不断扩张，加剧了多年冻土的退化以及不连续性，导致多年冻土区的桩基础工程在长期使用过程中承载性能出现不同程度的劣化效应。冻土区桩基础的劣化效应主要表现为运营期沉降变形的加剧。目前，针对多年冻土区桩基础沉降病害的整治手段匮乏，整治时间漫长且效果有限，无法满足道路桥梁短期恢复运行的需求。为了健全多年冻土区桩基础病害防控技术，科技支撑寒区工程的维护抢修，本文基于现场沉降病害监测资料研究了多年冻土退化背景下桩基础的变形响应，提出将人工冻结技术应用于多年冻土区桩基础沉降病害的应急抢修方法，通过室内模型试验和数值分析的方法验证了人工冻结技术在多年冻土区桩基病害治理工程的可行性，评估了主动降温技术对桩基础的冷却效果，并对人工冻结工艺参数进行优化设计。主要研究结论如下：　　（1）根据传热学理论，采用COMSOL有限元软件建立了桩土温度场模型，分析了全球气候变暖的情形下桩周地温场与桩土界面温度变化情况，得出30年内桩土界面温度提升，承载力退化，2040年桩基础承载力相较于2010年下降了24.99%。　　（2）室内试验验证了桩侧土体的升温会导致桩基础承载能力下降，桩基出现显著的沉降变形。而人工冻结技术可以有效冷却桩侧地基土，保证桩基热稳定性。升温导致桩顶变形加剧，桩顶位移变形增加，人工冻结制冷后桩基础位移变形减缓，最终达到稳定。　　（3）基于建立的桩基础-冻结管流固耦合传热计算模型，计算了人工冷却技术对冻土桩基础的降温效果。结果表明，在流速为1m/s，循环冷液为-30℃的条件下对冻土桩基础冻结96h，桩土界面温度平均降低1.3℃。而且桩身中上部降温幅度较大，随着深度增加降温效果逐渐减小。在降温过程中，桩侧形成了以冻结管为中心的呈纺锤状的“冻结柱”，且随着冻结过程的延续，其包络体积逐渐增大。　　（4）通过对不同冻结工艺参数（冷液温度Tin、循环速度u、管径dh以及冻结管距离桩的距离h）进行正交模拟试验，分析了各工艺参数影响桩基础降温效果的敏感性。结果表明，各因素的敏感性排序为：冻结管距离桩的距离＞冷液温度＞冻结管管径＞循环速度。　　（5）尽管人工冻结法会显著冷却桩基础，但桩侧地温会在冻土无限冷源的作用下逐渐恢复至人工冻结前热状态。桩侧冻土含冰量愈小，降温效果愈显著，但是降温后桩侧土体恢复至冻结前的热状态所需时间越短。在富冰冻土中，尽管降温效果较少冰冻土不显著，却可以维持较长的低温热状态。从整个人工冻结法处置桩基础病害过程来看，场地冻土含冰量愈大，效果愈好，愈有利于维持桩侧冻土热稳定性。
作者：	范长新
专业：	道路与铁道工程
导师：	王旭;温智
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022