切向冻胀力的研究现状及展望

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.1050

摘要/Abstract

摘要：

土体冻胀产生的切向冻胀力是制约寒区基础工程建设和使用年限的主要原因，同时也是基础设计中的一个重要参数，深入研究切向冻胀力问题意义重大。通过回顾国内外相关文献，对切向冻胀力目前的研究现状进行了总结：从切向冻胀力产生的条件和过程角度出发，详细描述了切向冻胀力产生发展的机理；阐述了影响切向冻胀力的因素和切向冻胀力的分布规律；从试验、理论两方面入手，简要总结了切向冻胀力的测试方法和理论计算方法；简述了目前确定切向冻胀力取值的方法。最后，对切向冻胀力未来的研究方向提出了展望。

关键词: 冻土, 冻胀, 桩基, 切向冻胀力, 机理

Abstract:

In cold regions， the construction and service life of foundation engineering are restricted by tangential frost heaving force， one of the key parameters in design of foundations. Therefore， it is significant to study the tangential frost heaving force in depth. In this paper， the current research status of tangential frost heaving force was summarized by reviewing relevant literature at home and abroad. The development mechanism of tangential frost heaving force was described in details in terms of the conditions and process of tangential frost stress； the influence factors and the distribution laws of the tangential frost heaving force were also represented briefly. Starting with the experiment and theory， the test methods and theoretical calculation methods of tangential frost heaving force were expounded， and how to determine the value of tangential frost heaving force was also stated. This review also put forward prospects for the future research of tangential frost heaving force.

Key words: frozen soil, frost heaving, pile foundation, tangential frost heaving force, mechanism

中图分类号:

TU475⁺.2

张玺彦, 盛煜, 黄龙, 黄旭斌, 何彬彬. 切向冻胀力的研究现状及展望[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 865-877.

Xiyan ZHANG, Yu SHENG, Long HUANG, Xubin HUANG, Binbin HE. Study of the tangential frost heaving force： status and prospects[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(3): 865-877.

图/表 15

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参考文献 46

1	Zhou Youwu， Guo Dongxin， Qiu Guoqing， et al. Geocryology in China［M］. Beijing： Science Press， 2000： 9 - 14.
	周幼吾，郭东信，邱国庆，等. 中国冻土［M］. 北京：科学出版社， 2000： 9 - 14.
2	Ming Feng， Li Dongqing， Chen Shijie. Research on three-dimensional viscoelastic frost heaving force problem of pile foundation［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2016， 38（3）： 671 - 678.
	明锋，李东庆，陈世杰. 水分迁移对冻土细观结构的影响［J］. 冰川冻土， 2016， 38（3）： 671 - 678.
3	Chen Xiaobai， Liu Jiankun， Liu Hongxu， et al. Frost action of soil and foundation engineering［M］. Beijing： Science Press， 2006： 208 - 232.
	陈肖柏，刘建坤，刘鸿绪，等. 土的冻结作用与地基［M］. 北京：科学出版社， 2006： 208 - 232.
4	Ma Wei， Wang Dayan. Frozen soil mechanics［M］. Beijing： Science Press， 2014： 52 - 62.
	马巍，王大雁. 冻土力学［M］. 北京：科学出版社， 2014： 52 - 62.
5	Sun Chao， Shao Yanhong. Simulation studies of effect in foundation pit cantilever pile of horizontal frost heaving force under negative temperature［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2016， 38（4）： 1136 - 1141.
	孙超，邵艳红. 负温对基坑悬臂桩水平冻胀力影响的模拟研究［J］. 冰川冻土， 2016， 38（4）： 1136 - 1141.
6	Shi Peidong. Pile foundation engineering manual［M］. Beijing： China Communications Press， 2009： 18 - 56.
	史佩栋. 桩基工程手册［M］. 北京：人民交通出版社， 2009： 18 - 56.
7	Crory F E. Piling in frozen ground［J］. Journal of the Technical Councils of the American Society of Civil Engineers， 1982， 108（1）： 112 - 124.
8	Dai Huimin， Tian Deting. Tangential frost heaving force and its effect on pile foundation［J］. Bridge Construction， 1986（4）： 46 - 55.
	戴惠民，田德廷. 切向冻胀力及其对桩基的作用［J］. 桥梁建设， 1986（4）： 46 - 55.
9	Kim M， Seo H， Lawson W， et al. Tangential heave stress for the design of deep foundations revisited［C］// Proceedings of the 16th International Conference on Cold Regions Engineering. Reston， Virginia， USA： American Society of Civil Engineers， 2015： 404 - 415.
10	Tong Changjiang. Frost heave force of foundation［C］// Proceedings of the Symposium on Glaciology and Cryopedology held by the Geographical Society of China： cryopedology. Beijing： Science Press， 1982： 113 - 119. ［
	童长江. 基础的冻胀力［C］//中国地理学会冰川冻土学术会议论文选集：冻土学. 北京：科学出版社， 1982： 113 - 119.］
11	Xu Xuezu， Wang Jiacheng， Zhang Lixin. Frozen soil physics［M］. Beijing： Science Press， 2001： 213 - 231.
	徐学祖，王家澄，张立新. 冻土物理学［M］. 北京：科学出版社， 2001： 213 - 231.
12	Xu Xuezu， Deng Yousheng. Experimental study on water migration in freezing and frozen soils［M］. Beijing： Science Press， 1991： 98 - 103.
	徐学祖，邓友生. 冻土中水分迁移的实验研究［M］. 北京：科学出版社， 1991： 98 - 103.
13	Wu Ziwang， Shen Zhongyan， Zhang Jiayi， et al. Experimental study on tangential frost heave force of foundation when soil freezes［C］// Proceedings of the 2nd National Conference on Permafrost （selection）. Lanzhou： Gansu People’s Publishing House， 1981： 113 - 128. ［
	吴紫汪，沈忠言，张家懿，等. 土冻结时对基础的切向冻胀力［C］//第二届全国冻土学术会议论文选集. 兰州：甘肃人民出版社， 1981： 113 - 128.］
14	Dai Huimin， Zhang Yufu， Wang Kaisheng. Tangential frost heaving force and its connection with heave property of soil［C］// Proceedings of the 1st National Highway Science and Technology Innovation High-Level Forum. Beijing： Foreign Languages Press， 2002： 247 - 255. ［
	戴惠民，张玉富，王开生. 切向冻胀力及其与土的冻胀性关系［C］//第一届全国公路科技创新高层论坛论文集. 北京：外文出版社， 2002： 247 - 255.］
15	Liu Hongxu. Discussion on the distribution of tangential frost heaving forces along the lateral surface of pile［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 1993， 15（2）： 289 - 292.
	刘鸿绪. 对切向冻胀力沿桩侧表面分布的探讨［J］. 冰川冻土， 1993， 15（2）： 289 - 292.
16	Tong Changjiang， Guan Fengnian. Soil frost heave and frost damage prevention of building［M］. Beijing： Water Resources and Electric Power Press， 1985： 66 - 88.
	童长江，管枫年. 土的冻胀与建筑物冻害防治［M］. 北京：水利电力出版社， 1985： 66 - 88.
17	Penner E， Gold L W. Transfer of heaving forces by adfreezing to columns and foundation walls in frost-susceptible soils［J］. Canadian Geotechnical Journal， 1971， 8（4）： 514 - 526.
18	Penner E， Irwin W W. Adfreezing of lead clay to anchored to anchored footing columns［J］. Canadian Geotechnical Journal， 1969， 6（3）： 327 - 337.
19	Penner E. Uplift forces on foundations in frost heaving soils［J］. Canadian Geotechnical Journal， 1974， 11（3）： 323 - 338.
20	Ding Jingkang. Field test study on tangential frost heave force［C］// Proceedings of the 2nd National Conference on Permafrost （selection）. Lanzhou： Gansu People’s Publishing House， 1983： 250 - 253. ［
	丁靖康. 切向冻胀力的野外试验研究［C］//第二届全国冻土学术会议论文选集. 兰州：甘肃人民出版社， 1983： 250 - 253.］
21	Dai Huimin， Tian Deting， Yong Zhisheng. Research on tangential frost heave force of reinforced concrete piles for highway bridges［J］. Highway， 1986（10）： 15 - 25.
	戴惠民，田德廷，雍致盛. 公路桥梁钢筋混凝土桩切向冻胀力的研究［J］. 公路， 1986（10）： 15 - 25.
22	Dai Huimin. Calculation of anti-freeze extraction of reinforced concrete bridge piles［J］. Bridge Construction， 1989（1）： 63 - 66.
	戴惠民. 钢筋混凝土桥桩抗冻拔计算［J］. 桥梁建设， 1989（1）： 63 - 66.
23	Yuan Jun， Yu Haolin， Guan Shunqing， et al. Study on reduction of tangential frost-heave force on foundation with fiberglass sleeve［J］. Journal of Xi’an University of Architecture and Technology， 2016， 48（2）： 202 - 206.
	袁俊，于皓琳，管顺清，等. 玻璃钢套筒基础切向冻胀力消减作用试验研究［J］. 西安建筑科技大学学报， 2016， 48（2）： 202 - 206.
24	Yan Xiaojian. Experimental study on tangential frost heave froce of anti-heave pile in seasonal frozen regions［D］. Shijiazhuang： Shijiazhuang Tiedao University， 2017.
	闫晓建. 季节性冻土区抗冻拔桩体切向冻胀力试验研究［D］. 石家庄：石家庄铁道大学， 2017.
25	Johnson J B， Buska J S. Measurement of frost heave forces on H-piles and pipe piles： CRREL report 88-21［R］. Hanover， NH， USA： US Army CRREL， 1988.
26	Jun Shuai. Study on interaction between frozen soil and pile foudation［D］. Zhenjiang， Jiangsu： Jiangsu University， 2017.
	帅军. 冻土与桩基础相互作用研究［D］. 江苏镇江：江苏大学， 2017.
27	Lu Jianfei， Jun Shuai， Liu Jinxin. Experimental study on the interaction between pile and soil during the unidirectional freezing［J］. Journal of Chongqing Jiaotong University， 2017， 36（11）： 56 - 60.
	陆建飞，帅军，刘金鑫. 单向冻结过程中桩土相互作用试验研究［J］. 重庆交通大学学报， 2017， 36（11）： 56 - 60.
28	Zhang Lei， Wu Yaping， Wang Ning， et al. Analysis of the influence of groundwater seepage on the mechanical properties of model piles in frozen soil region［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2019， 41（2）： 350 - 356.
	张磊，吴亚平，王宁，等. 地下水渗流对冻土区模型桩力学特性的影响分析［J］. 冰川冻土， 2019， 41（2）： 350 - 356.
29	Wu Ziwang， Wang Yaqing， Shen Zhongyan， et al. Experimental study basis between the permafrost and freeze strength［C］// Proceedings of the 2nd National Conference on Permafrost （selection）. Lanzhou： Gansu People’s Publishing House， 1981： 129 - 141. ［
	吴紫汪，王雅卿，沈忠言，等. 基础与冻土间冻结强度的实验研究［C］//第二届全国冻土学术会议论文选集. 兰州：甘肃人民出版社， 1981： 129 - 141.］
30	Zhang Jinsheng， Hou Zhongjie， Cao Fu’en. Freezing force of foundation［C］// Professional papers on permafrost stuidies of Qinghai-Xizang Plateau. Beijing： Science Press， 1983： 98 - 105. ［
	张津生，侯仲杰，曹复恩. 基础的冻结力［C］//青藏冻土研究论文集. 北京：科学出版社， 1983： 98 - 105.］
31	Penner E. Frost heaving forces in Leda clay［J］. Canadian Geotechnical Journal， 1970， 7（1）： 8 - 16.
32	Linell K A， Kaplar C W. The factor of soil and material type in frost action［C］// Proceedings of the 38th Annual Meeting of the Highway Research Board. Washington， D.C.： Highway Research Board， 1959： 81 - 128.
33	Zhou Youcai. Calculation of frost heave force based on heave deformation in the scope restrained by foundation［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 1985， 7（4）： 335 - 346.
	周有才. 按基础约束范围内冻胀变形计算冻胀力［J］. 冰川冻土， 1985， 7（4）： 335 - 346.
34	Liu Hongxu. Using a method of double-layer foundation to calculate tangential frost heave［C］// Proceedings of the 2nd National Conference on Permafrost （selection）. Lanzhou： Gansu People’s Publishing House， 1983： 270 - 274. ［
	刘鸿绪. 用双层地基的计算方法计算切向冻胀力［C］//第二届全国冻土学术会议论文选集. 兰州：甘肃人民出版社， 1983： 270 - 274.］
35	Dalai D. Theoretical analysis on distribution of tangential forces of frost heaving over foundation surface［C］// Proceedings of the 8th International Forum on Strategic Technology. New York： IEEE， 2013： 598 - 601.
36	Ladanyi B， Foriero A. Evolution of frost heaving stresses acting on a piple［C］// Proceedings of the 7th International Conference on Permafrost. Yellowknife， Northwest Territories， Canada： Collection Nordicana， 1998： 623 - 633.
37	Lai Yuanming， Zhu Yuanlin， Wu Ziwang. A simple integral equation method for three-dimensional frost heaving force problem of piles［J］. Journal of the China Railway Society， 1998， 20（6）： 93 - 97.
	赖远明，朱元林，吴紫汪. 桩基冻胀力三维问题的积分方程解法［J］. 铁道学报， 1998， 20（6）： 93 - 97.
38	Mindlin R D. Force at a point in the interior of a semi-infinite solid［J］. Physics， 1936， 7（5）： 195 - 202.
39	He Fei， Wang Xu， Jiang Daijun， et al. Research on three-dimensional viscoelastic frost heaving force problem of pile foundation［J］. Rock and Soil Mechanics， 2015， 36（9）： 2510 - 2516.
	何菲，王旭，蒋代军，等. 桩基冻胀力的三维黏弹性问题研究［J］. 岩土力学， 2015， 36（9）： 2510 - 2516.
40	Lu J F， Yin J， Shuai J. A model for predicting the frost-heave effect of a pile embedded in the frozen soil［J］. Cold Regions Science and Technology， 2018， 146（1）： 214 - 222.
41	Liang Fayun， Chen Longzhu， Li Jingpei. Studies on the behaviors of single pile in homogeneous soil with integral equation method［J］. Rock and Soil Mechanics， 2004， 25（）： 130 - 133.
	梁发云，陈龙珠，李镜培. 积分方程法研究均质地基中单桩的工程性状［J］. 岩土力学， 2004， 25（）： 130 - 133.
42	Muki R， Sternberg E. Elastostatic load-transfer to a half-space from a partially embedded axially loaded rod［J］. International Journal of Solids and Structures， 1970， 6（1）： 69 - 90.
43	Design specifications of hydraulic structures against ice and freezing action：［S］. Beijing： China Planning Press， 2011.
	水工建筑物抗冰冻设计规范：［S］. 北京：中国计划出版社， 2011.
44	Code for design of soil and foundation of building in frozen soil region：［S］. Beijing： China Architecture and Building Press， 2011.
	冻土地区建筑地基基础设计规范：［S］. 北京：中国建筑工业出版社， 2011.
45	Code for design of ground base and foundation of highway bridges and culverts：［S］. Beijing： China Communications Press， 2007.
	公路桥涵地基与基础设计规范：［S］. 北京：人民交通出版社， 2007.
46	Zhu Yuanlin， Wu Ziwang， He Ping， et al. New progress and prospects for research on frozen soil mechanics of China［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 1995， 17（）： 6 - 14.
	朱元林，吴紫汪，何平，等. 我国冻土力学研究新进展及展望［J］. 冰川冻土， 1995， 17（）： 6 - 14.

方法		基本假设	主要计算公式	文献来源
经验计算法
用温度估算切向冻胀力		切向冻胀力随温度幂函数变化	式（3）	［16］
用冻结强度估算切向冻胀力		冻结强度近似等于切向冻胀力
用冻胀率估算切向冻胀力		不考虑冻土层的自重压力，桩侧土体的约束冻胀量曲线为幂函数	式（4）	［31，33］
用双层地基计算切向冻胀力		冻结前是单层的应力分布，随着土的冻胀，逐渐过渡到双层的应力状态		［34］
理论计算法
以土为研究对象	摩尔-库伦定律锚杆理论	法向冻胀力与切向冻胀力符合摩尔-库伦定律	式（7）	［35］
	摩尔-库伦定律锚杆理论	表面冻胀量与冻结层厚度成正比；冻结深度范围内，冻土的冻胀位移和冻胀速率随深度线性减小	式（8） ~ （9）	［36］
	叠加原理， Mindli公式	土体先发生自由冻胀，之后由于桩基对冻胀地基的反作用力引起反方向变形，两种变形的叠加形成了约束冻胀地表	式（10） ~ （11）	［37］
以桩为研究对象	层状饱和土模型， Muki虚拟桩	在冻土层中发生的冻胀应变在土体固结之前作为施加在桩土体系上的初始自由应变来处理；层状土的总应变场分解成自由冻胀应变和由于桩基础的存在引起的扰动应变	式（12） ~ （13）	［40］

指标	黏性土
总含水量W/%	W≤W_P	W_P<W≤W_P+7.5	W_P+7.5<W≤W_P+17	W>W_P+17 ~ 34
切向冻胀力/kPa	1.5 ~ 3	3 ~ 7	7 ~ 10	10 ~ 30
指标	砂性土、砾石土（粒径<0.05 mm的颗粒含量>12%）
饱和度S_r		S_r≤0.5或W≤12	0.5<S_r≤0.8或12<W≤21	S_r>0.8或W>21
切向冻胀力/kPa	开放系统	<2	2 ~ 10	10 ~ 20
切向冻胀力/kPa	封闭系统	<1	1 ~ 4	4 ~ 7
指标	砂砾土（粒径<0.05 mm的颗粒含量<12%）
饱和度S_r	S_r≤0.5或W≤12		S_r>0.5或W>12
切向冻胀力/kPa	≈0		<4
水（包括泥浆）冻结成冰时的切向冻胀力/kPa		15 ~ 20

基础类别	冻胀类别
基础类别	弱冻胀土	冻胀土	强冻胀土	特强冻胀土
桩、墩基础	30 ~ 60	60 ~ 80	80 ~ 120	120 ~ 150
条形基础	15 ~ 30	30 ~ 40	40 ~ 60	60 ~ 70

[1]	李艳, 金会军, 温智, 赵子龙, 金晓颖. 多年冻土区斜坡稳定性研究综述[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 203-216.
[2]	王飞, 李国玉, 马巍. 多年冻土区输油管道-管周冻土热力相互作用研究进展[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 217-228.
[3]	张将令, 李小二, 陈新明, 焦华喆, 李振华. 截齿滚动掘进冻土过程的影响因素数值模拟研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 229-240.
[4]	彭丽云, 华小宁, 刘德欣, 齐吉琳. 秸秆加筋粉土的冻胀特性研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 241-250.
[5]	李智斌, 赵林, 刘广岳, 邹德富, 汪凌霄, 杨斌, 杜二计, 胡国杰, 周华云, 王翀, 幸赞品, 赵建婷, 殷秀峰, 迟鸿飞, 谭昌海, 陈文. 冻结季沱沱河源多年冻土区活动层土壤水分含量分析[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 56-68.
[6]	周华云, 刘广岳, 杨斌, 邹德富, 赵林, 杜二计, 谭昌海, 陈文, 杨朝磊, 文浪, 旺扎多吉, 张浔浔, 肖瑶, 胡国杰, 李智斌, 谢昌卫, 汪凌霄, 刘世博. 长江上游沱沱河源区多年冻土发育特征[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 69-82.
[7]	刘广岳, 邹德富, 杨斌, 杜二计, 周华云, 肖瑶, 赵林, 谭昌海, 胡国杰, 庞强强, 王武, 孙哲, 朱小凡, 殷秀峰, 汪凌霄, 李智斌, 谢昌卫. 青藏高原腹地各拉丹冬南北坡多年冻土考察初步结果[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 83-95.
[8]	罗京, 牛富俊, 林战举, 刘明浩, 尹国安, 高泽永. 青藏高原多年冻土区热融滑塌发育特征及规律[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 96-105.
[9]	李飞,郭佳锴,张世强. VIC-CAS导热率和未冻水算法改进及其对多年冻土水热过程模拟的实验研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1888-1903.
[10]	王一博,吕明侠,赵海鹏,高泽永. 青藏高原多年冻土区活动层土壤入渗特征及机理分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1301-1311.
[11]	范星文,林战举,罗京,刘明浩,尹国安,高泽永. 高海拔多年冻土区路基工程行为对低温多年冻土长期影响的监测研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1323-1333.
[12]	王蓝翔,董慧科,龚平,王传飞,吴晓东. 多年冻土退化下碳、氮和污染物循环研究进展[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1365-1382.
[13]	冯晓琳,张艳林,常晓丽. 大兴安岭湿地多年冻土区活动层水热特征分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1468-1479.
[14]	赵容舟,梁二雷,姚晓亮,余帆. 冻融作用对不同初始状态基坑稳定性的影响研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1480-1488.
[15]	温理想,郭蒙,黄书博,于方冰,钟超,周粉粉. 大兴安岭北部多年冻土区植被对活动层厚度变化的响应[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1531-1541.