《Cold Regions Science and Technology》：Development of a large-scale laboratory setup for investigating frozen soil-pile interactions
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全球气候数据表明，2024年是自1850年有记录以来最暖的一年，2025年和2023年紧随其后，三年期间全球温度平均值连续三年超过工业化前水平1.5 °C以上，证实了地球变暖趋势的急剧加速。持续加剧的变暖导致多年冻土快速退化及活动层厚度增加，直接威胁桩基础的性
全球气候数据表明，2024年是自1850年有记录以来最暖的一年，2025年和2023年紧随其后，三年期间全球温度平均值连续三年超过工业化前水平1.5 °C以上，证实了地球变暖趋势的急剧加速。持续加剧的变暖导致多年冻土快速退化及活动层厚度增加，直接威胁桩基础的性能与稳定性。钢桩基础广泛用于多年冻土地区太阳能农场光伏（PV）面板及其他结构的支撑。全球变暖可导致夏季融沉、冬季冻胀、桩的冻拔以及冻结抗剪强度弱化等有害效应。多年冻土退化的加速 rate 使得评估和量化变暖对冻土-桩相互作用的影响成为迫切需求，以确保结构韧性。这些相互作用主要涉及两种机制：冻结抗剪强度和冻胀应力。冻结抗剪强度已通过现场和足尺试验的拔出/压入法以及大型室内试验进行了广泛研究。然而，冻结抗剪强度的理论基础仅限于Weaver和Morgenstern（1981）提出的相关性，该相关性在文献中几乎未得到验证。室内模型试验结果通常与现场试验的冻结抗剪强度相当，但小尺度界面剪切试验给出的结果明显偏低。冻土中的法向应力表征不足，关于摩擦分量对冻结强度的重要性存在未解决的争论。另一方面，冻胀应力在理论上仍然理解不足且论证不充分。追踪应力发展和分布的研究非常少，可能是由于普遍采用间接反力架法（RFM）而非应变片法（SGM）。传统的冻胀敏感性分类和分离势（SP）模型通常将粗粒土归类为非冻胀敏感性土，逻辑上将它们排除在深基础冻胀力的关键评估之外。然而，这一假设直接与历史俄罗斯文献相矛盾，后者认为细至中砂是在嵌入结构上产生最高冻结应力的土类。这一悖论因相互矛盾的现场观测而进一步复杂化。Penner和Goodrich（1983）以及Johnston和Buska（1988）的研究无意中记录了嵌入在推测为非冻胀敏感性粗粒地层中的桩上冻胀力的显著增加。驱动这种异常行为的机制仍然存在激烈争论且经验上未得到解决。Nidowicz和Shur（1998）基于早期俄罗斯相关性推测，这些严重影响源于粗粒层内异常强的冻结键的断裂，特别是当其覆盖在冻胀敏感性土之上时。这一冻结键断裂假说此后被广泛采用以解释切向冻胀应力。然而，物理验证仍然矛盾。Penner和Goodrich（1983）由于反力架的结构破坏无法提供详细的应力追踪来确认这一现象。相反，虽然Johnston和Buska（1988）成功使用了精确的应变片法（SGM），但其数据并未捕捉到表层砾石层内预期的尖锐力峰值。相反，他们观察到在零度等温线甚至到达下伏冻胀敏感性地层之前，冻胀力就已显著发展。这些历史矛盾和相互矛盾的现场观测突出了一个关键空白：传统的冻胀敏感性标准不足以预测复杂地层中的土-桩相互作用。具体而言，粗粒土在有利的水力条件下可以产生显著的冻致应力。这些条件包括来自相邻细粒土的水分迁移、冻融循环引起的孔隙水积累以及土级配的变化。因此，评估有水分供应的粗粒土的行为值得专门研究。本研究专门设计了实验方案，通过精确追踪受控增强水力条件下粗粒材料中的应力发展来解决这些历史差异。此外，现有研究数据库缺乏一种具体的实验方法学来准确监测桩上冻致应力的发展并考虑超载对冻土-桩相互作用的影响。纳入超载效应高度代表现场条件，其物理表征是双重的。首先，在多年冻土地区并考虑冻结强度时，超载代表上覆表层的重量，对永久冻土提供恒定的有效上覆压力。其次，对于季节性冻土，超载代表作用于基础水平的外部压力。例如结构恒载、工程填土或寒冷气候中常见的数米厚季节性积雪。在这两种情况下，该压力是调节冻结强度和冻致应力大小的关键变量。鉴于现有文献，当前的科学挑战和知识空白可概括为：常用间接测试方法的局限性、对超载调节冻应力发展的理解不足、缺乏对有利水力条件下粗粒土的专门研究以及现有经验相关性的验证不足。为解决这些空白，本研究的具体目标分为方法学进展、定量评估和假设检验。在方法学上，研究旨在通过（1）设计独特的大型室内试验装置以模拟超载加载下的冻土-桩相互作用，以及（2）采用直接应变片法（SGM）监测冻致应力的发展过程，建立更稳健和更具代表性的方法。在定量上，目标是（3）量化多年冻土变暖条件下桩承载力的百分比降低，以及（4）生成承受主动水分供应的粗粒土的物理应力分布剖面。最后，假设驱动的目标是（5）将峰值冻致应力的大小与长期冻结抗剪强度直接比较，以及（6）检验切向冻胀力仅由冻结键断裂控制的 prevailing 假设，最终根据文献中的现有概念和相关性验证这些发现。
研究背景：全球气候变暖导致多年冻土快速退化，活动层厚度增加，直接威胁多年冻土地区桩基础的性能与稳定性。钢桩基础广泛用于支撑光伏面板等结构，变暖引发的夏季融沉、冬季冻胀、桩的冻拔以及冻结抗剪强度弱化等问题日益突出。冻土-桩相互作用主要涉及冻结抗剪强度和冻胀应力两种机制。冻结抗剪强度虽经大量现场和室内试验研究，但其理论基础仅限于Weaver和Morgenstern（1981）提出的相关性，且鲜有验证；冻土中法向应力表征不足，摩擦分量对冻结强度的贡献存在争论。冻胀应力方面，由于普遍采用间接反力架法（RFM）而非应变片法（SGM），追踪应力发展和分布的研究极少。传统冻胀敏感性分类将粗粒土归为非冻胀敏感性土，但历史俄罗斯文献及部分现场观测表明粗粒土可在有利水力条件下产生显著冻致应力，机制尚存争议。此外，现有研究缺乏能准确监测桩上冻致应力并考虑超载影响的实验方法。为此，研究人员设计了一套独特的大型室内试验装置，采用直接应变片法监测冻致应力发展，并施加超载以模拟现场条件，旨在解决上述历史矛盾并量化变暖对桩承载力的影响。
研究方法：研究人员设计并搭建了大型室内物理模型试验装置，包括直径40 cm、高80 cm的土容器（内衬橡胶以减少边界摩擦）、固结仪加载系统（加载比5.45:1）用于施加超载、反力架及液压千斤顶用于桩的拔出试验。试验土为典型贫冰粗粒土（级配不良砂SP，细粒含量2%），钢桩为空心结构截面（HSS，外径6.0 cm，壁厚3 mm，长度155 cm，嵌入深度60 cm）。冷却系统由干冰（10–15 kg，铺设厚度约30 cm）、空调机组和保温隔离箱组成，模拟冻土条件；水分供应通过三次表面加水（每次约8 mm水深）模拟昼夜冻融循环和入渗。在桩身安装9片自补偿应变片（SCG）以测量冻致应力，并布设热电偶监测土和桩的温度。采用液压千斤顶进行拔出试验，荷载传感器和线性可变差动变压器（LVDT）分别测量拉力和位移。试验包括三个阶段：非冻结条件下的拔出试验（参照ASTM 2013）、冻结试验（持续五天）以及冻结条件下的拔出试验。数据通过Agilent 34970A数据采集系统以每10秒一次的采样间隔记录。
研究结果：
4.1 非冻结条件下的剪切强度行为：通过拔出试验获得了非冻结条件下试验桩的荷载-位移曲线，荷载传感器与顶部应变片测量结果吻合良好。
4.2 冻结试验期间的温度剖面：记录了冻结阶段土和桩的温度，展示了不同深度处温度随时间的变化以及拔出试验时的温度分布。
4.3 应变片上的总力：记录了冻结试验期间应变片读数，并据此解读了土冻结引起的桩身力。
4.4 冻结条件下的剪切强度行为：冻结条件下拔出试验的荷载-位移曲线显示，峰值冻结承载力达15 kN（对应桩头位移20 mm），而非冻结条件下峰值承载力为2.30 kN（对应位移4 mm）。冻结条件下荷载-位移曲线表现为弹性区（8 kN之前）后进入应变硬化阶段直至峰值，伴有荷载波动，归因于土颗粒和冰晶重排及应力重分布。研究表明，贫冰土中空心钢桩在多年冻土从平均?4 °C升温融化后可损失超过80%的初始承载力。冻结拔出 capacity 与Weaver和Morgenstern（1981）相关性预测结果吻合良好，不确定性带分析表明模型预测在合理参数变化下保持稳定。峰值冻致应力约377 kPa，长期冻结强度为296 kPa，增幅约27%。超载可限制冻胀应力（前提是超载不贡献于冻胀过程），粗粒土在有利水力条件下能够产生高冻胀应力，挑战了冻胀应力完全由冻结键断裂控制的 prevailing 假设。
讨论部分总结：研究人员对非冻结条件下桩的承载力进行了理论估算，采用β法预测的拔出承载力（1.7 kN）与实测值（2.3 kN）合理吻合，验证了室内模型和边界条件的可靠性。对冻致力和应力进行了热输出校正，结果表明土在冻结时对桩身施加压缩应力，最大压应力为318–417 kPa，约30小时后降至240 kPa，归因于应力松弛。冻致应力剖面随深度变化，靠近超载的桩段承受向下压缩应力，而底部段承受向上冻胀应力，中性线位置难以检测且可能随冻结锋面移动。超载限制冻胀应力但若其贡献于冻胀过程则例外。对冻结拔出承载力的验证表明，实测值与Weaver–Morgenstern相关性预测吻合良好，是该关键岩土相关性的少数大型室内验证之一。峰值冻致应力与长期冻结强度的比较显示前者高出约27%，这一差异可能源于冻土和冰的蠕变强度降低、桩界面活动冰透镜体的形成以及冻结锋面推进速率驱动的加载速率效应。研究指出了实验设置、边界条件和测量方面的局限性，包括单次重复无法评估可重复性、单一超载量级、封闭橡胶衬里容器限制侧向土体移动、人工供水可能产生高于现场条件的冻致应力等，建议在更广泛条件下进一步测试。
研究结论翻译：研究人员在室内使用独特试验装置开展了一项全面的实验计划，研究空心钢桩在冻结贫冰土中的行为。该调查涉及超载压力和增强水力条件下的冻结抗剪强度和冻致应力。主要发现总结如下：（1）本研究提出的实验装置为研究冻土-桩相互作用提供了更具代表性和稳健的方法学途径，其全面的仪器配置有助于对广泛影响变量进行系统参数分析，高保真应变片法（SGM）为大型装置中监测冻致应力提供了准确手段。（2）贫冰冻结土中空心钢桩的承载力在周围多年冻土从平均?4 °C升温时可降低80%以上，这一保守量化突显了寒冷地区深基础可持续性面临的重大挑战。实测拔出承载力与Weaver和Morgenstern（1981）提出的冻结抗剪强度相关性预测吻合良好，尽管该相关性常被用于估算钢桩冻结强度，但其验证有限。（3）对超载压力对桩身冻致应力发展的影响进行了专门研究，结果表明超载压力可限制冻胀应力，前提是其不贡献于冻胀过程，即在冰环或天然湿粒状回填土置于原状土之上并与基础元件接触的情况下；然而，需在多种超载水平下进一步测试以稳健确认该趋势。（4）结果突显了粗粒土在有利水力条件下对嵌入结构产生高冻胀应力的能力，与文献中先前未解释的现场观测一致，挑战了冻胀应力完全由冻结键断裂控制的 prevailing 假设；但 exact 应力水平可能因尺度效应和封闭边界而在开阔现场条件下有所不同，需进一步现场和实验研究评估观察趋势的普遍适用性。（5）贫冰土中钢桩峰值冻致应力约达377 kPa，而长期冻结强度为296 kPa，增幅约27%，为简化俄罗斯相关性的适用性提供了进一步见解，该相关性将峰值冻致应力和长期冻结强度置于相似范围内。
