本文是一篇土木工程论文，本文对冻融循环下的螺旋锚基础的冻拔位移和受力特征进行了研究分析，但由于寒区环境较为复杂以及自身的理论储备不足。
第1章 绪 论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
冻土是一种包括固体土颗粒、液态水、冰以及气体所组成的非均质，各向异性的复合体。我国是集俄罗斯和美国后的世界第三大冻土国，在我国永久冻土总面积为215万平方公里，占我国国土面积的22.3%，季节冻土面积为513万平方千米，占我国国土面积的53.5%。多年冻土主要分布在我国的青藏高原、西北高山、松嫩平原及东北北部的大、小新安岭等地区；贺兰山至哀牢山以西、秦岭-淮河以北的广大地区为季节冻土区[1, 2]。我国的冻土分布如图1-1所示[3]。近年来我国为了发展国防工业、微电子工业等尖端技术，促进社会经济的繁荣发展，我国在冻土区的工程建设逐年增加。
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冬季，土体表层中的孔隙水在外界负温的作用下发生冻结，土体中的下层未冻水由于孔隙水压力的张力作用，向着上层冻结区移动，同时随着温度在土体中的传递，使得更多的水由液相转为固相，相变过程中水变成冰体积变大，从而导致了土体的冻胀。与之相反，土体中的冰融化时，土体体积缩小，导致土体表面发生融沉。由于存在着深入土层的各种地基基础，使得土的冻胀受到约束。土体在冻胀过程中由水变成冰时推开土颗粒间隙的平均值叫做冻胀力，其中直接作用于基础侧表面的力成为切向冻胀力。当切向冻胀力超过桩身自重、上部荷载以及桩和非冻结土之间的摩阻力时，基础就会产生向上的冻拔位移[4, 5]，严重危害着建筑物的长期工作稳定性。
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1.2 国内外研究现状分析
1.2.1 未冻土中螺旋锚基础承载特性研究
侍倩等[7]基于室内试验对单锚杆和复式锚杆的破坏模式进行了分析，并提出了计算上拔极限承载力的方法，通过和其他现场试验对比验证了公式的可靠性。董天文等[8]为了研究螺旋锚几何尺寸对螺旋锚承载力的影响，进行了螺旋锚基础的上拔试验。测定了三种螺旋锚的抗拔极限承载力，分析了顶层叶片埋深对破坏形式的影响；当埋深增加时，叶片对抗拔承载力的贡献增大，侧摩阻贡献相对降低。
陈基成等[9]通过小型螺旋锚快拉试验分析了螺旋锚的导程和叶片直径对上拔力及安装扭矩的影响。试验结果表明，在砂土中，扭矩与叶片直径的平方近似成正比；增大导程会减小最后的稳定拉力。郭方胜[10] 分别对砂土和粉土中的单锚片螺旋锚进行了室内上拔试验，探讨了埋深和锚片直径对抗拔力的影响。分析了砂土和粉土中单盘螺旋锚的破坏模式，并据此进一步提出了单盘螺旋锚的抗拔承载力公式，公式计算结果与试验值较吻合；其次，试验表明，螺旋锚的极限抗拔承载力随着埋深增加而增加，存在着一个临界埋深，超过该埋深时承载力不再增大转而趋于一个稳定值。郝冬雪等[11]进行了密砂和中密砂中螺旋锚极限上拔承载力试验，分析了单锚片螺旋锚的临界埋深、多锚片螺旋锚的锚片间距及数量对极限上拔承载力的影响。通过试验确定了密砂和中密砂中单锚片螺旋锚的临界埋深。
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第2章 冻土-螺旋锚冻拔数值模型的建立与验证
2.2 模型的建立
ABAQUS是一款在目前比较有名气的有限元分析处理软件，广泛应用于建筑、地质、水利环境等领域。ABAQUS具有庞大的材料模型数据库以及单元库，材料可选择的模型多；其内置的求解器模块、前处理模块和后处理模块，为分析提供了强而有力的工具；ABAQUS同时也具有非常强的非线性分析功能。ABAQUS的求解器主要包括动力和静力这两个求解模块，动力求解模块主要用于仿真冲击问题、支持模型的应力与位移分析、完全耦合的瞬时位移分析以及求解非线性动力问题；静力模块主要用于求解变形、强度以及热电耦合问题的求解。
2.2.1 土体本构模型及力学参数
在该数值模拟试验中，试验用土体为粉土，本构模型采用ABAQUS软件内置的摩尔 -库伦模型，土体的相关物理参数取值为：内摩擦角φ=24°，黏聚力C=40kPa，密度ρ=1600kg/m3。
2.2.2 桩体本构模型及力学参数
在现实中，施工所用的螺旋锚基础大多为钢材制造，在模型中采用线弹性材料模拟[55]。其材料参数取值一般为：密度ρ=7850kg/m3,，杨氏模量Ε=206Gpa,，泊松比ν=0.3，导热系数λ=50J/(m.℃)，比热容C=60J(kg.℃)[55]。
郝冬雪等[56]为了探究螺旋锚的锚片形式对其抗拔性能的影响，进行了离心机缩比尺模型试验。试验结果表明螺旋锚锚片形式对其抗拔承载力影响不大。因此，为了简化模型的计算，将螺旋锚基础的螺旋锚片简化为平板锚片。
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2.3 初始条件与边界条件的确定
为了验证模型的准确性，本文选择与王腾飞[58]的螺旋锚基础冻拔模型试验进行对比验证。其模型试验的试验箱如图2-3所示。
在模型试验中，温度的变化通过调节位于模型箱上面的盖板温度来间接控制试验温度。王腾飞在螺旋锚基础安装完毕后，先对整个模型设备进行了持续12小时的保温措施，温度设定为15℃，之后在根据他的实验计划通过调节试验设备上的盖板温度来进行螺旋锚基于与土体在不同冻结温度下的一维冻结试验。因此，在数值模拟时，螺旋锚基础与土体的初始温度均设定为15℃。在冻结试验开始时，试验温度通过与盖板相连的计算机来输入，经过一定的时间后，冷浴盖板的温度才会达到试验预设的温度，但是由于缺乏记录顶板温度变化的手段，在数值模拟过程中只能将其简化为一个线性的温度变化过程。数值模型的整体冻结时间设置为10天共计240小时，初始的10小时为降温阶段，之后温度保持不变。
在实际工程工况中，土体在自重的影响下会发生固结沉降，此时土体的初始应力就叫做地应力，在模型分析时若不考虑地应力，则结果的位移与应力变化会与实际情况有所差距。本文数值模拟中地应力平衡法选择采用生死单元法，先将桩基础、土和结构物的接触杀死，待土的地应力平衡后将基础、土与结构物的接触激活，同时施加桩的自重荷载，得到桩与土共同作用下的初始地应力。模型的位移和温度边界条件设置如下：
（1）左右边界：模型的左边界竖直方向自由，约束水平方向位移；右边界为轴对称边界。左右边界的温度边界均为绝热边界。
（2）上边界：模型的上边界为自由位移边界；温度为狄利克雷边界条件，通过一个温度函数来描述上边界上的温度与时间变化关系。
（3）下边界：模型的下边界为固定约束边界，不允许有任何的位移变化；温度边界为绝热边界。
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第3章 基础冻胀融沉位移及受力分析 .................... 22
3.1 引言 ......................................... 22
3.2 冻融循环模型的建立 ..................... 22
第4章 加载温度及荷载水平对螺旋锚冻拔位移影响分析 ................ 34
4.1 引言 ............................... 34
4.2 加载温度对螺旋锚冻拔位移影响分析 ............ 34
第5章 螺旋锚几何尺寸对抗拔性能的影响 ............................ 46
5.1 引言 .................................... 46
5.2 锚片个数对基础抗拔性能的影响 ................................ 46
第5章 螺旋锚几何尺寸对抗拔性能的影响
5.1引言
与直线桩相比，由于螺旋锚基础的结构较复杂，其抗拔性能受锚片个数、锚片间距、锚杆长度以及锚杆直径等因素的影响。在寒区，由于土体冻胀融沉可能造成基础冻拔破坏，因此在螺旋锚基础的设计中，主要考虑螺旋锚基础的抗冻拔性能。在抗拔性能满足要求的前提下，尽可能的提高其使用寿命。 本章节通过控制变量法分析螺旋锚的几何尺寸参数对其在冻融循环中抗拔性能的影响
本章所用的螺旋锚基础的几何尺寸如下表5-1所示。默认的加载温度函数如式(4-4)所示。
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结论
本文通过ABAQUS有限元软件，考虑了基础与土体之间的相互作用，建立了不同接触面形式下的基础冻胀模型，为后续冻融循环模型的建立提供了基础。建立了基础和土体接触面为黏结损伤—摩擦耦合作用的冻融循环模型，利用该数值模型研究了直线桩基础和螺旋锚基础在东北某地区典型温度下的位移变化和受力特征；并分析了螺旋锚基础在不同温度下的抗拔性能；研究了上拔荷载水平对基础冻拔的影响；分析了螺旋锚基础的几何参数对其冻拔位移和受力特征的影响。得到的主要结论如下：
（1）鉴于锚与黏性土接触面的特点，尤其是冻结过程中的接触特性，采用黏结损伤—摩擦耦合接触面模型来描述，同时与摩擦模型进行比较。通过与模型试验对比，结果表明黏结损伤—摩擦耦合模型模拟得到的结果更接近模型试验，验证了建模方法、土体模型及接触面模型的合理性与可靠性。
（2）基础在东北某地区典型季冻区温度下，桩基础的冻拔位移最大，融沉位移较小，桩基础在冻融循环的作用下出现了较大的冻拔位移累积；螺旋锚基础的冻拔位移随着螺旋锚基础锚片的数目增加而降低。在0℃以后的降温阶段，基础的竖向切应力和法向冻结应力极值随着温度的降低而升高，应力沿着深度方向逐渐降为零；螺旋锚基础的应力极值要大于直线桩基础的应力极值；螺旋锚基础的竖向切应力与法向压应力在不同次数冻融循环下变化规律保持一致，在3次冻融循环后，应力极值保持不变。
（3）以双锚片螺旋锚为例，当温度的最低值降低时，基础的最大冻拔位移会增加，但基础在不同冻融循环次数后的融沉位移基本一致；当温度的极值降低，桩周竖向切应力和法向冻结应力极值增加；当年均温度为0℃时，螺旋锚基础的冻拔融沉位移变化规律发生改变，此时基础受到的竖向切应力极值增加，冻结时间增加，冻拔位移大于融沉位移。
（4）上拔荷载作用时，基础在荷载作用下会产生一定的向上位移后保持稳定，荷载越大，基础的上拔位移越大；随着上拔荷载水平的增加，2.0m深度以下，螺旋锚基础所受到的应力极值也增加。
（5）就冻融循环下螺旋锚基础的几何参数（如锚片个数、锚片间距和锚杆直径）对基础的位移和受力特征进行了分析。5次冻融循环后，双锚片螺旋锚的冻拔位移最低；锚杆直径越小，桩周竖向切应力越小，冻拔位移越小；锚片间距为600mm时，螺旋锚基础的冻拔位移最小。
参考文献（略）