青藏铁路格尔木至拉萨段全长1 142 km，线路经过多年冻土区546.4 km^[1]。多年冻土是青藏铁路最主要的工程地质问题，实际中采用“以桥代路”来降低不良路基对上部建筑物的影响。青藏铁路格拉段位于多年冻土地区的桥梁有447座, 累计长度118.16 km^[2]。而路桥过渡段沉降是铁路、公路工程中普遍存在的问题^[3-5]。2006年至今青藏铁路格拉段开通以来，铁路沿线的长期监测系统表示，多年冻土区部分路桥过渡段下沉现象较为严重^[2]。根据2014年的现场调查数据统计，青藏铁路格拉段总沉降量大于40 cm的部分路桥过渡段统计结果如表 1所示^[6]。不难看出，最大沉降量与左右路肩沉降差有明显的正相关关系，因此最大沉降量与桩周土体的落差存在密切关联性，沿线路方向的桩基础前后土体落差越大对桩基的影响也就越大，这严重影响了上部列车运行的舒适性与安全性。桩基周围地基土体不对称的情况使桩基础表现出了不同于平坦地基的冻土力学特性，因此对多年冻土区位于路桥过渡段处的桥梁桩基础的研究具有十分重要的工程实践意义。

多年冻土区土体易受温度影响，即土体有较高热敏性，当路基沿线与桩基础定于某一处时，桩周土体成分及土体与环境温度也就是确定的物理量，而此时不定时降雨和土体内水分的自由迁移是变化的物理量，因此水分是影响土体力学行为的关键因素。在多年冻土区实际工程中常利用深桩基础作为克服冻胀融沉病害的重要安全措施^[7]，即将桩身深埋入多年冻土层中，利用桩、土之间的摩擦阻力以及冻结土体中的冻结强度来平衡冻土区域内作用于桩基础的冻胀力。而多年冻土地区路桥过渡段的墩台桩基础多位于斜坡上，这种桩周土体不对称的情况使桩基础受力问题更加不同，沈宇鹏^[8]以哈齐高铁某路桥过渡段为试验监测断面，揭示了寒区高速铁路路桥过渡段的地温与变形特征。刘华^[9]运用土壤冻融条件下热传导理论的基本方程和数值方法，结合哈大高铁的典型工况建立路桥过渡段模型，计算分析其在春季融化期间的冻结特征差异和演变规律。众多文献资料显示^[10-12]，路桥过渡段桩基础前后土体不对称与水分的叠加作用才是影响桩基变形行为的关键。

基于此，专家学者和工程师们对多年冻土区斜坡桩土体系开展了研究。崔广芹^[13]通过对不同含水率、不同干密度的边坡土样进行不同次数的冻融循环试验，为包头地区季节性冻土的研究提供更好的理论基础。梁树^[14]通过建立多孔多相介质数值计算模型，结合野外实测，分析季节性粗颗粒冻土边坡的温度场、水分场的分布特征、冻结深度及其影响因素。熊治文^[15]指出在多年冻土区，厚层地下冰的热稳定性是决定斜坡稳定与否的关键因素，认为冻土支挡建筑物设计应考虑水平冻胀力。尹平保^[16]通过试验发现考虑温度变化和冻融循环作用的p-y曲线，更能反映基桩的实际受力与变形性状。牛富俊、靳德武^[17-19]学者介绍了青藏高原多年冻土区斜坡失稳的根本原因在于多年冻土融化后强度的减弱或丧失，通过相似模拟试验，对多年冻土区斜坡热融滑塌进行了全面研究，在分析了热融滑塌型滑坡失稳机理的基础上，提出了滑坡治理的原则与工程措施方案建议。Tang ^[20]通过室内模型试验，发现在桩土体系中存在一个横向的温度梯度，导致非冻结水向桩土界面运动并冻结。Shastri^[21]建立了冻土弹塑性模型，并根据试验结果进行了验证。弹塑性模型考虑了温度和低温吸力对冻土主要特性的影响，即预固结压力、刚度和强度随温度的降低而增加。马力^[22]采用理论分析、公式推导、数值模拟的方法围绕边坡的稳定性进行研究，探讨了冻融岩土体边坡的稳定性影响因素和失稳机制，分别推导出冻结和融化过程中的稳定系数计算公式。

目前，关于多年冻土单桩承载性能的研究着重于水平地基上，而路桥过渡段处墩台桩基础所处的地质环境多为斜坡，斜坡地基土体不同于平坦地基土体，对于在冻融循环条件下，路桥过渡段处桩基础的承载特性的研究尚不多见。鉴于此，本研究在已有理论的基础上，通过室内模型试验，研究不同含水率斜坡地基土在水平冻胀作用下对单桩承载特性的影响。为青藏高原多年冻土区路桥过渡段斜坡桩基工程建设与维护提供参考依据。

试验使用长×宽×高=1 m×1 m×1 m的大型土体模型槽，模型槽由高强度钢板拼接而成，底部有排水装置，方便了水的自由流动。模型槽底部铺设厚木板隔热，四周布置聚氨酯隔热材料，环境温度在模型槽正上方控制，这样可以保证桩土体系是自上而下的单向冻结。桩顶利用万向磁力表座布置测量水平位移的位移传感器，在桩侧10 cm处，从距离底部10 cm开始，每隔10 cm布置一个自下而上的测温原件。试验所用的环境箱以及土体模型箱装置示意图如图 1所示。

图 1 环境箱模型箱装置示意图(单位：mm) Fig. 1 Schematic diagram of soil model box(unit: mm)

图选项

试验所用土体为青藏高原含细粒砂土，取自青藏铁路格拉段某路基边坡上。取土现场已对土体含水率进行测试，现场土体含水率为10.7%~15.2%，室内模型试验以土体含水率作为自变量，为更真实反映实际工程中桩体在冻融循环情况下的位移及受力变化。特设置两种含水率土体进行对比分析。在实验室重塑配置含水率为10%, 15%两种土体，将试验用土在限制水分蒸发条件下闷料48 h，以使水分在土料内部迁移均匀。

对试验用土做筛分试验，绘制颗粒级配表见表 2。根据《土工试验方法标准》(GBT 50123—2019)，将含细粒砂土放入模型槽内，采用人工分层填筑的方法，并整平压实，压实系数K为0.9，进行室内土工试验。

对于桩体材料选择，实际工程中常用混凝土桩。室内模型试验若采用常规的混凝土桩，其位移较小，不利于研究桩基前后土体不对称情况对桩基的位移影响。故采用有机玻璃圆桩，其强度大，抗腐蚀，耐潮湿，具有良好的力学性能，可以承受高温低温各种环境，在本次试验中非常适合用做桩体材料。设计桩长900 mm，桩径为30 mm。为测量其弹性模量，对模型桩进行单轴压缩试验，测得其弹性模量为2.56 GPa。模型桩材料参数如表 3所示。

模型槽底部铺设空心的冷浴循环铜管，以模拟多年冻土层温度变化。环境箱内部尺寸为长×宽×高=1.5 m×1.7 m×1.9 m，其内上部亦有冷浴循环铜管，以模拟环境温度变化。两部分冷浴循环铜管与环境箱外部两台XT5704LT型高低温恒温循环器相连接。

本研究的试验测试装置主要有温度采集系统、应变采集系统和位移采集系统组成。

(1) 温度采集系统

温度采集系统由温度传感器和温度巡检仪组成。温度传感器使用电阻值会随温度变化而变化的pt100铂热电阻，其工作范围为- 50 ℃~+200 ℃，精度0.01 ℃。温度巡检仪多路温度测试仪，USB输出端设计采集温度时间间隔为10 min是安柏AT4708V系列。

(2) 位移测试系统

位移的采集使用武汉采用公司生产的JYC测试仪，位移传感器的量程为50 mm，精度为0.01 mm。设定的采集时间间隔为10 min。

(3) 应变测试系统

为了得到试验过程中桩身的应变和弯矩分布，将应变片在模型桩两侧对称布置，一片沿桩身轴向粘贴，为测量片；另一片沿桩身环向粘贴，为温度补偿片。应变片位置如图 2所示。本研究试验利用INV2366N多功能静态应变测试系统记录整个试验过程中的桩身应变，采集时间间隔为10 min。

图 2 应变片布置示意图(单位: mm) Fig. 2 Schematic diagrams of strain gauge layout(unit: mm)

图选项

贴完应变片后，在桩体表面涂抹环氧树脂，以保护应变片在试验过程中的完好，在环氧树脂完全凝固之前，其表面包裹一层细沙，以便更真实地模拟实际工程中桩土之间的接触情况。

将模型桩埋设在斜坡中部。斜坡坡度为1∶1.5。在桩顶布置测量横向位移的位移传感器。桩侧10 cm处布置有测温元件以测量土体自下而上的温度以及环境温度。

本试验模型桩分别埋设在含水率为10%，15%的斜坡中部。根据工程现场条件，模型槽底部冷浴循环铜管温度模拟多年冻土层温度控制为- 2 ℃，根据附面层理论^[23]控制大气环境温度值为变化的正弦函数，函数为T (t)= - 3+12sin (2πt/240+π/2)，t的单位为h。试验过程以240 h为一个周期，每个周期对应实际工程现场时长为1 a。试验刚开始大气环境温度是设定温度最高点，对应实际工程现场为7月份，大气环境温度最低点则对应实际工程现场1月份。

模型土体填筑完成后，静置48 h。打开控制底部冷浴循环铜管的冷浴循环仪，直至土体底部温度保持- 2 ℃左右，此刻保持底部设定温度不变。试验正式开始，打开顶部温度控制装置，开始测试数据，连续测试3个周期。

土体具有较高的热敏性，因此对土体温度的研究在多年冻土研究中具有十分重要的地位。本试验中自下而上的测温元件测量了每个时刻土体的温度。图 3为15%，10%含水率土体3个周期过程中桩侧土体的等温线图(粗线是0 ℃等温线)。从图 3可以看出，试验刚开始时，冻土上限较高，含水率15%的土体冻土上限约为0.6 m，含水率10%的土体冻土上限接近0.4 m，说明后者整体温度偏低。随着试验的进行，冻土上限逐渐上移。第2和3周期可稳定至0.3 m附近。最大融化深度出现在13 d和23 d附近，结合大气环境温度函数曲线，土体出现最大融深正是环境温度由正变负的时刻。

图 3 土体等温(℃)曲线 Fig. 3 Isothermal curves of soil mass

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图 4为土体含水率15%工况时各深度处的温度随时间变化曲线，可以看出在开始第1周期温度循环前，深60 cm和深70 cm的温度在- 2 ℃左右，符合试验设定的多年冻土层温度。越往上的土体温度受顶部环境温度影响变化幅度越大，且各土层温度变化与环境温度同频，均有类似“正弦波”的形状。在降温阶段(10~15 d，20~25 d)，各深度土体温度先缓慢增大后减小，但变化幅值随深度的增加逐渐减小；在升温阶段(15~20 d，25~30 d)，不同深度处土体温度先缓慢减小后增大，这是由于土体温度的变化相对于环境温度的变化出现滞后，且随深度的增加，滞后效应越明显。对于土体含水率10%工况下的温度随时间变化曲线与15%工况类似，不在赘述。

图 4 温度随时间变化曲线 Fig. 4 Curves of temperature varying with time

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选取土体性质较为稳定的第2和3周期进行分析。图 5为模型桩分别埋设在含水率为15%，10%的斜坡中部，桩顶的时间-水平位移曲线。试验结果说明：温度的升高与降低影响着模型桩顶的水平位移，桩顶水平位移与环境温度有着同频的“正弦波”形状。但桩顶的水平位移变化与环境温度变化并非完全一致，位移极值出现在16 d和26 d附近，结合图 4可知，此刻地温最低，略滞后于环境温度最低点。这说明环境温度通过影响土体温度，改变桩身受力间接影响桩顶位移。随着斜坡含水率的增加模型桩的水平位移迅速增加。埋设在含水率为10%斜坡中部的单桩桩顶最大水平位移为埋设在含水率为15%斜坡中部单桩桩顶最大水平位移的37.5%左右。斜坡含水率的增大，改变了桩身受力和桩顶位移，使得模型桩的桩顶承载能力快速降低。

图 5 桩顶横向位移变化曲线 Fig. 5 Variation curves of horizontal displacement at pile top

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含水率是影响桩顶位移的重要因素，模型槽底部的排水装置记录了每次试验过后的水流出情况。含水率为15%土体3个周期过后底部排水装置囤积大量积水，含水率为10%土体3个周期过后排水装置仅少量积水，说明含水率为15%的土体内会随着冻融循环而发生水分流失，使土体的冻胀性降低，桩顶水平位移也会随着冻融周期而减小。

图 6是两种含水率土体工况下的桩顶横向与竖向位移比较，桩顶的横向、竖向位移与温度有着同频的“正弦波”形状，且处于同一数量级。说明桩顶的位移受顶部环境温度影响较大。同时土体含水率对桩基也有明显影响：含水率越大，桩顶位移越大，位移变化率也就越大。两种工况下，桩的位移主要都是沿斜坡向下，这是桩后较强冻胀性土体发生冻胀时使桩顶产生的水平位移，而且一旦发生了较大的冻胀位移，不会在活动层土体融化后复位，此时桩顶位移变化的主要影响因素是土体含水率和顶部环境温度变化，这是由土体活动层的冻胀融沉而产生的位移。

图 6 桩顶横向竖向位移比较 Fig. 6 Comparison of horizontal and vertical displacements at pile top

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斜坡桩基的桩身受力情况直接影响着上方桥梁或建筑物的安全情况，通过在模型桩两侧粘贴的应变片，可以采集桩身应变随着时间变化的数据。最终可以得到桩身的轴力、侧摩阻力，以及弯矩随深度的分布情况。根据文献^[24]，桩身轴力N_i、侧摩阻力f_i以及弯矩M_z计算式如下：

式中，N_i为桩身轴力；A为桩横截面面积；E为材料弹性模量；ε_i为第i段应变；f_i为第i段切向应力，向上为正；N_i和N_i+1为第i段桩顶和桩底轴力；D为桩的直径；L为相邻应变片的竖直间距；M_z为桩身弯矩；I为截面中性轴惯性矩；b₀为同一截面处拉压应变片的间距；ε_l, ε_y为同一截面处桩身的拉压应变值。

研究两种工况下第2周期11~15 d桩身受力的变化规律。由图 4可知，此时间区间内环境温度逐渐降低，深60 cm及以下土体温度保持- 2 ℃不变，60 cm以上土体温度虽有微小升温但又很快下降，11 d各土层温度高于15 d各土层温度，因此在此时间区间内，可以认为土体温度为下降趋势。降温阶段与升温阶段互为逆过程，仅需研究降温阶段(11~15 d)即可。

图 7为11~15 d地面以下桩身轴力沿深度变化规律。可以看出，轴力均为正值，桩身整体受拉力。桩身轴力沿桩身向下先增大后减小且为非线性变化。约30 cm处轴力最大，此处正是冻土上限的位置。轴力在上部活动层范围内，变化率较大，下部永冻层范围内变化率较小，这也说明了活动层土体温度受环境影响变化较大，与图 4形成对应。随着冻结过程的进行(11~15 d)，土体温度逐渐降低，同一位置桩身轴力随之增加，土体含水率的升高会降低土体温度，桩身轴力也会增加。在15 d深30 cm处土体含水率为15%时桩身轴力达到最大值为5.83 kN。

图 7 桩身轴力随深度变化曲线 Fig. 7 Curves of pile body axial force varying with depth

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图 8为11~15 d地面以下桩身侧摩阻力沿深度变化规律。规定力方向向上为正值，反之为负值。侧摩阻力在桩身上部约35 cm处以上是方向向上的冻胀应力，在桩身下部约35 cm以下桩侧摩擦力是方向向下的冻结力。可以看出，随着冻结的持续，桩身侧摩阻力逐渐增大，桩身逐渐被上拔。这是因为随着冻结的推进，土体进入分凝冻胀阶段，土体冻结深度增加，冻土与桩身相互作用面积增加，桩身所受向上的冻胀力不断增大，同时，永冻层土体为了防止桩体上拔，模型桩下部(35 cm以下)所受的冻结力也不断增大。当土体含水率变小时桩侧侧摩阻力随之降低。这是因为含水率越高，土体含有更多水分，其土体发生的体积形变就更大，冻结力与冻胀应力同样更大。土体含水率为15%时，桩身所受侧摩阻力最大，在第15 d地表下10 cm处值为291.51 kPa。

图 8 桩身侧摩阻力随深度变化曲线 Fig. 8 Curves of pile body side friction varying with depth

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图 9为11~15 d地面以下桩身弯矩沿深度变化规律。可知，弯矩的方向沿斜坡向下弯矩为负值，反之为正值。在桩身上部弯矩值先增大后减小，到达地面下约30 cm处弯矩值由负变正，增加到一定值后又回落至零处。最大弯矩出现在冻土上部活动层内，11~15 d最大弯矩值逐渐增加，结合图 4可知，这是因为土体温度下降，形成了土体冻胀，不断增强冻结强度，并增大冻结面积，导致桩基在水平方向受到更大推力，进而增大了桩基弯矩。对比两种含水率土体可知，15%含水率土体温度更低，桩身弯矩值也就更高。土体含水率为15%时，桩身在第15 d承受最大弯矩值为22.75 kN·m。

图 9 桩身弯矩随深度变化曲线 Fig. 9 Curves of pile body bending moment varying with depth

图选项

根据试验中桩身最大弯矩及轴力计算其所受最大正应力为0.86 MPa，比C35混凝土抗拉强度标准值2.2 MPa小很多，桩基不会被破坏，处于安全状态。第15 d正是一年中环境温度最低的时候，又考虑到土体温度相较于环境温度具有滞后性，因此在实际工程中要特别注意1~3月份桩基础的弯矩影响。

本研究以青藏高原多年冻土区路桥过渡段斜坡桩基础为工程背景，通过室内模型试验，研究了斜坡不同含水率桩土体系在冻融循环作用下的土体温度、桩顶位移、桩身受力。得出如下结论：

(1) 室内模型试验证实了在多年冻土区路桥过渡段的桩基础横向竖向位移处于同一数量级，且桩顶位移与环境温度有着同频的“正弦波”形状。会对上部建筑物造成一定程度的损坏。

(2) 根据试验中桩身最大弯矩及轴力计算其最大正应力为0.86 MPa，比C35混凝土抗拉强度标准值2.2 MPa小很多，桩身强度足够，不会发生破坏，主要考虑桩顶位移对上部结构安全作为重点。

(3) 当土体含水率为15%时，在第11~15 d地温逐渐降低，土体逐渐冻结，斜坡地基对桩体水平推力增加，桩身弯矩逐渐变大。整个桩基在15 d承受最大弯矩，而第15 d正是环境温度最低的时候，因此在实际工程中要特别注意1~3月份温度对桩基弯矩的影响，避免桩身弯矩过大造成桩基被破坏。

(4) 埋设在含水率为10%斜坡中部的单桩桩顶最大水平位移为埋设在含水率为15%斜坡中部的37.5%左右，桩顶水平位移会随着土体的冻胀性增强而增大。同时土体含水率升高，土体温度会降低，土体的冻胀性会变大，导致桩身受力也会增大。因此在工程实际中，为了降低桩产生较大的位移，可降低土体的冻胀性，采用排水装置、换填等方法以降低土体含水率。