冻拔破坏是冻土区输电线工程中桩基础的普遍破坏形式之一，使用具有抗拔特性的桩是防治桩冻拔破坏的常用手段，其中锥形桩、螺旋桩应用较为广泛。锥形桩具有上小下大的结构形式，螺旋桩通过叶片改变桩-土作用方式，均可提高基桩的抗拔能力。本研究从桩型这一角度出发，从实验、理论、工程应用等方面对国内外研究成果进行系统总结。根据桩型的特点尝试提出改进思路，以期为寒区桩基的长期使用提供技术支撑。
季节性冻土地区如何防止接触网支柱基础发生冻拔破坏，一直是困扰铁路行业的难题。本文对季节性冻土地区接触网支柱基础选型进行详细分析，得出桩基础为季节性冻土地区接触网支柱基础的首选形式，提出了接触网支柱桩基础抗冻拔的具体措施，并结合工程实例对采用此类措施后桩基础抗冻拔的稳定性进行了分析验证。
以黑龙江省齐齐哈尔市泰来县某20 MWp光伏发电项目为依托，分析了严寒地区季节性冻土条件下光伏支架采用预应力高强混凝土(PHC)管桩作为支架基础(下文简称为“PHC桩基础”)时，该基础的抗冻拔稳定性，并根据分析结果给出了PHC桩基础相关的设计建议和可采取的防冻拔措施，以抵抗冻土层产生的切向冻胀力，从而有效降低了工程造价，并提高了光伏支架基础的安全性。
冻土区钢筋与混凝土之间的黏结性能对温度的响应更为敏感,并且桩内部因钢筋与混凝土之间的线膨胀系数差异引起的温度应力不容忽视,因此有必要对其进行研究。首先通过分析并建立计算模型,得到模型中沿桩基横截面的温度分布。接着,推导了温度应力的计算公式。然后基于弹塑性厚壁圆筒理论,推导了在温度梯度影响下钢筋与混凝土的黏结强度计算公式。最后给出了桩的直径、混凝土保护层厚度以及钢筋与混凝土的线膨胀系数应满足的要求。以工程实例对桩基础的各个土层状况进行分析,在假设土的干容重、冻土的总含水量、地中热流值、冻土的导热系数不变,季节冻融层为强冻胀土的条件下,分别对单桩和群桩基础的冻拔问题进行了验算。结果表明:得到的临界承载力模型可以为寒区冻土层中桩基础的稳定性评估提供数值分析依据。
为探索季冻土区临水轻台结构冻拔冻害破坏机理,测试套筒防冻拔冻害技术的有效性,以长春某临水轻台群为研究对象,选择基土自然冻胀轻台结构与装有套筒防冻拔冻害装置的试验轻台结构相对比,用精密水准仪观测二者的寒期竖向位移动态。结果表明:基土自然冻胀轻台结构出现了冻拔位移冻害,各观测年冻拔位移曲线随气温均呈"半驼峰型"姿态发展,对应观测年的持续降温—持续低温—持续升温—正温时段,冻拔位移呈下降—上升—下降—稳定的变化特征;冻土的冻拔力推动轻台桩上拔引发冻拔位移冻害。观测装有套筒防冻拔冻害装置的试验轻台结构发现,其竖向位移长期在±5 mm的小位移区间平位波动,比自然冻拔轻台结构的平均冻拔位移减小了98%,表明套筒装置隔离了冻拔力对轻台结构的冻拔作用,冻拔位移冻害被有效遏制。勘验装有套筒防冻拔冻害装置的试验轻台结构,未发生"错动""台板拉裂"等典型冻拔位移冻害,印证了套筒防冻害装置对防治轻台结构冻拔位移冻害有实效。
利用有限元软件COMSOL自定义模块功能,将建立的水热力三场顺序耦合模型导入,模拟二维轴对称条件下多种螺旋桩在土体冻结过程中发生的冻拔,并设置光滑桩作对比.在冻深达到桩长全长时,全螺旋小叶片桩具有良好的抗冻拔效果(仅为光滑桩的19.5%).使用COMSOL内嵌热应力模块,模拟三维条件下螺旋桩抗冻拔过程,并与室内试验结果作对比.结果显示冻深只有桩长一半时,双螺旋小叶片桩明显减少桩体冻拔量.表明:通过数值分析可比选出抗冻拔的最优桩型,对于现场试验的光伏支架螺旋桩型设计提供参考.
目的:基于相似性原理,模拟实际工况中的降温冻结过程;通过室内试验确定最优桩型,并推导冻拔量与冻深的定量关系。创新点:1.进行季节性冻土区螺旋桩的自由冻胀试验;2.根据相似性原理,在室内试验过程中调整冷端温度与几何尺寸以缩短冻结时间;3.推导得到6种桩型冻拔量与冻结深度的定量关系。方法:1.通过相似性原理确定试验条件,模拟实际工况中的降温冻结过程;2.观测此过程中5种螺旋桩型的温度场、冻拔量和土压力随时间的变化规律,并设置一组光滑桩作为对比;3.根据冻拔量大小选取最优桩型,并推导冻拔量与冻深的定量关系。结论:1.螺旋桩冻拔量小于光滑桩,验证了螺旋桩抗冻拔的有效性;采用不同土样有相同规律。2.冻深达到0.9 m的季冻区,双螺旋大叶片桩抗冻拔效果最好;螺旋叶片建议设置在非冻区;冻拔量大小关系为:双螺旋大叶片桩<半螺旋大叶片桩<半螺旋小叶片桩<双螺旋小叶片桩<全螺旋桩<光滑桩。3.得到6种桩型冻拔量与冻深的线性关系。4.土中水开始冻结时土压力增大,含冰量稳定后土压力变化很小。
针对高原冻土地区给排水系统的防冻及各种水处理的特殊要求,进行现场试验与工程应用。结果表明,通过对管道及构筑物采取架空保温敷设、浅埋敷设、深埋敷设、电伴热保温、中粗砂回填等方式,能较好解决不同冻土类型对给排水管道及构筑物的冻拔及融沉问题,通过采取反渗透、高效电催化氧化技术能较好解决低温、低压、低含氧量状态下的水处理效果。历时多年的实际工程运行效果证明,上述措施是可行的。
介绍了季节性冻土区涵洞基础处理的新措施——"置换法",即基坑换填不冻胀土来提高抗冻拔力的措施,对涵洞基础进行处理。