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摘 要：由于全球氣溫升高，導(dǎo)致多年凍土逐漸退化，嚴重影響上部構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。尤其在日漸復(fù)雜的氣候環(huán)境下，極端天氣、氣候的頻繁發(fā)生，使得多年凍土區(qū)的地基承載力的變化更加復(fù)雜。以多年凍土區(qū)某高溫、高含冰量地段為例，考慮太陽輻射、凍土相變、大氣對流、氣候變暖等因素，通過數(shù)值方法計算分析了某單樁豎向承載力在短期異常氣候作用下的響應(yīng)。結(jié)果表明：短期異常變暖氣候?qū)痘休d力有降低作用，主要體現(xiàn)在降低樁土界面凍結(jié)強度，對凍結(jié)面積的大小基本沒有影響，氣候變暖對凍結(jié)強度影響時間長而且不可消除；升溫幅度越高，承載力降低越強；極寒極暖交替期間，樁基的承載力隨著外界氣溫波動，寒暖期交替過后對樁基承載力基本沒有影響。
關(guān) 鍵 詞：多年凍土；樁基；承載力；氣候異常；響應(yīng)

　　1 引 言
　　由于全球氣溫升高，導(dǎo)致多年凍土逐漸退化，青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)地溫場正在向著不利于凍土生存的方向發(fā)展，嚴重影響上部構(gòu)筑物的穩(wěn)定性^[1－2]。青藏高原氣候變暖的大趨勢是無法改變的，而且其變化特征也是動態(tài)的^[3－6]。在日漸復(fù)雜的氣候環(huán)境下，極端天氣的頻繁發(fā)生使得多年凍土區(qū)的地基承載力的變化更加復(fù)雜，把握多年凍土區(qū)樁基承載力對外界氣溫環(huán)境變化的響應(yīng)，是多年凍土區(qū)結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵因素之一。
　　米維軍等^[7]對清水河段建成后橋梁樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性進行了實地觀測，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)指出位于樁周不同距離的凍土層的最大融化深度是不同的，而且最大融化深度逐年有加深的趨勢。郭春香等^[8]利用數(shù)值方法考慮太陽輻射、氣候變暖、凍土相變等因素計算分析了多年凍土區(qū)單樁承載力的長期穩(wěn)定性。在以往的數(shù)值分析方法中考慮氣候變暖因素一般都指的是年平均氣溫是線性升高的，例如：未來50年年平均氣溫升高2.6 ℃，而實際年平均氣溫的升溫幅度不是線性的，在某些年份年平均氣溫高或低于預(yù)測線性年平均氣溫，有時會出現(xiàn)連續(xù)幾年的實際年平均氣溫高于預(yù)測值，那么這種短期的高溫對樁基承載力是否會產(chǎn)生影響，其影響程度與持續(xù)時間，對于把握整個結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性，無疑是至關(guān)重要的。
　　2 計算模型與邊界條件
　　本文以具有代表性的青藏高原清水河段某典型濕潤性地段凍土區(qū)某橋梁鉆孔灌注樁作為分析模型（圖1），樁直徑為1 m，樁長為23 m，其中3 m裸露在大氣中。取1/4作為分析模型。土層性質(zhì)及熱物理參數(shù)見參考文獻^[9]。 　　2.1 短期氣候異常模式
　　青藏高原的氣候變化已有許多研究?？偟膩碚f，已發(fā)現(xiàn)以下主要特征：①青藏高原自20世紀60年代以來氣溫有變暖趨勢，某些變暖地區(qū)降水又明顯減少，形成變暖、變干而造成環(huán)境惡化；②高原的變暖程度存在隨高度增加而增加的傾向^[3－6]。朱文琴等^[10]利用青藏高原實測氣溫得到各區(qū)域年平均氣溫距平值，如圖2所示，可以看出每年的實際年平均氣溫在平均值T附近波動，1951年東南區(qū)的年平均氣溫的平均值在4.2 ℃左右，說明這一年的年平均氣溫高于1950－2000年平均氣溫4.2 ℃，東區(qū)1950－1955年的距平值都在1.5 ℃～2.5 ℃之間，說明在這5年的年平均氣溫均高于1950－2000年平均氣溫。 　　為了體現(xiàn)短期暖期作用下樁基承載力的響應(yīng)，根據(jù)以往的實測數(shù)據(jù)加以簡化，設(shè)計了4種氣候模式如圖3所示。大氣溫度設(shè)計為正弦函數(shù)： 　　式中：為與混凝土相接觸的大氣溫度；為不同的年平均氣溫變化模式（℃）；t為時間（h）；為初始相位角（rad）； 為年平均氣溫升溫幅度（℃/h）。文中，對應(yīng)未來50年氣溫升高2.6 ℃。
清水河地區(qū)年平均氣溫變化^[8]模式1為
　　年平均氣溫變化模式2為 　　年平均氣溫變化模式3為 　　年平均氣溫變化模式4為 　　2.2 大氣對流和太陽輻射
　　裸露在大氣中的樁基礎(chǔ)表面吸收太陽輻射熱量，同時與大氣自然對流換熱、接受地面和其他結(jié)構(gòu)的漫輻射，忽略漫輻射則裸露在空氣中的混凝土結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)方程為 　　式中：為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m•℃)）；T為混凝土表面溫度（℃）；n為溫度梯度方向（℃/m）；h為考慮對流與輻射中和熱交換系數(shù)（W/(m²•℃）；為與混凝土相接觸的大氣溫度（℃）；為混凝土結(jié)構(gòu)表面太陽輻射吸收系數(shù)；S為太陽輻射強度（W/m²）。
忽略樁基礎(chǔ)陰陽面接受輻射強度的不同及一天當中的輻射強度的變化，太陽輻射強度采用依據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的1998－2002年的青藏高原輻射數(shù)據(jù)^[10]，經(jīng)回歸，得 　　混凝土結(jié)構(gòu)表面太陽輻射吸收系數(shù) 取值為0.42^[11－12]，由于高原風(fēng)速較大，混凝土表面平均對流換熱系數(shù)，取W/(m²•℃)^[13]。
　　2.3 初始及邊界條件
　　2000年7月份實測地溫作為初始地溫。由于樁周附近凍土溫度受樁基和較遠處凍土共同作用，經(jīng)試算取樁周1 m范圍內(nèi)凍土附面層為自由邊界。樁基礎(chǔ)表面受太陽輻射和大氣對流共同作用，樁周
　　1 m以外范圍采用附面層理論。固定邊界上的邊界條件為 　　式中：為地溫梯度，可取0.03 ℃/m；為地表下附面層溫度，且有 　　式中：，對應(yīng)年平均氣溫-3.4 ℃，未來50 a氣溫升高2.6 ℃。
　　3 數(shù)值結(jié)果
　　3.1 活動層厚度
　　通過圖4可以看出，未來50 a年平均氣溫升高2.6 ℃條件下，樁土界面的最大融化深度呈線性逐年增加，2010－2050年40年間最大融化深度從2.63 m升至2.94 m，增加0.31 m。在年平均氣溫變化模式2、模式3的作用下，樁土界面的最大融化深度也隨著氣溫變化而變化，最大融化深度分別較模式1增加0.28、0.88 m。說明最大融化深度與外界氣溫有直接的關(guān)系，隨著氣溫的增加而增加且反應(yīng)敏感。 　　3.2 樁土界面溫度
　　通過圖5～8可以看出，在短期氣候變暖條件下，樁土界面溫度均有升高，且升溫幅度越大，樁土界面溫度升高愈烈。假定的邊界條件年平均氣溫從2019年開始升高，2020年達到最高，2021年末恢復(fù)正常年平均氣溫，從樁土界面升溫率圖中可以看出，在變暖的2019－2021年主要在地面以下10 m范圍內(nèi)的樁土界面升溫率顯著，之后的2022年最大升溫率降低，但升溫范圍向越深處樁土界面發(fā)展，升溫范圍增大，幅度降低，到2040、2050年地面以下10～20 m范圍的樁土界面升溫比0～10 m樁土界面升溫更加顯著，說明3 a暖期作用對較淺地表樁土界面溫度影響顯著，之后伴隨樁土體現(xiàn)的熱傳導(dǎo)，會影響較深層樁土界面，且此影響直至30 a后不會消失。 　　3 a暖期過后出現(xiàn)3 a年寒期，3 a暖期期間的地溫特性和模式3是一致的。通過圖9～13可以看出，3 a寒期期間，由于外界氣溫的降低，樁土界面溫度也隨之降低，經(jīng)過了3 a暖期、3 a寒期的交替作用，到了2030年樁土界面溫度與正常線性升溫年平均氣溫作用下的樁土界面溫度基本一致，說明之后寒期的作用可以抵御之前暖期對樁土界面溫度的影響，對樁土體系長期溫度沒有影響。
　　3.3 樁基豎向承載力
　　樁基承載力的計算方向同參考文獻[8]。通過圖14、15可以看出，在年氣溫變化模式1下，樁基計算承載力呈線性下降。在短期年平均氣溫升高的氣溫變化模式1、2的作用下，樁基計算承載力有降低。氣溫升高作用期之后計算承載力與模式1線性年平均氣溫作用下計算樁基承載力相差越來越小，但最終到2050年短期高年平均氣溫作用下的樁基承載力較線性年平均氣溫作用下的計算樁基承載力略低，說明短期較高年平均氣溫作用下，不僅在高溫作用期間承載力有降低，在之后的幾年甚至幾十年內(nèi)，在恢復(fù)正常年平均氣溫作用下，樁基承載力也較正常年平均氣溫低，說明短期較高年平均氣溫作用對樁基承載力的降低作用持續(xù)時間長達數(shù)年至幾十年，其作用時間長久。在模式4短期較高、較低年平均氣溫作用下，樁基計算承載力隨年平均氣溫的波動而波動，寒期較低氣溫作用使計算樁基承載力升高，暖期較高氣溫作用使樁基計算承載力降低。寒暖期交替過后樁基承載力與正常線性年平均氣溫作用下的計算承載力接近，說明暖期作用之后的寒期能夠抵御之前暖期對樁基承載力的降低。 　　4 結(jié)論
　?。?）在短期氣候變暖條件下，樁土界面溫度均有升高，且升溫幅度越大，樁土界面溫度升高愈烈。樁土界面最大融化深度與外界氣溫有直接的關(guān)系，隨著氣溫的增加而增加且反應(yīng)敏感。寒暖期交替作用期間，樁土界面溫度隨之降低升高，寒暖期交替作用后，對樁土界面溫度沒有影響，寒期作用能夠抵御之前暖期對樁土界面溫度的影響。
　?。?）短期暖期作用期對較淺地表樁土界面溫度影響顯著，之后伴隨樁土體現(xiàn)的熱傳導(dǎo)，會影響深層樁土界面，且此影響直至30 a后不會消失。
　?。?）短期暖期作用對樁基豎向承載力有降低作用，且其影響時間長達數(shù)十年。寒暖期交替作用期間樁基承載力隨之波動，之后樁基承載力恢復(fù)線性變化，寒期作用能夠抵御之前暖期對樁基承載力的降低。
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