摘 要：由于全球气温升高，导致多年冻土逐渐退化，严重影响上部构筑物的稳定性。尤其在日渐复杂的气候环境下，极端天气、气候的频繁发生，使得多年冻土区的地基承载力的变化更加复杂。以多年冻土区某高温、高含冰量地段为例，考虑太阳辐射、冻土相变、大气对流、气候变暖等因素，通过数值方法计算分析了某单桩竖向承载力在短期异常气候作用下的响应。结果表明：短期异常变暖气候对桩基承载力有降低作用，主要体现在降低桩土界面冻结强度，对冻结面积的大小基本没有影响，气候变暖对冻结强度影响时间长而且不可消除；升温幅度越高，承载力降低越强；极寒极暖交替期间，桩基的承载力随着外界气温波动，寒暖期交替过后对桩基承载力基本没有影响。
关 键 词：多年冻土；桩基；承载力；气候异常；响应

　　1 引 言
　　由于全球气温升高，导致多年冻土逐渐退化，青藏铁路沿线多年冻土区地温场正在向着不利于冻土生存的方向发展，严重影响上部构筑物的稳定性^[1－2]。青藏高原气候变暖的大趋势是无法改变的，而且其变化特征也是动态的^[3－6]。在日渐复杂的气候环境下，极端天气的频繁发生使得多年冻土区的地基承载力的变化更加复杂，把握多年冻土区桩基承载力对外界气温环境变化的响应，是多年冻土区结构安全的关键因素之一。
　　米维军等^[7]对清水河段建成后桥梁桩基础稳定性进行了实地观测，现场实测数据指出位于桩周不同距离的冻土层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趋势。郭春香等^[8]利用数值方法考虑太阳辐射、气候变暖、冻土相变等因素计算分析了多年冻土区单桩承载力的长期稳定性。在以往的数值分析方法中考虑气候变暖因素一般都指的是年平均气温是线性升高的，例如：未来50年年平均气温升高2.6 ℃，而实际年平均气温的升温幅度不是线性的，在某些年份年平均气温高或低于预测线性年平均气温，有时会出现连续几年的实际年平均气温高于预测值，那么这种短期的高温对桩基承载力是否会产生影响，其影响程度与持续时间，对于把握整个结构的长期稳定性，无疑是至关重要的。
　　2 计算模型与边界条件
　　本文以具有代表性的青藏高原清水河段某典型湿润性地段冻土区某桥梁钻孔灌注桩作为分析模型（图1），桩直径为1 m，桩长为23 m，其中3 m裸露在大气中。取1/4作为分析模型。土层性质及热物理参数见参考文献^[9]。 　　2.1 短期气候异常模式
　　青藏高原的气候变化已有许多研究。总的来说，已发现以下主要特征：①青藏高原自20世纪60年代以来气温有变暖趋势，某些变暖地区降水又明显减少，形成变暖、变干而造成环境恶化；②高原的变暖程度存在随高度增加而增加的倾向^[3－6]。朱文琴等^[10]利用青藏高原实测气温得到各区域年平均气温距平值，如图2所示，可以看出每年的实际年平均气温在平均值T附近波动，1951年东南区的年平均气温的平均值在4.2 ℃左右，说明这一年的年平均气温高于1950－2000年平均气温4.2 ℃，东区1950－1955年的距平值都在1.5 ℃～2.5 ℃之间，说明在这5年的年平均气温均高于1950－2000年平均气温。 　　为了体现短期暖期作用下桩基承载力的响应，根据以往的实测数据加以简化，设计了4种气候模式如图3所示。大气温度设计为正弦函数： 　　式中：为与混凝土相接触的大气温度；为不同的年平均气温变化模式（℃）；t为时间（h）；为初始相位角（rad）； 为年平均气温升温幅度（℃/h）。文中，对应未来50年气温升高2.6 ℃。
清水河地区年平均气温变化^[8]模式1为
　　年平均气温变化模式2为 　　年平均气温变化模式3为 　　年平均气温变化模式4为 　　2.2 大气对流和太阳辐射
　　裸露在大气中的桩基础表面吸收太阳辐射热量，同时与大气自然对流换热、接受地面和其他结构的漫辐射，忽略漫辐射则裸露在空气中的混凝土结构热传导方程为 　　式中：为混凝土的导热系数（W/(m•℃)）；T为混凝土表面温度（℃）；n为温度梯度方向（℃/m）；h为考虑对流与辐射中和热交换系数（W/(m²•℃）；为与混凝土相接触的大气温度（℃）；为混凝土结构表面太阳辐射吸收系数；S为太阳辐射强度（W/m²）。
忽略桩基础阴阳面接受辐射强度的不同及一天当中的辐射强度的变化，太阳辐射强度采用依据卫星数据反演的1998－2002年的青藏高原辐射数据^[10]，经回归，得 　　混凝土结构表面太阳辐射吸收系数 取值为0.42^[11－12]，由于高原风速较大，混凝土表面平均对流换热系数，取W/(m²•℃)^[13]。
　　2.3 初始及边界条件
　　2000年7月份实测地温作为初始地温。由于桩周附近冻土温度受桩基和较远处冻土共同作用，经试算取桩周1 m范围内冻土附面层为自由边界。桩基础表面受太阳辐射和大气对流共同作用，桩周
　　1 m以外范围采用附面层理论。固定边界上的边界条件为 　　式中：为地温梯度，可取0.03 ℃/m；为地表下附面层温度，且有 　　式中：，对应年平均气温-3.4 ℃，未来50 a气温升高2.6 ℃。
　　3 数值结果
　　3.1 活动层厚度
　　通过图4可以看出，未来50 a年平均气温升高2.6 ℃条件下，桩土界面的最大融化深度呈线性逐年增加，2010－2050年40年间最大融化深度从2.63 m升至2.94 m，增加0.31 m。在年平均气温变化模式2、模式3的作用下，桩土界面的最大融化深度也随着气温变化而变化，最大融化深度分别较模式1增加0.28、0.88 m。说明最大融化深度与外界气温有直接的关系，随着气温的增加而增加且反应敏感。 　　3.2 桩土界面温度
　　通过图5～8可以看出，在短期气候变暖条件下，桩土界面温度均有升高，且升温幅度越大，桩土界面温度升高愈烈。假定的边界条件年平均气温从2019年开始升高，2020年达到最高，2021年末恢复正常年平均气温，从桩土界面升温率图中可以看出，在变暖的2019－2021年主要在地面以下10 m范围内的桩土界面升温率显著，之后的2022年最大升温率降低，但升温范围向越深处桩土界面发展，升温范围增大，幅度降低，到2040、2050年地面以下10～20 m范围的桩土界面升温比0～10 m桩土界面升温更加显著，说明3 a暖期作用对较浅地表桩土界面温度影响显著，之后伴随桩土体现的热传导，会影响较深层桩土界面，且此影响直至30 a后不会消失。 　　3 a暖期过后出现3 a年寒期，3 a暖期期间的地温特性和模式3是一致的。通过图9～13可以看出，3 a寒期期间，由于外界气温的降低，桩土界面温度也随之降低，经过了3 a暖期、3 a寒期的交替作用，到了2030年桩土界面温度与正常线性升温年平均气温作用下的桩土界面温度基本一致，说明之后寒期的作用可以抵御之前暖期对桩土界面温度的影响，对桩土体系长期温度没有影响。
　　3.3 桩基竖向承载力
　　桩基承载力的计算方向同参考文献[8]。通过图14、15可以看出，在年气温变化模式1下，桩基计算承载力呈线性下降。在短期年平均气温升高的气温变化模式1、2的作用下，桩基计算承载力有降低。气温升高作用期之后计算承载力与模式1线性年平均气温作用下计算桩基承载力相差越来越小，但最终到2050年短期高年平均气温作用下的桩基承载力较线性年平均气温作用下的计算桩基承载力略低，说明短期较高年平均气温作用下，不仅在高温作用期间承载力有降低，在之后的几年甚至几十年内，在恢复正常年平均气温作用下，桩基承载力也较正常年平均气温低，说明短期较高年平均气温作用对桩基承载力的降低作用持续时间长达数年至几十年，其作用时间长久。在模式4短期较高、较低年平均气温作用下，桩基计算承载力随年平均气温的波动而波动，寒期较低气温作用使计算桩基承载力升高，暖期较高气温作用使桩基计算承载力降低。寒暖期交替过后桩基承载力与正常线性年平均气温作用下的计算承载力接近，说明暖期作用之后的寒期能够抵御之前暖期对桩基承载力的降低。 　　4 结论
　　（1）在短期气候变暖条件下，桩土界面温度均有升高，且升温幅度越大，桩土界面温度升高愈烈。桩土界面最大融化深度与外界气温有直接的关系，随着气温的增加而增加且反应敏感。寒暖期交替作用期间，桩土界面温度随之降低升高，寒暖期交替作用后，对桩土界面温度没有影响，寒期作用能够抵御之前暖期对桩土界面温度的影响。
　　（2）短期暖期作用期对较浅地表桩土界面温度影响显著，之后伴随桩土体现的热传导，会影响深层桩土界面，且此影响直至30 a后不会消失。
　　（3）短期暖期作用对桩基竖向承载力有降低作用，且其影响时间长达数十年。寒暖期交替作用期间桩基承载力随之波动，之后桩基承载力恢复线性变化，寒期作用能够抵御之前暖期对桩基承载力的降低。
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