橋梁樁基礎(chǔ)抗凍拔設(shè)計(jì)與防治措施探討

1、<p>　　橋梁樁基礎(chǔ)抗凍拔設(shè)計(jì)與防治措施探討</p><p>　　摘要：中國北方高寒地區(qū)中橋樁基凍拔已經(jīng)成為較為普遍的病害，本文分析了多年凍土區(qū)橋梁病害原因，并對橋梁樁基礎(chǔ)凍拔設(shè)計(jì)與防治措施進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，值得同行參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：橋梁樁基礎(chǔ)、凍拔技術(shù)、高寒地區(qū) </p><p>　　中圖分類號(hào)：K928.78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文

2、章編號(hào)： </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　中國北方高寒地區(qū)中小橋樁基凍拔已經(jīng)成為較為普遍的病害，季節(jié)凍土區(qū)的樁基礎(chǔ)，經(jīng)常由于地基土的凍脹作用遭到破壞，很多情況下樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性是由其抗凍拔能力所控制的。因此，對于季節(jié)凍土區(qū)樁基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定性及其抗凍拔措施的研究是非常必要的。 </p><p>　　多年凍土區(qū)橋梁病

3、害原因分析 </p><p>　　1、工程對凍土環(huán)境的改變 </p><p>　　凍土地基升溫、融化和壓密是多年凍土地區(qū)橋梁基礎(chǔ)下沉的主要原因。一種為橋梁完工后，墩臺(tái)短期內(nèi)就產(chǎn)生沉降，引起全橋結(jié)構(gòu)變形。特別是明挖基礎(chǔ)暖季施工，基坑裸露時(shí)間較長時(shí)，更易引起這種病害。另一種情況表現(xiàn)為建筑物長期下沉.其原因是地基含冰量大，土溫度高，在恒載作用下，地基凍土產(chǎn)生蠕變而沉降。 </p>

4、<p><b>　　2、設(shè)計(jì)問題 </b></p><p>　　樁基設(shè)計(jì)較短，樁的入土深度較小，其上部荷載、樁自重及樁與未凍土地之間的摩擦力不足以平衡總切向凍脹力，因此產(chǎn)生整體上抬、上拔量逐年累積，使建筑物產(chǎn)生變形，影響建筑物安全及使用。 </p><p>　　冰凍對混凝土的影響 </p><p>　　對橋梁的調(diào)查表明，由于惡劣的氣候

5、條件和混凝土本身的配合比不盡合理，導(dǎo)致混凝土剝蝕、脫落等損壞。 </p><p><b>　　4、荷載問題 </b></p><p>　　設(shè)計(jì)上的某些失誤，設(shè)計(jì)荷載偏低，沒有充分考慮到永久性構(gòu)造物的長期使用要求，使橋梁主要承重構(gòu)件(板、梁、墩、臺(tái))難以承受日益增長的車輛荷載。多年凍土地區(qū)修建橋涵時(shí)結(jié)構(gòu)類型、基礎(chǔ)埋深、導(dǎo)流設(shè)施及洞口建筑的選擇等，都未達(dá)到盡善的程度，使部

6、分設(shè)計(jì)與實(shí)際不相符合，導(dǎo)致橋涵工程破壞。 </p><p><b>　　施工質(zhì)量問題 </b></p><p>　　鉆孔灌注樁的施工由于孔內(nèi)熱量注入，致使孔壁熱融，一些孔凍脹頸縮，孔底土質(zhì)松軟，降低了樁基的承載能力；施工時(shí)，凍土層內(nèi)出現(xiàn)混凝土堆積塊體，增大周圍土體的切向及法向凍脹力，起了助拔作用，引起樁基上拔。 </p><p><b&g

7、t;　　6、地形問題 </b></p><p>　　樁基所處的地形位置對樁基不利，如溝、渠邊坡過陡，位于斜坡上的樁基在斜坡上方凍脹力的作用下，產(chǎn)生向溝、渠內(nèi)方向傾斜，導(dǎo)致樁基斷裂。 </p><p>　　橋梁樁基礎(chǔ)凍拔設(shè)計(jì)分析 </p><p>　　下文中根據(jù)實(shí)際的工程實(shí)例，對橋梁樁基礎(chǔ)凍拔設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。 </p><p><

8、;b>　　1、工程概況 </b></p><p>　　某公路是某地區(qū)重要的南北向公路大通道，路線全長141.764km，全線設(shè)大橋106m/1座，中橋412m/6座，小橋464m/16，涵洞163道，分離式立交6座，橋式通道3座 </p><p>　　季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深區(qū)劃： </p><p>　　全線季節(jié)性凍土廣泛分布，冰情情況為：每年冬季河流常

9、出現(xiàn)一系列復(fù)雜的冰凌現(xiàn)象，冰期大致分為結(jié)冰期、封凍期、解凍期三個(gè)階段。每年10月中旬開始，隨著氣溫的下降，導(dǎo)致河流形成蓋面冰層。 </p><p>　　特殊性巖土及不良地質(zhì)情況：全線大部分處于島狀多年凍土分布區(qū)。 </p><p>　　2、橋梁樁基礎(chǔ)凍拔設(shè)計(jì)分析 </p><p>　　在季節(jié)凍土區(qū)的樁基礎(chǔ)一般必須穿過一定厚度的凍土層。樁周土在凍結(jié)過程中由于與樁體表面

10、凍結(jié)在一起而發(fā)生凍脹作用，在樁體表面產(chǎn)生切向凍脹力，由于這種凍脹力一般較大會(huì)對樁體產(chǎn)生破壞作用，產(chǎn)生凍拔破壞。季節(jié)凍土區(qū)樁基礎(chǔ)凍拔破壞有兩種基本形式:①樁基礎(chǔ)整體上拔。每年冬季來臨地表開始凍結(jié)，切向凍脹力產(chǎn)生。隨著凍深加大，切向凍脹力逐漸增加，當(dāng)切向凍脹力大于恒載、樁自重和融土層的摩阻力時(shí)，樁柱失去穩(wěn)定，整體上拔。②樁基礎(chǔ)強(qiáng)度不夠局部拔斷。對于埋入較深或擴(kuò)大頭較大的鋼筋混凝土樁，由于在融土層錨固力較大，在較大切向凍脹力作用下，樁柱整體不

11、能上拔，但由于樁體本身的抗拉強(qiáng)度不夠而被拉斷。 </p><p>　　通過以上對樁基礎(chǔ)凍拔破壞及其受力情況的分析 ,為確保上部建筑物的穩(wěn)定，樁基礎(chǔ)在凍結(jié)過程中應(yīng)同時(shí)滿足以下抗凍拔穩(wěn)定條件: </p><p>　　式中：P為作用在樁頂?shù)暮爿d;G為樁身自重;F為樁在凍結(jié)鋒面以下融土的摩阻力;Kd為抗凍拔穩(wěn)定安全系數(shù);T為凍結(jié)層對樁的切向凍脹力之和:Gi為驗(yàn)算截面以上樁身的自重:Fi為驗(yàn)算截面至

12、凍結(jié)鋒面之間樁與融土層的摩阻力:A為驗(yàn)算截面的面積，對于鋼筋混凝土結(jié)，為縱向受力鋼筋截面積之和;.fy為驗(yàn)算截面樁體材料的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，則為受力鋼筋的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度。 </p><p>　?。?）切向凍脹力的計(jì)算 </p><p>　　切向凍脹力的形成和作用機(jī)理極其復(fù)雜，受到各種自然條件、結(jié)構(gòu)物的外部約束、體系特點(diǎn)及驗(yàn)算要求等多種因素的影響。在一個(gè)較大的地區(qū)范圍內(nèi)，同一類

13、別土在不同凍深處其單位切向凍脹力一般表現(xiàn)為:凍深較大，其值較小些;凍深較小，其值反而較大些。 </p><p>　?。?）摩阻力的計(jì)算 </p><p>　　對于季節(jié)凍土區(qū)樁基礎(chǔ)抗凍撥穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，總摩阻力一般僅考慮樁在融土層的摩阻力，按下面公式進(jìn)行計(jì)算： </p><p>　　式中:ui為樁在各融土層內(nèi)的平均周長;li為樁周各融土層厚度;fi為樁側(cè)融土層單位設(shè)計(jì)摩

14、阻力。 </p><p>　　樁與地基土之間的摩阻力是樁基抗凍拔穩(wěn)定的錨固力，其數(shù)值與土質(zhì)類別、性狀、樁體的材質(zhì)及表面粗糙度等因素有關(guān)。一般承受軸向壓力的樁，樁的位移對樁周土的作用是使其產(chǎn)生擠密變形，而承受軸向拉力的樁，則由于樁在軸向拉力的作用下，產(chǎn)生向上的位移而帶動(dòng)地表以下一定深度土層向上隆起松動(dòng)，使之與受壓樁的摩阻力相比降低很多。但一般認(rèn)為，樁基礎(chǔ)凍拔時(shí)融土區(qū)段樁土的相互作用機(jī)理、作用性狀和摩阻力分布規(guī)律，均

15、與一般條件下的軸向受壓樁一致，所以對其摩阻力計(jì)算可取受壓樁的摩阻力值。 </p><p>　?。?）樁身自重及外載的計(jì)算 </p><p>　　在進(jìn)行樁基礎(chǔ)抗凍拔穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)，一般需要對樁身自重和上部恒載進(jìn)行計(jì)算，樁基礎(chǔ)水下部分的自重應(yīng)取浮重度。 </p><p>　?。?）驗(yàn)算截面位置的確定 </p><p>　　樁基礎(chǔ)抗凍拔驗(yàn)算時(shí)，樁身材料

16、抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算截面位置一般根據(jù)受力和配筋情況試算確定，選擇最薄弱部位作為驗(yàn)算截面。 </p><p><b>　　防治措施 </b></p><p>　　1、混凝土選用低溫早強(qiáng)耐久混凝土，外加劑選用低溫早強(qiáng)高性能混凝土外加劑.寒季施工時(shí)，混凝土拌合前應(yīng)對原材料和水進(jìn)行預(yù)加熱，但注意不要對水泥直接加熱。 </p><p>　　2、樁基長度確定時(shí)，尤

17、其是小橋，樁長的設(shè)計(jì)長度應(yīng)結(jié)合最小抗凍拔樁長要求及承載力計(jì)算樁長，綜合確定橋梁設(shè)計(jì)樁長。 </p><p>　　3、護(hù)筒加工及埋設(shè):護(hù)筒直徑宜大于孔徑(20cm )，護(hù)筒除可保護(hù)孔口、使鉆孔作業(yè)正常進(jìn)行外，還是降低凍土對樁墓礎(chǔ)凍拔力的重要措施。將護(hù)筒埋入凍土上限以下不小于0.5m，并于護(hù)筒外涂l cm厚的瀝青渣油，減少護(hù)簡外表面的親水程度，降低凍土對樁基礎(chǔ)的上拔力。 </p><p>　　

18、圖1 鉆孔灌注樁防凍脹措施示意圖 </p><p>　　4、樁基礎(chǔ)四周0.5米范圍內(nèi)及系梁底面與季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深線之間采用不凍脹材料（砂礫）換填。 </p><p><b>　　結(jié)論 </b></p><p>　　通過以上的分析與研究，季節(jié)凍土區(qū)的樁基礎(chǔ)極易受到土層凍脹作用而造成凍拔破壞，從而影響上部安全穩(wěn)定。因此，對其抗凍拔穩(wěn)定性驗(yàn)算是必不

19、可少的，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果和工程實(shí)際選擇合理的抗凍拔措施，進(jìn)而確保工程的穩(wěn)定。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]勵(lì)國良等，青藏高原多年凍土地區(qū)樁基試驗(yàn)研究.青藏鐵路多年凍土科 研成果匯編，鐵道部科學(xué)技術(shù)司，2002 </p><p>　　[2]陳卓懷，多年凍土地區(qū)凍土工程.人民交通出版社，,2005 &l