多年冻土区桩基础承载性能劣化机理与防控研究

Engineering practice of pile foundations in permafrost regions indicates that the long-term performance of pile foundations in frozen soil will generally degrade to an extent, which threatens the normal operation of engineering structures. The proposed key projects in permafrost regions including Qinghai-Tibet expressway and China-Russia high-speed railway, etc., need meet the more strict requirements in bearing capacity and deformation. Therefore, it is necessary to further study the long-term performance of pile foundations and their deterioration mechanism, and to explore countermeasures for damage prevention. We intend to reveal the microscopic mechanism of bearing properties degradation, and to explain the long-term performance of pile foundations by experiments and macro-microscopic analysis. Moreover, we plan to apply the cooling method to improve the long-term performance of pile foundations, and to study its theory, the reinforcement effects and application conditions, and to put forward some improvement countermeasures for long-term performance of pile foundations in permafrost regions by a series of experiments. The proposed program can provide key theoretical support and the new ideas for understanding the inner mechanism of the interaction between pile and frozen soil, the pile foundation optimization design and damage prevention, and the service function promotion of engineering structures in permafrost regions, which has important theoretical significance and great application value.

多年冻土区桩基础工程实践表明，多年冻土区桩基础在长期使用中承载性能会发生劣化，表现为承载力降低、沉降增大，严重影响工程正常运行。目前，因设计时速高，拟建的青藏高速公路、中俄高铁等穿越多年冻土区的重大工程对基础的承载力和变形提出了更高的要求。因此，亟需深入研究冻土桩基础的长期承载性能劣化机制，寻求防控对策。本项目拟采用室内外试验和宏微观分析相结合的方法，揭示冻土桩基础长期承载性能劣化的微观物理机制，阐明冻土桩基础长期沉降规律和主控因素，研究降温法改善桩基长期承载性能的原理、效果和适用范围，提出冻土桩基础病害防控对策。此项研究将为桩基与冻土相互作用的内在机理认识、冻土桩基础设计和病害防控，以及冻土工程服役性能提升提供关键的理论支持和新的思路，具有重要的理论意义和工程应用价值。

针对长期运营过程中多年冻土区部分桩基础承载性能劣化与防控难题,本项目采用桩基础工程现场监测、室内模型桩-冻土界面剪切蠕变试验以及数值模拟相结合的方法，系统揭示了多年冻土区钻孔灌注桩基础承载性能劣化机制，发现低温养护环境导致桩体表面强度不足、水化热引发的桩侧土冻融、水土重分布、冻土升温退化引起冻结强度下降，以及界面流变引发冻结强度降低等因素导致了冻土桩基础承载力下降、变形持续增加，发现桩周冻土地温对灌注桩强度和桩基础承载力的形成具有重要作用，阐释了灌注桩与桩周冻土间水热过程对灌注桩承载性能的影响及其机制，揭示了桩-冻土界面蠕变变形特征及其影响机制，建立了考虑损伤效应的桩-冻土界面蠕变预报模型，可以较好地反映不同含冰量桩-冻土界面剪切蠕变的全过程，发现降温法可以有效提升桩基础承载性能。研究成果不仅深化了对冻土区桩基础承载性能劣化机理的认识，提出了冻土区桩基础长期变形的预报方法和调控方案，更能为寒区桥梁工程冻害防治提供理论依据，具有重要的科学和实践意义。.通过四年的研究工作，完成各项预定研究内容，完成了研究目标。项目共发表科技论文16篇，其中SCI收录9篇，EI收录6篇,授权发明专利和实用新型专利各1项，4次受邀在国内外学术会议中交流最新研究成果。项目资助博士研究生4名和3名硕士研究生开展相关科研工作，资助的博士生高樯获中国科学院“朱李月华优秀博士生奖”，并获得2019中国科学院大学国际合作培养计划和2020年国家留学基金委公派留学资格。