水化热引发的冻融-再冻结过程中多年冻土区灌注桩周围水分迁移与桩侧阻力变化

《Infrastructures》：Moisture Migration and Variation in Pile Shaft Resistance During Hydration-Heat-Induced Thawing–Refreezing Around Cast-in-Place Piles in Permafrost

　　

多年冻土（permafrost）区灌注桩（cast-in-place piles）的桩侧阻力（shaft resistance）通常采用现场勘察获得的初始含水率（moisture content）和冻土（frozen soil）强度参数进行估算。然而，混凝土水化热（hydration heat）扰动了周围冻土的温度场。在融化及随后的再冻结（refreezing）过程中，这种扰动引发了未冻水（unfrozen water）迁移和水分重新分布。由此产生的冻土-桩界面变化可能导致实测桩侧阻力偏离初始设计估算值。本研究开展了室内直剪试验（direct shear tests）和工程导向的缩尺桩-土段试验（reduced-scale pile–soil segment tests）。研究人员研究了初始含水率和土层分层（soil stratification）对界面抗剪强度、周围温度场以及试验后水分分布的影响。还进行了竖向桩压缩试验（vertical pile compression tests）以评估桩侧阻力的变化。主要结果如下：（1）混凝土-冻土界面的抗剪强度随含水率呈非线性变化，先增大后减小，在含水率30%时达到最大值。（2）周围冻土的温度升高受土层分层和初始含水率的共同控制。含水率越高，峰值温升越小。在近桩区域，不同含水率土层之间的峰值温度最大差异约为10.8%。（3）在融化和再冻结过程中，水分迁移受温度梯度和不同土层水分条件的共同影响。未冻水在温度梯度、毛细效应和冻结吸力（freezing suction）作用下向较冷区域或较低含水率土层迁移，导致近桩区域水分亏缺和局部水分富集。对于A组模型，初始状态估算值低估了实测峰值桩侧阻力12.45%。相比之下，对于分层B1模型，初始状态估算值高估了实测峰值桩侧阻力20.58%。（4）引入了一个初步的集总等效系数（lumped equivalent coefficient, k_eq），以建立含水率与局部等效界面阻力之间的关系。在计算中纳入实测试验后近桩水分分布后，A组的相对偏差从12.45%降至7.36%，B1组从20.58%降至9.66%。

**论文解读：水化热扰动下多年冻土区灌注桩桩侧阻力演化机制研究**

**研究背景与问题**
在多年冻土（permafrost）工程中，灌注桩（cast-in-place piles）因其高承载力、强适应性和施工便利性而被广泛应用于桥梁、道路等冷区基础设施建设。然而，与常规地区桩基不同，多年冻土区灌注桩受施工热扰动影响显著。新鲜混凝土水化热（hydration heat）释放会改变周围冻土的原位热平衡，导致局部升温甚至融化，并在负温条件下重新冻结。在融化-再冻结过程中，未冻水（unfrozen water）在温度梯度、毛细吸力和冻结吸力（freezing suction）驱动下发生迁移，改变冻土-桩界面的胶结状态和力学响应。现有研究分别从冻土-结构界面行为、热扰动与再冻结、水分迁移及桩基承载性能等角度进行了探讨，但尚未系统阐明水化热引发的水热扰动如何定量影响桩侧阻力（shaft resistance）的发挥。特别是，如何将实测的桩周水分分布转化为深度相关的等效界面阻力，并整合至桩侧阻力评估中，仍缺乏有效手段。为此，研究人员开展了本项研究，旨在揭示水化热引发的水分迁移对桩侧阻力的影响机制，并建立基于实测水分分布的反分析框架。论文发表在《Infrastructures》期刊。

**关键技术方法**
研究人员采用室内直剪试验（direct shear tests）和工程导向的缩尺桩-土段试验（reduced-scale pile–soil segment tests）相结合的方法。试验用土取自国道218线那巴公路多年冻土段，主要分类为粉质黏土（silty clay），天然含水率为21%。直剪试验制备了5种目标含水率（15%、20%、25%、30%、35%）的混凝土-冻土复合试件，在-1.5°C条件下养护28天后进行剪切，以建立界面强度与含水率的关系。缩尺模型试验基于察汗努尔15号桥原型灌注桩（直径1.5 m，长24 m），设计了A组（大比例，直径0.20 m）和B组（小比例，直径0.075 m）两组模型。A组模型为4层分层土（含水率15%、35%、25%、15%），B组包括一个分层模型（B1，含水率35%、25%、15%）和三个均质模型（含水率15%、25%、35%）。模型桩在-1.5°C环境中预冻结后浇筑C35混凝土，28天后进行竖向压缩试验（速率20 mm/min），记录荷载-位移曲线，并监测温度场和试验后含水率分布。

**研究结果**

**3.1 冻土-桩界面抗剪强度**
通过直剪试验，研究人员发现混凝土-冻土界面黏聚力（cohesion）和内摩擦角（internal friction angle）随含水率呈非线性变化，先增后减，在30%含水率时达到最大值（黏聚力71.6 kPa，内摩擦角36.6°）。当含水率超过30%时，过量水分导致冰晶重组和界面分离，削弱了界面胶结强度。

**3.2 桩周冻土温度场演化**
温度监测显示，所有测点温度变化呈现快速升温、缓慢降温和热稳定三个阶段。水化热影响随径向距离增加而减弱。在近桩区域（0.5 cm），不同含水率土层的峰值温度最大差异约10.8%，高含水率土层因相变吸热和热传导增强，抑制了温升。分层土中，均质土的热积累比分层土更显著，例如15%含水层中均质模型峰值温度比分层模型高2.1%。

**3.3 桩周冻土水分重新分布**
试验后含水率测定表明，未冻水在温度梯度、重力和冻结吸力驱动下发生水平扩散和垂向累积。近桩区域水分亏缺，远桩区域和土层界面处水分富集。A组模型中，近桩区域（0.5–10 cm）含水率普遍降低，初始35%含水率土层在近桩位置水分损失率达18.7%，而30 cm处出现显著水分积累。分层B1模型中，上层高含水率土层出现强烈侧向扩散，中层过渡带形成双向水分累积，下层低含水率区域近桩位置因向上吸力和侧向迁移导致严重水分亏缺。均质模型中，水分迁移强度随初始含水率增加而增大，中下部形成明显水分富集区。

**3.4 桩-土体系承载破坏特征**
竖向压缩试验的荷载-位移曲线均呈现弹性增长、峰值破坏和残余承载三个阶段。A组大模型在位移35 mm时发生界面脆性破坏，峰值荷载120.13 kN，初始状态估算值105.17 kN，相对偏差12.45%。分层B1模型在较小位移（约9.6 mm）达到峰值17.59 kN，随后承载力下降约58%，表现出早期界面失效和显著峰后退化。均质模型中，桩侧阻力随初始含水率增加而增大，但增幅递减，与直剪试验的非线性趋势一致。

**3.5 等效桩侧阻力经验关系**
研究人员基于直剪试验结果，拟合了界面黏聚力-含水率关系：c_int(w) = exp(3.028 + 0.0773w ? 0.00122w²)。并利用均质B2模型桩的峰值荷载反算集总等效系数k_eq，建立了k_eq(w) = 0.036w + 2.69667的线性关系。由此得到等效桩侧阻力表达式τ_eq(w) = k_eq(w)·c_int(w)。将实测试验后近桩水分分布代入后，A组相对偏差从12.45%降至7.36%，B1组从20.58%降至9.66%，表明基于水分分布的空间更新方法有效改善了估算精度。

**讨论与结论**
讨论部分指出，A组和B1组估算调整方向相反（A组增加，B1组减少），说明水分重新分布的影响取决于水分亏缺和富集区相对于桩身的位置，而非平均含水率。分层土中远桩富集区对桩侧阻力的贡献有限，而近桩水分亏缺会削弱局部界面胶结，导致非均匀荷载传递和渐进性脱粘。该框架目前作为反分析诊断工具更适用，未来需结合现场监测或耦合水热力学模型预测近桩水分分布，才能用于工程设计。

研究结论翻译如下：
（1）混凝土-冻土界面抗剪强度随含水率增加先增大后减小，在30%时达到峰值，此时黏聚力和内摩擦角分别为71.6 kPa和36.6°。桩周土体温升受土层分层和初始含水率共同控制，高含水率因强吸热能力降低温升，近桩区域不同含水率土层峰值温度最大差异约10.8%。
（2）在融化-再冻结过程中，水分迁移受温度梯度和不同土层水分条件共同影响。未冻水在温度梯度、毛细效应和冻结吸力作用下向较冷区域或较低含水率土层迁移，导致近桩水分亏缺和局部水分富集。分层B1模型瞬时峰值阻力略高于均质25% B2模型，但出现更早的界面破坏和更显著的峰后退化。
（3）通过引入集总等效系数k_eq，建立了含水率与局部等效界面阻力的初步经验关系，以考虑水化热扰动后桩周水分空间重新分布。以实测峰值桩侧阻力为参考，A组相对偏差从12.45%降至7.36%，B1组从20.58%降至9.66%。