（土木工程专业论文）多年冻土区桥涵桩基础工程技术研究.pdf

摘要 本文根据青藏公路、g 2 1 4 多年冻土地区桥梁病害类型特点的调查，分析病 害原因和破坏机理。 首次在多年冻土地区的依托工程中采用了自平衡试验方法和数据自动记录 采集系统，取得的试桩温度场观测资料和不同阶段基桩承载力数据，通过实测实 验数据和建立有限元模型，了解地基回冻影响因素，基本掌握了桩周温度场的变 化及回冻过程，基桩承载力的形成过程，得出冻土地基温度状况以及冻土热物理 性质等冻土工程地质特征对冻土地基回冻进程有较大的影响，大直径灌注桩在有 限的施工期限内无法实现回冻，大直径桩的地基温度恢复的进程缓慢。此外桩体 混凝土的配合比和水泥水化热量大小以及混凝土入模温度的高低对冻土地基的 热扰动和地基的回冻进程也有较大的影响。随着桩周土体的逐渐回冻，地基对灌 注桩的冻结力和承载力线性增加。桩基地基回冻是一个较为漫长的过程，要求等 到施工对地温的热扰动完全消除再实施墩台施工是不现实的，只要砼强度达到设 计标准，无论是否完全回冻，单桩基承载力均可满足施工要求。 同时在试验工程研究和理论分析的基础上，提出了多年冻土地区桥梁总体方 案设计原则，上部结构形式的选择与设计方法，基础类型的选择。 此外，针对多年冻土地区的气候特点，在混凝土养生以及质量控制措施、钻 孔灌注桩钻机选择、防冻措施、桥梁施工工艺的选择等方面，提出了较为全面的 施工工艺要求，本文对多年冻土地区的桥梁基础设计、施工，有较好的工程应用 价值。 关键词：多年冻土地区，试桩，病害，回冻，承载力，设计原则，施工 工艺 a b s t r a c t b a s e do ns u r v e yt h ed i s e a s et y p ec h a r a c t e r i s t i co ft h eb r i d g ei nq i n g h a i t i b e t h i g h w a ya n dg 2 14f r o z e ns o i lz o n e ，t h ed i s e a s ec a u s ea n df r a c t u r em e c h a n i s mw e r e a n a l y z e di nt h i st e x t s e r f - b a l a n c ee x p e r i m e n t a t i o nm e t h o da n dd a t e d a t ac o l l e c t e da u t o m a t i c a l l y s y s t e mw e r ei n t r o d u c e df i r s t l yi nt h es u p p o r t e dp r o j e c to ft h ef r o z e ns o i lz o n e ，t h e t e m p e r a t u r ef i e l do fl o a dt e s tp i l ea n dt h ed a t eo ff o u n d a t i o np i l eb e a t i n gc a p a b i l i t yi n d i f f e r e n tp h a s ew e r eo b t a i n e d ，t h ee f f e c t e df a c t o ro fr e f r e e z e dg r o u n d w o r ka n dt h e v a r i e t yo fp i l et e m p e r a t u r e f i e l d 、t h er e f r e e z e dp r o c e s sa n dt h ef o r m a t i o no f f o u n d a t i o np i l eb e a t i n gc a p a b i l i t yw e r er e a l i z e db yt h ee x p e r i m e n tm e a s u r e dd a t ea n d f i n i t ee l e m e n tm o d e t h ef r o z e ns o i lt e m p e r a t u r es t a t u s 、h e a tp h y s i c sp r o p e r t ya n d o t h e rf r o z e ns o i l g e o l o g i c p r o p e r t ye f f e c tt h ef r o z e ns o i lg r o u n d w o r kr e f f e e z e d p r o c e s sg r e a t l y l a r g ed i a m e t e rc a s t - i n - p l a c ep i l ec a nn o tb er e - f r e e z e di nt h el i m i t e d c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，t h eg r o u n d w o r kt e m p e r a t u r eo fl a r g ed i a m e t e rc a s t - i n - p l a c ep i l e c o m e b a c ks l o w l y a n da l s ot h ep r o p o r t i o n i n go f p i l eb o d yc o n c r e t e 、t h em a g n i t u d eo f c e m e n th y d r a t e dh e a tq u a n t i t ya n dt h em a g n i t u d eo fc o n c r e t et e m p e r a t u r ee n t e r e d t e m p l a t ee f f e c tt h ef r o z e ns o i lg r o u n d w o r kd i s t u r b a n c ea n dr e f r e e z e dp r o c e s sg r e a t l y t h ef r e e z e df o r c ea n db e a r i n gc a p a b i l i t yo fc a s t - i n - p l a c ep i l ew e r ei n c r e a s e dl i n e a r l y b yt h ep i l es u r r o u n d i n gs o i lr e f r e e z e dp r o c e s s t h er e f r e e z e dp r o c e s so fp i l e g r o u n d w o r kw a se n d l e s s ，i ti si m p o s s i b l et h a tf r u s t ap l a t f o r mc o n s t r u c t e da f t e rh e a t d i s t u r b a n c ed i s p e l l e dc o m p l e t e l y , n om a t t e rw h a tt h er e f r e e z e dp r o c e s sc o m p l e t e l y , a s l o n ga st h ec o n c r e t ei n t e n s i t ya c h i e v e dd e s i g ns t a n d a r d ，t h eb e a r i n gc a p a b i l i t yo f s i n g l ep i l ec a ns a t i s f yt h ec o n s t r u c t i o nr e q u e s t a tt h es a m et i m e ，t h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h eb r i d g eo v e r a l lp r o g r a m 、t h ef o r m c h o s e na n dd e s i g nm e a s u r eo ft h es t r u c t u r eu p s i d ea n dt h ef o u n d a t i o nt y p ec h o s e n w e r ep u tf o r w a r db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dt h e o r ya n a l y s i s b e s i d e s ，t h ew e a t h e rs p e c i a l t yo ff r o z e ns o i lz o n e 、t h ec o n c r e t ep r o t e c t i o na n d q u a l i t yc o n t r o lm e a s u r e ，t h eb o r e ro fc a s t i n p l a c ep i l e ，p r e v e n tf r o s t b i t em e a s u r e ， t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i c sc h o s e no fb r i d g ea n do t h e rf a c t o r s ，t h ec o m p r e h e n s i v e c o n s t r u c t i o nt e c h n i c sr e q u e s tw a sp u tf o r w a r d ，t h i st e x th a v eg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u e f o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f b r i d g ef o u n d a t i o ni nf r o z e ns o i lz o n e k e y w o r d s ：f r o z e ns o i lz o n e ，t e s tp i l e ，d i s e a s e ，r e f f e e z e d ，b e a r i n gc a p a b i l i t y , d e s i g ns t a n d a r dc o n s t r u c t i o nt e c h n i c s i i i 长安大学工程硕l 学位论文 第1 章绪论 1 1 多年冻土区桥梁研究现状 多年冻土地区桥涵工程技术研究，概括起来说，就是桥涵地基多年冻土的工 程特性、桥涵地基冻结和融化过程特性和多年冻土上桥涵基础合理型式的研究。 多年冻土上的桥涵地基基础工程有如下特点：a 基础在地基活动层土体一年一度 的冻融循环过程中，承受冻胀力的作用；b 多年冻土地基的强度和稳定性与温度 密切相关。因此，多年冻土中桥涵地基基础工程的设计，必需解决以下两个问题： a 采取有效措施，确保多年冻土地基的温度在施工和运营过程中，维持在设计温 度( 确保地基的承载力) ：b 采取有效措施，确保基础在施工和运营过程中，承 受的冻胀力不超过设计允许值( 确保建筑物的抗冻胀稳定性) 。 为减少病害，提高桥涵建筑物的可靠性，多年冻土上的桥涵地基基础工程， 应特别重视建筑场地的选址。建筑场地良好的冻土工程地质条件，是多年冻土地 区桥涵工程建筑物稳定的保障。 世界各主要多年冻土国家，对于冻土工程特性和多年冻土上地基基础工程合 理型式的研究，都受当时各国工业和经济发展水平的制约。因此，各国在冻土工 程特性和多年冻土中桥涵基础工程合理型式研究方面，所经历的过程大体相同。 俄罗斯多年冻土的研究始于1 9 世纪4 0 年代。对多年冻土上地基基础工程的系统 研究，则始于2 0 世纪2 0 年代【1 1 。1 8 9 2 年，俄罗斯西伯利亚大铁路的修建，大大 促进了工程冻土学的发展。在1 0 0 多年的研究中，俄罗斯在冻土的物理、热物理 和力学特性，土冻结过程的水分迁移和冻胀，多年冻土地基的利用原则，多年冻 土中基础的合理型式，维持多年冻土地基基础稳定的方法，多年冻土中基础的施 工方法，以及多年冻土地基基础的设计和计算等，在世界多年冻土与地基基础研 究中，都是领先的。目前，世界各多年冻土国家，在多年冻土地基基础工程中， 采用的设计、计算理论，冻土地基利用原则，基础类型，施工方法和维持工程稳 定的措施等，很多都是借鉴俄罗斯的经验。 美国和加拿大，多年冻土上桥涵地基基础工程的研究，始于2 0 世纪2 0 年代。 第1 章绪论 二战初期，美国和加拿大开始在北方多年冻土区修筑铁路( 阿拉斯加铁路和爱得 蒙顿大努湖铁路) 、公路和机场。多年冻土与冻土工程问题，摆在了建设者面 前。初期的冻土工程建设，曾遇到许多困难。工程师们开始重视多年冻土与多年 冻土工程问题。至2 0 世纪5 0 - 6 0 年代，美国和加拿大的冻土地基基础工程研究， 得到了很快的发展【2 】。2 0 世纪末，美国和加拿大在多年冻土上地基基础工程研究 和工程实践方面，已赶上世界工程冻土研究的先进水平。 我国多年冻土区桥涵地基基础的研究始于2 0 世纪5 0 年俐3 1 。随着大兴安岭 多年冻土区铁路的修建，开始了我国多年冻土与多年冻土地基基础工程的研究。 2 0 世纪6 0 年代，为修建青藏铁路而开展的冻土工程前期研究，使我国多年冻土 与多年冻土地基基础工程研究，进入全面、系统的发展阶段。青藏铁路的修建， 使我国工程冻土的研究进入了世界多年冻土研究的先进行列。 在各国多年冻土区工程建设的初期阶段，多年冻土地基基础工程的设计和施 工，基本沿用一般地区的方法。至2 0 世纪2 0 年代，在俄罗斯、加拿大和美国， 已开始采用桩基础。 经多年的研究和实践，在今天的多年冻土区桥涵地基基础工程中，常采用的 基础型式有：一般桩基；热桩基础、热棒桩基础。涵洞工程中，常采用的是扩大 整体基础、桩基础。 维持多年冻土上桥涵地基基础工程稳定的方法有：a 减少或消除通过基础传 入冻土地基的热量。常用的方法有，改变地基活动层土体成分，消除活动层的冻 胀和融沉( 采用块石、碎石路基，将建筑场地用碎石垫层覆盖) 、减小基础的体 积( 采用桩基、柱基) 、设置隔热层等。b 作好基础防冻胀处理。常用的方法有： 改变基础形状和表面特性( 采用园形桩基础，改变基础表面的亲水特性，如在基 础表面涂渣油等) 、改良基础周围活动层土体( 如用粗颗粒土进行换填、将基础 周围土体进行物理化学处理等) 、减少地基活动层的厚度( 如在基础周围地基表 面设置隔热层等) 、将基础与地基活动层土体隔离( 如在基础桩活动层部分设管 套，管套内、外空隙灌以融化的渣油) 等。 多年冻土上的桥涵地基基础设计，有三种原则【4 】： a 在建筑物施工和运营期间，保持地基多年冻土的冻结状态； b 允许地基多年冻土在施工和运营期间，按某一融化速率融化。在多年冻土 2 长安火学工程硕上学位论文 厚度较薄时，预先将其融化或挖除； c 在建筑物施工前，预先融化地基多年冻土至一定深度。将基础建在融土地 基上。在建筑物运营期，维持地基土体的融化状态。 在俄罗斯，三种设计原则在多年冻土地区土木工程设计中，均被采用。我国、 美国和加拿大则仅采用第一和第二种设计原则。 多年冻土中，地基基础工程的设计，除采用上述工程措施外，各国都特别强 调对多年冻土环境的保护。这是因为，在多年冻土工程的实践中，各国冻土工作 者都认识到：多年冻土工程的稳定性与多年冻土环境密切相关，保护好多年冻土 环境是维持多年冻土工程稳定的前提。具体的环境保护措施有：禁止破坏苔原植 被，施工车辆必需在建造的碎石垫层( o 6 米厚) 便道上行驶；填土工程用土必 需集中开采；工程施工不得改变原有水文和水文地质条件；工程完成后，必需进 行环境恢复等。 1 1 i 国外多年冻土区桥梁工程研究概况 多年冻土地区的桥梁建设，已有1 0 0 多年的历史。在这1 0 0 多年中，积累了 许多成功经验。包括桥梁上部结构、墩台基础类型和施工工艺等。考虑地基多年 冻土物理、力学性质的差异和在平面和剖面上分布的不均匀性，多年冻土区的桥 梁多采用简支结构和桩基础。桩基础是多年冻土区桥梁基础的通用型式。世界各 国在多年冻土工程中使用桩基，已有8 0 多年的历史。桩基具有柱式础的所有优 点：施工简便，无需挖掘基坑，承载能力大，对多年冻土地基的热干扰最小。但 世界各多年冻土国家，大多都不主张在多年冻土中采用钢筋混凝土钻孔灌注桩。 在美国阿拉斯加的文耐特和费尔班克斯等地，曾采用过钢筋混凝土钻孔灌注桩。 出现的问题是：水位变化带表层混凝土剥落，钢筋外露锈蚀；在年平均地温较高 时，桩周融化冻土回冻时间长，甚至不可能回冻等。因此，世界各多年冻土国家， 大多都不采用钢筋混凝土灌注桩。在美国和加拿大，多年冻土区的桥梁，常采用 的桩有：侵油木桩、普通钢管桩、h 型截面钢桩、螺旋钢管桩、钢管热桩和热棒 钢管桩。在俄罗斯，则较多采用工厂预制的各种截面( 园形、矩形、工字形和十 字形) 的钢筋混凝土桩。采用各种变截面钢筋混凝土桩的理由是：a 减少混凝土 的体积和桩的重量；b 增加桩的冻结面积，从而，提高桩的承载力。但在我国， 第1 章绪论 多年冻土中的地基基础，大多采用钢筋混凝土灌注园桩。工程实践表明：多年冻 土中的钻孔灌注桩，具有适合我国情况的许多优点。如：结构简单、施工方便， 桩材可就地采取，桩尺寸不受限制，冻结强度较高，地基抗力系数较大等。因而， 在我国多年冻土区的桥梁、房屋等建筑物地基基础工程中，被广泛采用。经多年 研究和工程实践，在成桩工艺，组桩材料以及承载能力计算等方面，都积累了许 多成功经验。但多年冻土中钻孔灌注桩的设计和施工，仍需了解和研究以下问题： 多年冻土中桩承载能力的形成过程和特点； 水化热与桩周冻土融化计算； 桩回冻时间的定义和计算方法； 融土圆环中桩承载能力的计算方法； 回冻后，桩承载能力的合理计算方法； 上部荷载施加时间的确定方法； 冻土中灌桩混凝土的合理配方； 桩基冻胀防治的有效方法。 深入研究解决上述问题，对完善多年冻土区桥梁工程地基基础的设计和施 工，有重要意义。 我国经多年的研究和实践，对多年冻土中的钢筋混凝土钻孔灌注桩，得到如 下认识5 】： 多年冻土中的钻孔灌注桩，在成桩过程中，将引起桩周多年冻土的融化。 在青藏铁路沿线多年冻土区，对直径1 0 1 5 米的桩，桩周冻土的融化厚度，一 般在2 0 - - 5 0g m 。视多年冻土的工程类型( 含冰量) 而定。 在桩周融化冻土回冻之前的钻孔灌注桩，既不是冻结桩，也不是完整意义 上的摩擦桩。桩的回冻时间，与桩周多年冻土的年平均地温、多年冻土的热物理 性质和融化冻土的体积潜热有关。 只有在桩周冻土为粗颗粒土时，薄层融化冻土对桩才作用有摩擦力。但其 值很小( 因为桩周融土厚度很小) 。 当桩周冻土为细颗粒土时，一般情况下，薄层融化冻土对桩不但没有摩擦 力作用( 因为桩周融化冻土的厚度很小，达不到产生摩擦力的临界厚度) ，反而 由于粘聚力的存在，融化细颗粒土粘结在桩上，给桩增加一个垂直附加荷载。 4 k 安大学工程硕十学位论文 在一般情况下，桩周冻结粘砂土的融化厚度大于o 5 米；砂粘土大于1 0 米。粘土大于1 6 米时，融化细颗粒冻土才有摩擦力作用于桩上。但其值也是很 小的。 多年冻土中的钻孔灌注桩，上限以下的桩体混凝土，在其强度增长过程中， 处于一个几乎恒定的环境温度( 一1 0 - - 4 o c ) 中。这部分桩体，在运营过程 中，其环境温度也是不变的。也就是说，这部分桩体，在运营过程中，不经受冻 融循环。因此，在一般情况下，无需对灌桩混凝土提出抗冻、耐久等特殊要求。 桩基冻胀防治，可采用在活动层部分加钢制套管。套管直径大于桩径4 6g i l l 。桩与套管间的间隙灌以渣油。套管外用粗颗粒土换填。采用这种防护方法， 可消除冻胀力的9 5 。 多年冻土地区桥梁工程的另外一个重要问题，是桥位的选择。与一般地区不 同的是：多年冻土区的大、中河流，河床中多有融区分布，即河床下多年冻土的 分布，在平面和剖面上都是不均匀的；且河流附近，多年冻土的年平均地温较高。 这使得多年冻土区桥位地基的选择变得复杂化。在确定多年冻土地区桥梁的桥位 时，除满足一般地区桥位要求外，还应考虑墩、台地基物理、力学性质的均匀性。 即不能将一座桥的墩、台基础同时放在冻土和融土地基上。以减小桥梁墩、台变 形的不均匀性。 在多年冻土区桥梁基础的设计和施工中，应注意的问题是：尽量减小对河床 多年冻土的热干扰，防止对河水的污染；努力消除桥梁基础的冻胀和融沉，防止 冰椎、冻胀丘对桥梁墩台的危害。 在加拿大和美国，多年冻土区的桥梁基础大多采用钢桩。钢筋混凝土桩使用 的较少。桩材多为h 型型钢和园钢管。沉桩方式多为钻孔打入或钻孔插入。近 年来，多年冻土区桥梁基础，有很多采用了热桩。热桩由无缝钢管制成。这种桩， 由于它本身可以制冷，因而，地基多年冻土可以得到养护，其承载能力较一般桩 要高很多。 俄罗斯多年冻土区的桥梁基础，大多采用钢筋混凝土桩。但不采用钻孔灌注 桩。 为了确定桩的计算荷载，必需研究桩在多年冻土中的工作特点。多年冻土中 桩的承载能力，来源于桩与冻土的冻结强度【6 】。冻结强度是荷载作用时间与冻土 第1 章绪论 温度一是根据有关规范，计算确定；二是工地试桩确定。关于多年冻土中桩承载 能力的计算，各国采用的方法基本相同。较有争议的是：一是计算桩承载力时， 采用什么样的地温剖面较为合适：二是桩尖承载力应不应该考虑。 我国和俄罗斯在多年冻土中桩承载能力计算中，都考虑桩端阻力。据试验， 冻土中直径1 2 米、长2 0 米的桩，其桩端承载力约占总承载力的1 0 - - 一2 0 。美 国和加拿大则一般认为，桩径小于1 5 伽的桩和桩端为高含冰量冻土时，不应考 虑桩端承载力。 冻土中桩承载力计算采用的温度剖面，一般是桩侧的最高温度剖面用。但近 年来，美国科罗拉多哥登地质技术服务公司的r j n e a k i r c h n e r 提出：按蠕变理论 设计冻土中的桩基时，采用年平均地温剖面进行计算，比采用最高地温剖面更为 合理。其理由是：最高地温沿桩深度的出现时间是不同步的。采用最高地温剖 面进行计算，得出的承载力太保守。 1 1 2 我国多年冻土区桥梁工程技术研究历程 我国在多年冻土地区修建桥涵工程始于二十世纪五十年代初期，由于经济、 技术条件不足，修建的桥涵构造物以木结构和圬工砌筑结构为主。基础埋置深度 为1 5 3 5 m ，基础冻胀、融化破坏，圬工体和支撑结构的破坏等桥涵病害现象普 遍。 七十八十年代，我国对桥涵结构进行了大量的改造和维修，桥涵构造物以 混凝土结构和块片石砌体结构为主，桥梁基础主要以桩基础和明挖基础为主。桥 涵基础以冻胀为主要形式的冻害现象逐步显露并相继在多年冻土地区和季节冻 土地区普遍发生。具有代表性的冻害现象为桥梁桩基冻拔和涵洞基础冻胀。 九十年代，我国对青藏公路进行了二次全面的维修和整治工作，桥梁结构 全面改造成混凝土结构，基础主要采用明挖基础和桩基础。涵洞以混凝土结构为 主，少部分涵洞涵身和八字墙仍然采用块、片石砌体。桥梁桩基和涵洞基础病害 除冻拔和冻胀外，由于多年冻土上限变化而使基础融沉也是主要病害之一。 二十一世纪初，我国对青藏公路、青康公路、加漠公路等多年冻土地区二、 三级公路进行了第三次维修和改造工作。桥梁基础以钻孔灌注桩为主要型式。桥 梁桩基在施工和使用初期的稳定和涵洞基础融沉成为该阶段的主要问题。 6 长安大学工程硕士学位论文 综上所诉，自建国以来，我国在自然环境极端恶劣的西部高原和寒冷的东 北兴安岭多年冻土地区修建了大量的公路，给当地经济建设、人民生产生活以及 国防提供了可靠的基础保障。随着科学技术的发展和科研工作的不断深入，桥涵 构造物也由简单临时结构逐步发展成为长寿命和永久性结构。 我国冻土研究始于7 0 年代，起步较晚，但发展迅速。冻土是指温度等于或 低于o ，且含有冰晶体的各类土体。它既具有一般土类的共性，又是一种冰胶 结而具有特殊性质的多相复杂体系，与其他土类相比较，其明显的特点就是在热 力学方面的不稳定性。我国多年冻土主要分布于东北兴安岭地区和青藏高原。由 于多年冻土的不稳定性和人工构筑物的影响，这些地区的桥涵结构病害现象严重 且十分普遍。 六、七十年代，随着我国交通事业的发展，在我国冻土地区修建了大量的 中小桥涵工程。由于对基础冻胀及结构构造设计与施工认识的不足，相继出现了 大量的冻害现象。在借鉴国外研究的基础上，我国开展了各类地基土的冻胀性、 力学性质等工程特性的研究工作，由此人们对冻土对桥涵基础稳定性的影响有了 初步的认识。 八十年代，为了研究确定多年冻土地区桥梁桩基的设计、施工以及基础计 算方法，进行了昆仑山大型桩场试验研究工作。对冻结力和横向土抗力进行了详 细的研究，确定了地温对桩基承载力的影响规律，对各类桩的施工方法、回冻过 程、低温混凝土及高寒地区测试元件的制作等方面进行了的研究，为我国多年冻 土地区桥涵基础设计规范、施工技术提供了十分宝贵的研究成果。同时，我国公 路、铁路、水力和建筑等部门广泛开展了桥梁桩基抗冻拔力、涵洞基础切向冻胀 力、法向冻胀力等研究工作，为我国桥涵基础设计和规范编制提供了可靠的基础 数据，也为桥涵基础稳定问题的解决提供了宝贵的经验。 九十年代，我国对青藏公路的科研工作成立了第三期科研组，开展了对青 藏公路多年冻土地区涵洞使用状况调查，并对具有代表性的涵洞进行长期观 测，分析了青藏公路多年冻土地区涵洞病害的主要原因。从设计、施工和养护的 不同角度，提出了适用于多年冻土地区的涵洞结构类型、基础埋置深度以及防止 涵洞病害的原则和工程措施。 综上所诉，多年冻土地区桥涵工程技术研究工作，在老一辈科研工作者的努 第1 章 绪论 力下，取得了世人瞩目的成绩，为我国公路建设提供了坚实的技术支撑，也为本 项目研究提供了丰富的经验和指导。 1 2 本文的主要研究内容 世界各国在多年冻土工程中使用桩基，已有8 0 多年的历史。桩基具有柱式 础的所有优点：施工简便，无需挖掘基坑，承载能力大，对多年冻土地基的热干 扰最小。在我国，多年冻土中的地基基础，大多采用钢筋混凝土灌注园桩。工程 实践表明：多年冻土中的钻孔灌注桩，具有适合我国情况的许多优点。如：结构 简单、施工方便，桩材可就地采取，桩尺寸不受限制，冻结强度较高，地基抗力 系数较大等。因而，在我国多年冻土区的桥梁基础工程中，被广泛采用。经多年 研究和工程实践，在成桩工艺，成桩材料以及承载能力计算等方面，都积累了许 多成功经验。 但多年冻土中钻孔灌注桩的设计和施工，仍然存在很多问题需要研究和解 决。本课题在调查、收集、整理的基础上，取得了多年冻土区桥梁病害类型青藏 公路及g 2 1 4 线7 1 座桥梁的病害调查表( 表1 1 表1 - - 4 ) ，较为全面的掌握了 多年冻土地区桥梁工程病害。根据破坏情况，现将青藏公路桥梁工程病害主要类 型概括如下几个方面： 水位变化带表层混凝土剥落，钢筋外露锈蚀； 在年平均地温较高时，桩周融化冻土回冻时间长，甚至不可能回冻 反复的冻融循环，基桩在冻胀力的影响下“上拔”； 桥面铺装及伸缩缝的变形。 深入研究多年冻土中钻孔灌注桩的设计和施工，解决上述问题，对完善多年 冻土区桥梁工程地基基础的设计和施工，有重要意义。所以本课题将主要研究内 容为：对多年冻土区桥梁研究现状、病害类型、病害原因；多年冻土地区桩基础 地基回冻规律分析及灌注桩冻结力的研究；多年冻土地区桥梁冻土地基设计原则 的选择和确定：明挖基础与桩基础的比较；常用桩基础型式的比选研究；多年 冻土区桥梁总体方案设计、桩基础设计、墩台结构设计、上部结构设计；多年冻 土区桥梁混凝土施工环境特点及工程技术问题；青藏高原多年冻土区桥梁混凝土 施工方法的选择、墩台混凝土施工养护工艺；青藏高原多年冻土区混凝土施工温 长安大学工程硕十学位论文 度控制研究；多年冻土地区桥梁钻孔灌注桩、明挖基础和桩基础低承台施工工艺 研究；多年冻土区桥梁混凝土质量的影响因素、混凝土施工质量保证关键措施、 冻混凝土施工质量控制方法和标准、质量检查和温度监测与控制。 9 第2 章多年冻十区桥梁破坏调仓0 研究绪论 第2 章多年冻土区桥梁破坏调查与研究 2 1 多年冻土区桥梁病害类型 在收集、整理改建前有关单位桥梁调查情况的基础上，重新调查改建后的青 藏公路及g 2 1 4 线上的桥梁结构病害调查。取得了青藏公路7 1 座桥梁的病害调 查表( 表2 1 表2 4 ) ，较为全面的掌握了多年冻土地区桥梁工程病害。根据破 坏情况，现将青藏公路桥梁工程病害主要类型概括如下几个方面： ( 1 ) 预制板梁产生较大的挠曲变形，且板梁底部出现较大的裂缝，有的板底 混凝土碎落、露筋等； ( 2 ) 多孔桥桥面出现波浪型的变形，桥面铺装脱落； ( 3 ) 伸缩缝掉落、堵塞，板梁端头顶死； ( 4 ) 墩台严重剥蚀，部分桩柱露筋，轻型基础墩台沉降，墩台身开裂； ( 5 ) 锥形溜坡冻胀沉陷破坏； ( 6 ) 导流堤冻胀、沉陷坍塌等。 此外，根据2 0 0 4 年对青藏公路可可西里至尺曲段1 6 座桥梁使用状况的重新 调查，桥梁产生病害的有8 座，占调查数量的1 2 。其中，一般病害的6 座；轻 微病害的2 座。桥梁使用良好率为5 0 。青藏公路可可西里至尺曲段桥梁病害主 要有： ( 1 ) 台身裂缝( 1 处) ； ( 2 ) 台尾路面裂缝( 1 处) ； ( 3 ) 锥体护坡破坏( 4 处) ； ( 4 ) 台下、桥下及河床铺砌破坏( 6 处) 。 调查结果表明，多年冻土区桥梁病害主要集中在附属工程，桥梁主体均使用 良好。其中以锥体护坡破坏及桥下铺砌破坏为甚。 1 0 溢 1 麓 童5 嚼 努1 = 丑 1 ：暑 | 鞋 熙 钆艮 引 = f百 蜉 怔 辎 骚裂 毯 裂 划 靶 掣球 捌丑 蚓裂 篝 裂 霸 霸题 蛭 旨 裂仆 擐 辎 嫌基 基 辎 1 1 蠹q 一 露蜷 蔚 肇 吲辎 辎犁氓蜷肝 | | 忙1 7 虬裂 裂霸 翟 亦 仲 擦 鼎鹭犍岳婿 嫖蝴1 l | 瀣1 l 密辽 螵魄 器辎餮 辎 旺缶 诽 弓j 彗；氓哦 旧群裂最旧 旧 欧蝴蜷 镗碟薏 篷 唇 蜷 嚣目摆蝰蜷餐献蝴隶蝴蟋 西 鲻 垡始 篷簦s签螂寸口 n竖 裂篝霸 蜷粼裂监 蟋拦牲始 蜷 盥 日裂辎球 群 淤置 g 旧l 密q - v j ：i z裂 q 毯 进 诽 懋基趁 世 篷逝 竖 宣 蜷武 蜷霜瘴裂 堪蜷 蜷弊*取 诽 辎蜉蜉蜉 蜉 日 o 。 君卺 求媒 盥 仆 乓q 足生d q q 辽恒 憾裂暮裂箍裂蜷 蜷努彗； 瓣 蜷 斟 掣蜷 蜷 蜷螺 蜷、 裂-烈媾蝰 蜷 妊 裂翱西 叵裂蹄裂删烈 裂裂 裂箍 裂裂 裂 烈裂 裂 裂 审苣(碰幽裂世诽 长球 裂 裂 球蒜裂- 5 -烈 尉 裂承 裂 裂 垡寸褪世 垡槛修 扭匿妲粼 垡 垡世 垡 世 篷 世 垡毽 崔 辎 蜷蝴蒜囊j 辑辎 瘁 逭i辎辎 辎辎 塔 蜷蟮 辎 辎 辎鲻 骚 廿 t qr qor qnr 噜0 0nv 、n广噜n。寸r qr qr qn n 艘厘 h卜h卜心h凸h卜卜h h卜、小h卜卜卜h卜 西 乱a a小口西岔西凸夺a吼a岔小西a西岔 蹩 叫_ 一 一一一 - _ 一 _ 一- 叫 一一一 一 一 - _ 副努 佰佰 晏j 懈联 哥 佰幅烈 到烈懈二“ 粼 矩趔 癸 搿 墨弭 r 氍 澍澍蜒 工= _ | = 鲁4 1 1 爿雩 j 鲞 景| 韬幅 铽联 赣 副爵 韬 琵癸副 副癸 癸 幅哥 副 副 佰 妒 - 上寸 军= 搿 攒rr辩 弹 堪。澍 辩 娑 羊= 澎 婵勰 蜒 弹3。 恻 恻鼷楗 副辎 眯 襄| 辎辎 辎 粼 故辎辎淤副 喏 。 辎 辎蟮 塔 蟠蟠 喏 辎 辎辎 辎 期瓣gg巴一篷 刚剥 剥g篷垒 篷gggg篷篷 霎 g溢耄譬 谨 漆g疆篷 漆 绉溢 凄 溢漆 漆 漆 溜搐 强 茸言 蠕器 忝漆鸯墨器 绉漆 漆 器界器晷 器器器器 器器 器 - 工j 器 器器 器器 器 蜷蜷 蜷 蜷 蜷蜷 蜷 蜷监 婶账蜷匡觏 k 蜷 r q 心 小 蜷蜒 蜷芒 芒蚓 庭 烬 f - 畸 磔 日 妈 *庭 繁 装 跫 露避 芒 ：蜒椰1 j 1晤 妇 二 甚 菽 _k菇 矗 靠 心 三 卷昌 乏 v 、nq 荨 卜卜、 r , i c - q 2口； i n 口 气t口 。or q 一 + +一 一 o oni n r 噜 昏岔 r qn 6 心 瓮8瓮 n 甾 器 罕 t 翌 2 鼋 n i n + 竺 +口 口r q 岔一小 r q 寸 口 型 殳 譬 蟹 ： 2 n 西 + 芝 赛 n ” 西 昏 a 0o 。o o o 。 掘 哥 罕 芏葛仝 r q t n 型盟望皤q n o o n 。 土 衮g志导 + + o o o 。 t r 哥 譬 ho 。 磊 o 。 寸 a 0 殳 盆固 型 2 n n 譬 配 。 c 、n寸n口卜o 。o 世妒 n n寸 t n 口 卜 昏 一一一 一 一一 一- 一 一 n v懈御墨恤螓脒肇留挺瓶h式求 议秘趟扑_二f二匿舌圭h扑k毹半 捌珊 瑚意 童5 谜 量 鎏 臣r幂 搽 - 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工j 器骚 器 器器器辱 疼 蜷蜂 蜷蝽蝰 蜷蜷 咖 蜷 二c 卜亡卜c p 控 蜷赛 蝰蜷 ：婶 r e 度 二二i x 区 - k ，妪 芒r 度 r 兰r l 。1臣 庭霹 鬯蜷庭 一 度 蜒 澉 苗艇 目司捉r 跫 馏旧 h 4 5 0 0 4 5 0 01 4 54 l ol = 8 5 9 0 ( 4 5 0 0 - 4 1 0 ) 1 0 + 4 5 0 0 2 号 4 5 0 0 4 5 0 0 1 4 54 1 0l = 8 5 9 0 注：山单桩竖向抗压极限承载力的计算见第本节公式( 1 ) 。 3 1 等效转换法确定极限承载力 采用等效转换方法，根据已测得的各土层摩阻力位移曲线，转换至桩顶， 得到各试桩的等效转换曲线。 1 号、2 号试桩的等效转换曲线均为缓变型( 如图4 1 0 ，图4 1 1 ) ，取最大位 移对应的荷载值为极限承载力。 信 占 龄 毯 臀 撂 星 、- ， 潍 邋 娶 掘 桩顶荷载( k n ) 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 0 1 0 0 0 0 。 、k 、7 k j 、 图4 1 01 号试桩等效转换曲线 桩顶荷载( d 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 0l o 0 0 0 ， 。o 、 、 i 图4 1 12 号试桩等效转换曲线 试桩极限承载力取等效转换方法的计算结果如下： 1 号试桩：极限承载力为8 7 9 6 k n ，相应的位移为9 2 9 m m ； 2 号试桩：极限承载力为8 8 1 6 k n ，相应的位移为1 0 7 5 m m 。 0 屯 。 咱 吨 仰 心 0屯q喝c；。m圪 一 一 k 安人学t 程硕t 学位论文 4 ) 桩侧冻结摩阻力 l 号试桩： 桩侧土层主要为粉砂土，根据实测结果，冻土层的最大冻结摩阻力为 1 4 8 6 9 k p a ，相应位移为6 4 8 m m ，l 号试桩各土层分层摩阻力及相应位移关系曲 线( 表4 5 ) 。 表4 5 1 号试桩桩侧摩阻力一位移表( 单位：k p a ) 荷0 o m 5 5 m 7 6 m 8