淺談凍土地區(qū)橋梁樁基礎特性及其施工技術(shù)
2010-11-09
凍土區(qū)橋梁樁基礎施工，會給凍土引進一定的熱量，這些熱量在自然回凍過程中傳到周圍的多年凍土中，破壞凍土的穩(wěn)定凍結(jié)狀態(tài)。尤其是混凝土灌注樁中的水化熱會給穩(wěn)定的凍土帶來很大的熱擾動，可能會導致凍土的凍結(jié)強度降低，致使樁的承載力嚴重下降，直接影響施工進度。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(jù)，有很重要的實用價值。
1、凍土地基的工程特性
?。?）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(xiàn)象，稱為土體的凍脹，收縮現(xiàn)象，稱為凍土融化。膨脹現(xiàn)象，是由于土體在凍結(jié)過程中，水分凍結(jié)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(qū)工程結(jié)構(gòu)物尤其是橋梁工程穩(wěn)定性的重要因素。
?。?）凍脹力 地基土凍結(jié)時，封閉體系中，凍土水分凍結(jié)體積擴張的內(nèi)應力，開放體系中，孔隙水侵入推開土顆粒并凍結(jié)所產(chǎn)生的力，稱為凍脹力。凍脹力作用于基礎表面，當工程結(jié)構(gòu)物的重量和附加荷載不足以與之平衡時，結(jié)構(gòu)物將在凍脹力的作用下產(chǎn)生凍脹變形，嚴重將引起結(jié)構(gòu)物的破壞。根據(jù)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(cè)表面上的力，法向凍脹力指垂直作用于基礎側(cè)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(qū)基礎上的主要力系之一，如果設計時對此考慮不當，則會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。
?。?）融沉性 凍土融化過程中，在自重壓密作用下，不斷產(chǎn)生下沉伴隨著孔隙水的消散，即為凍土融沉性。這個過程不僅是由于凍土中冰轉(zhuǎn)變成水的相變時的體積減小，更重要的是在此過程中產(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。
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，樁長為20m，鑒于所研究對象的特點，本問題可視為一個軸對稱問題。樁側(cè)和樁底界面應分別取在水化熱對凍土熱撓動范圍外及凍土下限，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。混凝土放熱主要在7～12d完成，即混凝土在入模后7～12d 內(nèi)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(jié)果不會產(chǎn)生很大的影響。
3、凍土區(qū)樁基礎施工技術(shù)
3.1施工準備
(1)進場前認真學習凍土知識和相應的規(guī)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)進行全面調(diào)查與核實，必要時進行補充地質(zhì)勘探
3)認真做好機械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(jù)施工進度計劃，做好施工材料的采購和儲備；
(5)測量控制樁設置在穩(wěn)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(jié)使用時，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；
3.2施工工藝和方法
(1)鉆機選擇:通過青藏鐵路施工中的經(jīng)驗以及滿足快速施工的原則，在樁基施工時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，以供隨時檢測樁中心和標高。鉆孔場地布置盡量以填代挖，以減少對原地表開挖引起的熱擾動。鉆機底座下發(fā)動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，護筒除保護孔口，使鉆孔作業(yè)正常進行外，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(nèi)徑比樁徑大15～20cm；在多年凍土地區(qū)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(guī)有所不同。當?shù)乇硗练€(wěn)定性較好，施工過程沒有地表水時，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(cè)預先滿涂渣油。護筒準確就位后，護筒外側(cè)與孔壁所形成的空隙用渣油拌制的粗粒土回填密實。
(4)鉆機就位:鉆機利用自動系統(tǒng)就位。鉆孔前，應調(diào)整機架桿垂直、位置正確，防止因鉆桿晃動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，進行正式鉆進。旋挖鉆進是利用旋挖鉆頭鉆桿頂?shù)囊簤厚R達往下壓，同時利用旋挖鉆頭旋轉(zhuǎn)切入土體，土被擠入料斗中，再提出孔外，直接裝入自卸汽車。鉆進過程中，根據(jù)地質(zhì)情況選用不同的鉆頭。
(6)濕法作業(yè):在粘性土、砂類土、碎石類處于地下水位以下，干法作業(yè)不能保證孔壁穩(wěn)定時，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(nèi)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(xiàn)場設泥漿池、沉淀池各一個，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。鉆孔過程中，沉淀了中沉淀的廢碴由人工裝入泥漿車外運至設計指定地點傾倒。
?、阢@孔:開鉆時，先低檔慢速鉆進，鉆至護筒下1m后，再以正常速度鉆進。在鉆進過程中，經(jīng)常注意進行泥漿循環(huán)，將鉆渣撈取，沉淀后及時排除，并隨時注意土層變化，對不同的土層采用不同的鉆速、鉆壓、泥漿比重。
③清孔:當鉆至設計標高后，經(jīng)巖樣確認到位后，停止鉆進并及時清孔。清孔采用換漿法。將鉆具提起約30cm，鉆頭不停轉(zhuǎn)動，泥漿循環(huán)不斷進行。不得用加深孔深來代替清孔。
④檢孔:成孔過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(jù)青藏鐵路的特殊環(huán)境，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，采用預熱閃光焊，端面不夠平整時，采用閃光→預熱→閃光焊工藝。
多年凍土區(qū)工程從設計到施工都有不同于一般地區(qū)的特殊性。青藏鐵路通過有關專家多年的試驗研究解決了一系列凍土施工的難題，但是通過施工可以發(fā)現(xiàn)還有許多問題有待解決，諸如多年凍土地區(qū)工程的耐久性有待于實踐驗證,混凝土耐久性需進一步驗證。
