摘要:多年凍土地區(qū)鐵路橋梁工程往往由于地基的凍融。作用,不良凍土地區(qū)現(xiàn)象的影響,會產(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,水文地質(zhì)條件,混凝土入模溫度、凍土初始地溫場的影響及相變效應(yīng);以傳熱學為基礎(chǔ),給出了凍土區(qū)單樁地溫場控制微分方程、邊界和初始條件,以及其空間分析的有限元計算模式;詳細總結(jié)了多年凍土區(qū)橋梁樁基施工工藝及方法、保證工程質(zhì)量的技術(shù)措施、施工中遇到的問題及解決方法。 

關(guān)鍵字:凍土地基樁基礎(chǔ)施工技術(shù) 
  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 
  (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(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。 
  (2)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(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,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。 
  (3)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[4,5],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(28d)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施工準備 
  (1)進場前認真學習凍土知識和相應(yīng)的規(guī)范、細則; 
  (2)橋梁施工前應(yīng)仔細核對設(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?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,存人鋼制泥漿池中。現(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。 
 、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。 
 、矍蹇祝寒斻@至設(shè)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(yīng)符合以下要求:鋼筋接長采用預(yù)熱閃光對焊或閃光一預(yù)熱一閃光焊工藝。鋼筋端面比較平整時,采用預(yù)熱閃光焊,端面不夠平整時,采用閃光一預(yù)熱一閃光焊工藝。 
  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。