淺談凍土地區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)特性及其施工技術(shù)
2010-11-09
凍土區(qū)橋梁樁基礎(chǔ)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(dǎo)致凍土的凍結(jié)強度降低，致使樁的承載力嚴(yán)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(fù)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(yīng)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(chǔ)表面，當(dāng)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(yán)重將引起結(jié)構(gòu)物的破壞。根據(jù)凍脹力作用于基礎(chǔ)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(chǔ)側(cè)表面上的力，法向凍脹力指垂直作用于基礎(chǔ)側(cè)表面上的力，法向凍脹力指垂直作用于基礎(chǔ)底面上的凍脹力。切向凍脹力是作用于凍土區(qū)基礎(chǔ)上的主要力系之一，如果設(shè)計時對此考慮不當(dāng)，則會引起基礎(chǔ)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(guān)。
2、計算模型及基本假設(shè)
(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(chǔ)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(yīng)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(yuǎn)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?～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(dá)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(chǔ)施工技術(shù)
3.1施工準(zhǔn)備
(1)進場前認(rèn)真學(xué)習(xí)凍土知識和相應(yīng)的規(guī)范、細(xì)則；
(2)橋梁施工前應(yīng)仔細(xì)核對設(shè)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(rèn)真做好機械設(shè)備的選型和配套工作，施工機械盡量采用適應(yīng)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(shè)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(zhǔn)備:首先測量放樣，定出基礎(chǔ)各樁的樁位。樁的縱橫允許偏差≤±5cm，并在樁的前后左右設(shè)置護樁，以供隨時檢測樁中心和標(biāo)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(shè)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(shè)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(chǔ)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(shè)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(chǔ)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(shè)方法與常規(guī)有所不同。當(dāng)?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(yù)先滿涂渣油。護筒準(zhǔn)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(yīng)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(shè)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(dá)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(chǔ)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(shè)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(shè)計指定地點傾倒。
②鉆孔: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。
?、矍蹇?當(dāng)鉆至設(shè)計標(biāo)高后，經(jīng)巖樣確認(rèn)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。
?、軝z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(yīng)符合以下要求:鋼筋接長采用預(yù)熱閃光對焊或閃光→預(yù)熱→閃光焊工藝。鋼筋端面比較平整時，采用預(yù)熱閃光焊，端面不夠平整時，采用閃光→預(yù)熱→閃光焊工藝。
多年凍土區(qū)工程從設(shè)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(guān)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。
