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淺談凍土地區橋梁樁基礎特性及其施工技術(shù)
論文關(guān)鍵字：凍土地基 樁基礎 施工技術(shù)
論文摘要：多年凍土地區鐵路橋梁工程往往由于地基的凍融作用，不良凍土地區現象的影響，會(huì )產(chǎn)生各種工程病害，從而影響工程使用。本文考慮了大氣溫度、水文條件，混凝土入模溫度、凍土初始地溫場(chǎng)的影響及相變效應，以傳熱學(xué)為基礎，給出了凍土區單樁地溫場(chǎng)控制微分方程、邊界和初始條件，以及其空間分析的有限元計算模式，詳細了多年凍土區橋梁樁基施工工藝及方法、保證工程質(zhì)量的技術(shù)措施、施工中遇到的問(wèn)題及解決方法。
凍土區橋梁樁基礎施工，會(huì )給凍土引進(jìn)一定的熱量，這些熱量在自然回凍過(guò)程中傳到周?chē)亩嗄陜鐾林�，破壞凍土的穩定凍結狀態(tài)。尤其是混凝土灌注樁中的水化熱會(huì )給穩定的凍土帶來(lái)很大的熱擾動(dòng)，可能會(huì )導致凍土的凍結強度降低，致使樁的承載力嚴重下降，直接影響施工進(jìn)度。所以，研究大氣溫度、水文地質(zhì)條件、入模溫度、凍土本身的負溫對樁自然回凍的影響及其計算模式，可以為施工計劃的制定提供理論依據，有很重要的實(shí)用價(jià)值。
1、凍土地基的工程特性
�。�1）凍脹性 在自然界中，受大氣溫度變化的影響，土體中的水分產(chǎn)生相變，從而土體積膨脹或收縮，膨脹現象，稱(chēng)為土體的凍脹，收縮現象，稱(chēng)為凍土融化。膨脹現象，是由于土體在凍結過(guò)程中，水分凍結成冰，體積膨脹而引起的。土體的的凍脹性受土體埋深、土體含水量、土顆粒粒徑、土體密度等因素影響。凍土地基的凍脹性，是影響多年凍土區工程結構物尤其是橋梁工程穩定性的重要因素。
�。�2）凍脹力 地基土凍結時(shí)，封閉體系中，凍土水分凍結體積擴張的內應力，開(kāi)放體系中，孔隙水侵入推開(kāi)土顆粒并凍結所產(chǎn)生的力，稱(chēng)為凍脹力。凍脹力作用于基礎表面，當工程結構物的重量和附加荷載不足以與之平衡時(shí)，結構物將在凍脹力的作用下產(chǎn)生凍脹變形，嚴重將引起結構物的破壞。根據凍脹力作用于基礎表面的部位和方向，可劃分為切向凍脹力、水平凍脹力和法向凍脹力三種形式。切向凍脹力，即平等作用于基礎側表面上的力，法向凍脹力指垂直作用于基礎側表面上的力，法向凍脹力指垂直作用于基礎底面上的凍脹力。切向凍脹力是作用于凍土區基礎上的主要力系之一，如果設計時(shí)對此考慮不當，則會(huì )引起基礎在切向凍脹力的作用下產(chǎn)生上拔變形，甚至破壞。
�。�3）融沉性 凍土融化過(guò)程中，在自重壓密作用下，不斷產(chǎn)生下沉伴隨著(zhù)孔隙水的消散，即為凍土融沉性。這個(gè)過(guò)程不僅是由于凍土中冰轉變成水的相變時(shí)的體積減小，更重要的是在此過(guò)程中產(chǎn)生孔隙水的消散與排泄，土體的孔隙比減小，凍土的融沉性與凍土的粒度成分，含冰量密度及孔隙水的消散等因素密切相關(guān)。
2、計算模型及基本假設
(1)本文以具有代表性的青藏高原典型濕潤性地段某長(cháng)16m、3 孔的中橋樁基礎的鉆孔灌注樁作為分析模型，樁直徑為1m，樁長(cháng)為20m，鑒于所研究對象的特點(diǎn)，本問(wèn)題可視為一個(gè)軸對稱(chēng)問(wèn)題。樁側和樁底界面應分別取在水化熱對凍土熱撓動(dòng)范圍外及凍土下限，經(jīng)試驗性計算，本計算模型的半徑R取10m、深度取30m(即樁以下的凍土取10m)即可滿(mǎn)足要求。
(2)混凝土入模初期，由于低溫早強混凝土水泥的水化放熱速度快，遠大于傳熱速度，故可把澆注初期的混凝土作為絕熱溫升處理。計算中采用混凝土的絕熱溫升的溫度作為混凝土的初始溫度�；炷练艧嶂饕�7～12d完成[4，5]，即混凝土在入模后7～12d 內放出絕大部分水化熱使其升溫。所以，將混凝土的絕熱溫升作為其初始條件，這樣的考慮對混凝土達到齡期(28 d)后的強度的計算結果不會(huì )產(chǎn)生很大的影響。
3、凍土區樁基礎施工技術(shù)
3.1施工準備
(1)進(jìn)場(chǎng)前認真學(xué)習凍土知識和相應的規范、細則；
(2)橋梁施工前應仔細核對設計文件，對橋梁位的地質(zhì)進(jìn)行全面與核實(shí)，必要時(shí)進(jìn)行補充地質(zhì)勘探；
(3)認真做好設備的選型和配套工作，施工機械盡量采用適應高原的高效率機械，并充分考慮功率的降效；
(4)根據施工進(jìn)度計劃，做好施工的采購和儲備；
(5)測量控制樁設置在穩定土層或基巖上，用混凝土包裹防護，埋入凍土層的控制樁跨凍融季節使用時(shí)，埋深≥2倍的天然上限，樁周回填粗粒土，以防凍融引起樁位變動(dòng)；
3.2施工工藝和方法
(1)鉆機選擇:通過(guò)青藏鐵路施工中的經(jīng)驗以及滿(mǎn)足快速施工的原則，在樁基施工時(shí)宜采用旋挖鉆機成孔。
(2)施工準備:首先測量放樣，定出基礎各樁的樁位。樁的縱橫允許偏差≤±5cm，并在樁的前后左右設置護樁，以供隨時(shí)檢測樁中心和標高。鉆孔場(chǎng)地布置盡量以填代挖，以減少對原地表開(kāi)挖引起的熱擾動(dòng)。鉆機底座下發(fā)動(dòng)機散熱部分宜鋪設聚苯乙烯泡沫塑料隔熱板，以減少對地基土的熱侵入。
(3)埋設護筒:在青藏線(xiàn)，護筒除保護孔口，使鉆孔作業(yè)正常進(jìn)行外，還是采取有效措施，從而降低凍土對樁基礎抗拔力的載體。具體的做法是，將護筒埋入凍土上限以上一定深度，并按設計要求外表面涂以渣油，成樁后不拆除護筒，以減少外表面的親水程度，減小凍土對樁基礎上拔力。護筒宜采用5～6mm厚的鋼板卷制，內徑比樁徑大15～20cm；在多年凍土地區護筒埋至凍土上限以下≥0.5m；由于護筒外表面要涂渣油，其埋設方法與常規有所不同。當地表土穩定性較好，施工過(guò)程沒(méi)有地表水時(shí)，在鉆機就位后，先用比護筒直徑大一級別的螺旋鉆頭施鉆，鉆至凍土上限以下>0.5m深度后停鉆，安放護筒。安放前，護筒外側預先滿(mǎn)涂渣油。護筒準確就位后，護筒外側與孔壁所形成的空隙用渣油拌制的粗粒土回填密實(shí)。
(4)鉆機就位:鉆機利用自動(dòng)系統就位。鉆孔前，應調整機架桿垂直、位置正確，防止因鉆桿晃動(dòng)引起擴大孔徑及增加孔底虛土。
(5)旋挖鉆機干法鉆孔:護筒埋設完成后，進(jìn)行正式鉆進(jìn)。旋挖鉆進(jìn)是利用旋挖鉆頭鉆桿頂的液壓馬達往下壓，同時(shí)利用旋挖鉆頭旋轉切入土體，土被擠入料斗中，再提出孔外，直接裝入自卸汽車(chē)。鉆進(jìn)過(guò)程中，根據情況選用不同的鉆頭。
(6)濕法作業(yè):在粘性土、砂類(lèi)土、碎石類(lèi)處于地下水位以下，干法作業(yè)不能保證孔壁穩定時(shí)，采用濕法作業(yè)。濕法作業(yè)在干法作業(yè)基礎上增加以下內容:
�、倌酀{拌制及廢碴處理:鉆孔泥漿采用優(yōu)質(zhì)粘土，采用制漿機制漿，存入鋼制泥漿池中�，F場(chǎng)設泥漿池、沉淀池各一個(gè)，串聯(lián)并用。鉆孔樁所需泥漿不得隨意就地排放，不得就近挖坑作泥漿池。鉆孔過(guò)程中，沉淀了中沉淀的廢碴由人工裝入泥漿車(chē)外運至設計指定地點(diǎn)傾倒。
�、阢@孔:開(kāi)鉆時(shí)，先低檔慢速鉆進(jìn)，鉆至護筒下1m后，再以正常速度鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，經(jīng)常注意進(jìn)行泥漿循環(huán)，將鉆渣撈取，沉淀后及時(shí)排除，并隨時(shí)注意土層變化，對不同的土層采用不同的鉆速、鉆壓、泥漿比重。
�、矍蹇�:當鉆至設計標高后，經(jīng)巖樣確認到位后，停止鉆進(jìn)并及時(shí)清孔。清孔采用換漿法。將鉆具提起約30cm，鉆頭不停轉動(dòng)，泥漿循環(huán)不斷進(jìn)行。不得用加深孔深來(lái)代替清孔。
�、軝z孔:成孔過(guò)程中及成孔以至灌注混凝土之前，對鉆孔的孔深、孔徑及孔底質(zhì)量情況進(jìn)行檢查。成孔之后用籠式探孔器檢查孔徑及孔形。
(7)鋼筋籠制作與安裝:根據青藏鐵路的特殊，針對低溫條件，鋼筋籠的加工、焊接、安裝應符合以下要求:鋼筋接長(cháng)采用預熱閃光對焊或閃光→預熱→閃光焊工藝。鋼筋端面比較平整時(shí)，采用預熱閃光焊，端面不夠平整時(shí)，采用閃光→預熱→閃光焊工藝。
多年凍土區工程從設計到施工都有不同于一般地區的特殊性。青藏鐵路通過(guò)有關(guān)專(zhuān)家多年的試驗研究解決了一系列凍土施工的難題，但是通過(guò)施工可以發(fā)現還有許多問(wèn)題有待解決，諸如多年凍土地區工程的耐久性有待于實(shí)踐驗證,混凝土耐久性需進(jìn)一步驗證。
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