摘要:多年冻土地区桥梁工程往往由于地基的冻融作用,不良冻土地区现象的影响,会产生各种工程病害,从而影响工程使用。结合大气温度、水文地质条件,混凝土入模温度、冻土初始地温场的影响及相变效应,以传热学为基础,可以得出冻土区单桩地温场控制微分方程、边界和初始条件,以及其空间分析的有限元计算模式。
关键词:冻土地基;桩基础;施工技术
冻土区桥梁桩基础施工,会给冻土引进一定的热量,这些热量在自然回冻过程中传到周围的多年冻土中,破坏冻土的稳定冻结状态。尤其是混凝土灌注桩中的水化热会给稳定的冻土带来很大的热扰动,可能会导致冻土的冻结强度降低,致使桩的承载力严重下降,直接影响施工进度。所以,研究大气温度、水文地质条件、入模温度、冻土本身的负温对桩自然回冻的影响及其计算模式,可以为施工计划的制定提供理论依据,有很重要的实用价值。
1、冻土地基的工程特性
(1)冻胀性
在自然界中,受大气温度变化的影响,土体中的水分产生相变,从而土体积膨胀或收缩,膨胀现象,称为土体的冻胀,收缩现象,称为冻土融化。膨胀现象,是由于土体在冻结过程中,水分冻结成冰,体积膨胀而引起的。土体的的冻胀性受土体埋深、土体含水量、土颗粒粒径、土体密度等因素影响。冻土地基的冻胀性,是影响多年冻土区工程结构物尤其是桥梁工程稳定性的重要因素。
(2)冻胀力
地基土冻结时,封闭体系中,冻土水分冻结体积扩张的内应力,开放体系中,孔隙水侵入推开土颗粒并冻结所产生的力,称为冻胀力。冻胀力作用于基础表面,当工程结构物的重量和附加荷载不足以与之平衡时,结构物将在冻胀力的作用下产生冻胀变形,严重将引起结构物的破坏。根据冻胀力作用于基础表面的部位和方向,可划分为切向冻胀力、水平冻胀力和法向冻胀力三种形式。切向冻胀力,即平等作用于基础侧表面上的力,法向冻胀力指垂直作用于基础侧表面上的力,法向冻胀力指垂直作用于基础底面上的冻胀力。切向冻胀力是作用于冻土区基础上的主要力系之一,如果设计时对此考虑不当,则会引起基础在切向冻胀力的作用下产生上拔变形,甚至破坏。
(3)融沉性
冻土融化过程中,在自重压密作用下,不断产生下沉伴随着孔隙水的消散,即为冻土融沉性。这个过程不仅是由于冻土中冰转变成水的相变时的体积减小,更重要的是在此过程中产生孔隙水的消散与排泄,土体的孔隙比减小,冻土的融沉性与冻土的粒度成分,含冰量密度及孔隙水的消散等因素密切相关
2、冻土区桩基础施工技术
2.1 施工准备
(1) 进场前认真学习冻土知识和相应的规范、细则;
(2) 桥梁施工前应仔细核对设计文件,对桥梁位的地质进行全面调查与核实,必要时进行补充地质勘探;
(3) 认真做好机械设备的选型和配套工作,施工机械尽量采用适应高原的高效率机械,并充分考虑功率的降效;
(4) 根据施工进度计划,做好施工材料的采购和储备;
(5) 测量控制桩设置在稳定土层或基岩上,用混凝土包裹防护,埋入冻土层的控制桩跨冻融季节使用时,埋深≥2倍的天然上限,桩周回填粗粒土,以防冻融引起桩位变动。
2.2施工工艺和方法
(1) 钻机选择:通过青藏铁路施工中的经验以及满足快速施工的原则,在桩基施工时宜采用旋挖钻机成孔。
(2) 施工准备:首先测量放样,定出基础各桩的桩位。桩的纵横允许偏差≤±5cm,并在桩的前后左右设置护桩,以供随时检测桩中心和标高。钻孔场地布置尽量以填代挖,以减少对原地表开挖引起的热扰动。钻机底座下发动机散热部分宜铺设聚苯乙烯泡沫塑料隔热板,以减少对地基土的热侵入。
(3) 埋设护筒:在青藏线,护筒除保护孔口,使钻孔作业正常进行外,还是采取有效措施,从而降低冻土对桩基础抗拔力的载体。具体的做法是,将护筒(下转131页)(上接130页)埋入冻土上限以上一定深度,并按设计要求外表面涂以渣油,成桩后不拆除护筒,以减少外表面的亲水程度,减小冻土对桩基础上拔力。护筒宜采用5～6mm 厚的钢板卷制,内径比桩径大15～20cm;在多年冻土地区护筒埋至冻土上限以下≥0.5m;由于护筒外表面要涂渣油,其埋设方法与常规有所不同。当地表土稳定性较好,施工过程没有地表水时,在钻机就位后,先用比护筒直径大一级别的螺旋钻头施钻,钻至冻土上限以下>0.5m深度后停钻,安放护筒。安放前,护筒外侧预先满涂渣油。护筒准确就位后,护筒外侧与孔壁所形成的空隙用渣油拌制的粗粒土回填密实
(4) 钻机就位:钻机利用自动系统就位。钻孔前,应调整机架杆垂直、位置正确,防止因钻杆晃动引起扩大孔径及增加孔底虚土。
(5) 旋挖钻机干法钻孔:护筒埋设完成后,进行正式钻进。旋挖钻进是利用旋挖钻头钻杆顶的液压马达往下压,同时利用旋挖钻头旋转切入土体,土被挤入料斗中,再提出孔外,直接装入自卸汽车。钻进过程中,根据地质情况选用不同的钻头。
(6) 湿法作业:在粘性土、砂类土、碎石类处于地下水位以下,干法作业不能保证孔壁稳定时,采用湿法作业。湿法作业在干法作业基础上增加以下内容:
①泥浆拌制及废碴处理:钻孔泥浆采用优质粘土,采用制浆机制浆,存入钢制泥浆池中。现场设泥浆池、沉淀池各一个,串联并用。钻孔桩所需泥浆不得随意就地排放,不得就近挖坑作泥浆池。钻孔过程中,沉淀了中沉淀的废碴由人工装入泥浆车外运至
设计指定地点倾倒。
②钻孔:开钻时,先低档慢速钻进,钻至护筒下1m后,再以正常速度钻进。在钻进过程中,经常注意进行泥浆循环,将钻渣捞取,沉淀后及时排除,并随时注意土层变化,对不同的土层采用不同的钻速、钻压、泥浆比重。
③清孔:当钻至设计标高后,经岩样确认到位后,停止钻进并及时清孔。清孔采用换浆法。将钻具提起约30cm ,钻头不停转动,泥浆循环不断进行。不得用加深孔深来代替清孔。
④检孔:成孔过程中及成孔以至灌注混凝土之前,对钻孔的孔深、孔径及孔底质量情况进行检查。成孔之后用笼式探孔器检查孔径及孔形。
(7) 钢筋笼制作与安装:根据青藏铁路的特殊环境,针对低温条件,钢筋笼的加工、焊接、安装应符合以下要求:钢筋接长采用预热闪光对焊或闪光→预热→闪光焊工艺。钢筋端面比较平整时,采用预热闪光焊,端面不够平整时,采用闪光→预热→闪光焊工艺。
针对冻土区桥梁桩基施工,必须改变沿用的消极被动保护冻土的措施, 采用积极主动的保护冻土措施, 即冷却地基的办法,以确保工程的稳定。主要措施一般包括通风管、抛石护坡与碎块石互层通风、热棒(桩)、遮阳棚、热半导体保温材料和人工冻结技术等方面,作为主动的地温调控技术,这几种措施在不同的范围内均有效果,都可以有效地抬升多年冻土上限,保护冻土路基稳定性。因此,主动的地温调控技术作为保护冻土路基的措施是一条可行的方法,可以不同程度的在寒区工程建设中使用。