（地质工程专业论文）青藏铁路多年冻土区桥梁工程关键技术研究.pdf

摘 摘要 青藏铁路多年冻土区特殊的寒区环境和工程地质条件给该地区 的桥梁工程带来一些特殊的工程技术问题：一是桩基础的稳定性问 题，由于冻土的存在使得桩基承载力形成和桩基的工作机理具有特殊 性( 桩基结构与冻土问存在复杂的热学、力学的相互作用) ；二是混 凝土结构的耐久性问题，由于气温较差变化剧烈及冻土的存在使得 混凝土必须具有长期防冻、抗冻等特殊的性能。本文借鉴已有研究成 果通过室内试验及现场实验，从热学、材料学及工程结构性能上对混 凝土性能的特殊要求开展研究；通过现场试验和数据分析及有限元计 算从热学、力学及工程可靠性上对多年冻土地区桩基的承载特性开展 研究。主要的研究内容和研究成果包括： ( 1 ) 青藏高原严酷的自然条件要求混凝土具有耐久性，施工条件 和施工工期要求混凝士必须在环境低温条件和冻士低温条件下具有 早强能力，这是冻土区桥梁桩基结构达到预计设计强度必须研究的内 容。研究青藏高原环境对混凝土性能的特殊要求，根据配合比设计原 则，结合现场原材料及室内实验，确定了低温早强耐久性混凝土的配 合比，并完成了应用实验，用于现场实际施工；研究混凝土的养护技 术和工艺以及混凝土施工温度的控制工艺，保证低温早强混凝土的质 量，提高低温早强混凝土的耐久性。 ( 2 ) 研究和分析青藏铁路多年冻土区5 5 0 k i n 范围内冻土的分布 特征( 包括融区分布特征) 、冻土的地温分区特征和冻土的含冰量特 征；了解多年冻土上限在不同地温分区、不同地形地貌条件下的变化 兰州大学博上学位论文2 0 0 5青藏铁路多年冻： 区桥梁工程关键披术研究 特征。在此基础上进一步研究冻土温度特征和含冰量特征对冻土中桩 基冻结力影响及形成承载力的影响，研究多年冻土上限对桩基承载力 的影响。 ( 3 ) 研究多年冻土中竖向受荷单桩的工作机理，采用自平衡测试 技术完成基桩静载荷试验及分析。气温变化导致的多年冻土地温升高 可能对桥梁桩基承载力形成的影响，设计理论和设计原则对这种影响 应有所安全考虑。青藏铁路建设的工期要求对冻土区桩基设计理论和 桩基施工工艺提出了进一步要求，根据工期要求进行施工工艺研究。 ( 4 ) 对基桩回冻过程的现场实测研究，得出桩体内温度的空间分 布和历时变化规律；研究土体回冻规律，确定地基土恢复到o o c 以下 所需的时间。建立桩土共同作用下温度场的二维有限元计算模型，分 析桩体内及桩周土的温度的空间分布和历时变化规律，用于指导现场 施工。 ( 5 ) 可靠的工程质量由先进的施工工艺作保证，冻土区桥梁桩 基工程施工必须贯彻“冷却地基土体”的技术指导思想，在这一技术 思想指导卜，研究在多年冻土区旋挖钻机的适用性及成孔工艺，解决 了冻土区桥梁桩基工程成孔速度慢、对冻土热扰动大的难题，保证了 设计思想和设计意图的实现。 本文研究内容紧密结合青藏铁路冻土区工程实践，研究结论和成 果直接应用于青藏铁路冻土区桥梁工程的施工，并取得显著的效果。 关键词：青藏铁路多年冻土桥梁工程桩基稳定性混凝土 耐久性 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es p e c i a lp e r m a f r o s te n v i r o n m e n ta n dg e o l o g i cc o n d i t i o no nq i n g h a i t i b e tp l a t e a uw i l l l e a ds p e c i a lp r o b l e m st ob r i d g ee n g i n e e r i n g ，o n et a s ki sh o wt om a i n t a i nt h es t a b i l i t yo fp i l e f o u n d a t i o n ，b e c a u s et h e r ea r et h e r m o d y n a m i c si n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ep i l ef o u n d a t i o na n dt h e f r o z e ns o i l t h eo t h e ri sh o wt om a i n t a i nt h ed u r a b i l i t yo ft h ec o n c r e t es t r u c t u r eu n d e rt h ea c u t e t e m p e r a t u r ec h a n g e w i t ht h ec o n f e r e n c eo ft h ee x i s t e df r u i t , t h ea u t h o rh a sa c h i e v e dr e s e a r c ho n t h es p e c i a l q u a l i t i e so fc o n c r e t ef r o mt h ea s p e c t so fc a l o d f i c ，m a t e r i a l m e c h a n i c sa n dt h e e n g i n e e r i n gq u a l i t y , b a s e do nt h ei n d o o ra n ds p o tt e s t s t h ea u t h o ra l s oh a sa c c o m p l i s h e dr e s e a r c h o nt h ec h a r a c t e r i s t i co fb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l ef o u n d a t i o ni np e r m a f r o s ta r e a , f r o mt h ea s p e c t so f c a l o r i f i c ，m e c h a n i c sa n dt h ee n g i n e e r i n gq u a l i t y , b a s e do nt h es p o tt e s t sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h ea r t i c l el i s ta sf o l l o w s ： ( 1 ) o n eo f t h ea i m s i sh o w t oe u s u r e t h a t t h ec o n c r e t ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f t h eb r i d g ep i l e f o u n d a t i o ni np e r m a f r o s ta r e aa c h i e v e st h ed e s i g nv a l u e ，w h i c hr e q u e s t st h ec o n c r e t ec a na c h i e v e f o r e p a r tc o m p r e s s i v es t r e n g t hu n d e r l o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n ta n dm a i n t a i nt h ed u r a b i l i t yi n t h er i g o r o u sn a t u r ee n v i r o n m e n to nq i n g h a i - t i b e tp l a t e a u b a s e do nt h es p e c i a lr e q u e s t so f c o n c r e t eq u a l i t i e so nq i n g h a i t i b e tp l a t e a u , c o m b i n e dw i t ht h ei n d o o ra n ds p o tt e s t so fr a wa n d p r o c e s s e dm a t e r i a l s ，w i t h t h e g u i d a n c e o fc o n c r e t e p r o p o r t i o n i n gd e s i g np r i n c i p l e ，t h e p r o p o r t i o n i n gw h i c hc a ne n s u r ec o n c r e t ea c h i e v e se a r l yc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dd u r a b i l i t yu n d e r l o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n ti so b m i n e d t h ec o n c r e t ep r o p o r t i o n i n gh a sa p p l i e ds u c c e s s f u l l yf o r t h es p o tc o n s t r u c t i o n r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g ya n dt e c h n i c so ft h em a i n t e n a n c ea n d t e m p e r a t u r ec o n t r o lh a v eb e e nc a r r i e do nt oi m p r o v et h ed u r a b i l i t yo ft h ee a r l ys t r e n g t hc o n c r e t e u n d e rl o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t ( 2 ) t h ea r t i c l ei n v e s t i g a t e sa n da n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fp e r m a f r o s td i s t r i b u t i n g ， s u b a r e ao fg r o u n dt e m p e r a t u r e ，i c ei n c l u s i o np e r c e n t a g ei nt h es o i la n dc h a n g ei nt h eu p p e rl i m i t o ft h ep e r m a f r o s tt a b l e b a s e do nt h ep r o p h a s er e s e a r c h ，t h ei n f l u e n c eo ff r o z e ns o i lt e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i ca n di c ei n c l u s i o np e r c e n t a g ec h a r a c t e r i s t i ct ot h ep i l ef o u n d a t i o na d f r e e z i n gf o r c e s a n db e a r i n gc a p a c i t yi si n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c eo f t h eu p p e rl i m i to f t h ep e r m a f r o s tt a b l et ot h e p i l eb e a r i n gc a p a c i t yi si n v e s t i g a t e dt o o t h ea r t i c l ea l s oa n a l y s e st h ef u n c t i o np r i n c i p l eo ft h e s i n g l ep i l eu n d e rn o n eb u tv e r t i c a lf o r c e si nt h ef r o z e ns o i l 兰州人学博士学位论文2 0 0 5青藏铁路多年冻土区桥梁r 程关键技术研究 ( 3 ) t h ea r t i c l ea c c o m p l i s h e st h ep i l eb e a r i n gc a p a c i t yt e s ta n da n a l y s i sw i t ht h eh e l po f s e l f - b a l a n c e dm e t h o do fp i l eb e a r i n gt h ep o t e n t i a li n f l u e n c eo ft h ea i rt e m p e r a t u r ec h a n g e st h e b r i d g ep i l eb e a r i n gc a p a c i t y , t h ed e s i g nt h e o r ya n dp r i n c i p l em u s tc o n s i d e ri t si n f l u e n c e t h et i m e i m i tf o rq i n g h a i t i b e tr a i l w a yc o n s t r u c t i o nr e q u e s t st h ep i l ed e s i g nt h e o r ya n dc o n s t r u c tt e c h n i c s i m p r o v e d ，a n dt h ec o n s t r u c tt e c h n i c si si n v e s t i g a t e de x h a u s t i v e l y ( 4 ) t h ea r t i c l ea c h i e v e st h ep i l ef o u n d a t i o nc o m e b a c kf r e e z i n gc o u p et e s t a n dt h ep i l e i n t e r s p a c et e m p e r a t u r ec h a n g ew i t ht h el o c a t i o na n dt h et i m ei so b t a i n e d t h er u l eo f t h es o i lc o m e b a c kf r e e z i n gi si n v e s t i g a t e da n dt h et i m eo ft h es o i lr e a c hz e r od e g r e ei sd e t e r m i n e d t h ea r t i c l e a n a l y s e st h el o n g - t e r mi n f l u e n c et h a te n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o nw i l lb r i n gt ot h ee n v i r o n m e n t f o r t h ea i mt og u i d et h ec o n s t r u c t i o n ，2 df i n i t ee l e m e n t sm o d e l i n gc o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r e r e c i p r o c i t yb e t w e e np i l ea n ds o i li sc o n s t r u c t e dt h r o u g hc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h et e m p e r a t u r e c h a n g er u l eo f t h ep i l ea n dt h es o i la r o u n dw i t ht h el o c a t i o na n dt h et i m ei so b t a i n e d ( 5 ) a s a r u l e ，t h ee n g i n e e r i n gh i g h q u a l i t y m u s tb eg u a r a n t e e db y t h ea d v a n c e dc o n s t r u c t i o n t e c h n i c s t h eb r i d g ep i l ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o ni nf r o z e na r e am u s tf o l l o wo u tt h eg u i d eo f f r e e z i n gf o u n d a t i o ns o i lt e c h n o l o g y w i t ht h eg u i d e l i n e s ，t h er e s e a r c ho nt h ea p p l i c a b i l i t ya n d d r i l l i n gt e c h n i c so fr o t a r yd r i l l i n gr i gi sc a r r i e do u t ，a n dt h ed i f f i c u l tp r o b l e m s ，s u c ha sp i l ed r i l l s v e l o c i t ya n dd i s t u r b a n c et ot h ef r o z e ns o i l ，h a v eb e e ns o l v e d ，a n dt h ed e s i g ni d e aa n dp u r p o s ea r e a c h i e v e ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：q i n g h a i t i b e tr a i l w a yp e r m a f r o s tb r i d g ee n g i n e e r i n g p i l ef o u n d a t i o n s t a b i l i t y c o n c r e t ed u r a b i l i t y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取 得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均 已明确注明出处。除文中已注明引用的内容外，不包含任何其他人或集体已经发 表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明， 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盔量毫 日期：已口0 5 f j 楚 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大 学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向 国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或 于该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：、趸l l i 叁生l 导师签名：嗍砸f f 扩 第一章绪给 1 绪论 青藏铁路格拉段，是世界上海拔最高、高海拔路段最长的高原铁路，它纵贯 青海、西藏两省区，跨越青藏高原，是一条具有重要战略意义的铁路。青藏铁路 格拉段穿越约5 5 0 k i n 多年冻土地段，全线线路海拔高程大于4 0 0 0 m 地段约 9 6 5 k m ，在唐古拉山越岭地段，线路最高海拔为5 0 7 2 m 。这一特殊的寒区环境和 工程地质条件给该地区桥梁工程的设计和施工增加了很大的难度，同时高原恶劣 的自然环境和脆弱的冻土环境对混凝士的耐久性也提出了更高的要求。及时对这 些问题所涉及的基础理论和技术问题进行研究并提出解决方案是非常必要的。 1 1 研究意义“，2 冻土中由于冰的存在，使得冻土具有非常特殊而复杂的工程性质。它的特殊 性在于其物理性质、力学性质和工程特性都与温度密切相关。常规土类的性质主 要受其颗粒的矿物成份、密度和含水量的控制，这些因素一旦确定，土的基本性 质就基本稳定，土的性质多表现为静态特征。而冻土特性除了与上述因素有关外， 还与土中含冰量有关，而含冰量又直接与温度有关，温度升高，含冰量减少。冻 土中的水分随温度的变化在一定条件下发生剧烈相变，水分的固、液相变化导致 土体体积的剧烈变化，导致土体发生一定的冻胀和融沉变形，修筑在冻上上的工 程构筑物随之发生变形、破坏。 冻土的上述特殊性使多年冻土和工程建筑相互影响。多年冻土之上的季节融 化层在人类工程活动的影响下，其热物理参数将发生显著变化。这些变化将直接 影响下部多年冻土的生存环境和热稳定性，从而影响工程构筑物的稳定性。调查 表明青藏高原多年冻土区公路路基病害，8 5 以上是由于路基下部多年冻土的热 融沉陷引起的，俄罗斯贝阿铁路约1 3 的路段产生病害，其中不均匀沉降约占 2 0 。冻土区筑路遇到的主要问题是冻胀和融沉。为了最大程度避免路基结构 所遇到的冻胀、融沉变形及纵向开裂问题，在多年冻土区，除了j f 常跨越河流的 桥梁外，大量采用了“以桥代路”的旱桥工程结构。青藏铁路格拉段桥梁总长 兰卅大学博学位论文2 0 0 5青藏铁路多年冻士区桥梁工程关键技术研究 1 5 6 7 k m ，其中冻土区“以桥代路”桥梁长达1 2 3 3 k m “。桥梁工程桩基的稳定 性及其混凝土的耐久性是青藏铁路冻土区“以桥代路”技术方案成败的关键。因 此，研究多年冻土区桥梁桩基础的承载特性和混凝土的耐久性意义深远，主要体 现在以下几个方面： ( 1 ) 混凝土灌注桩在旋工过程中对周围多年冻土产生扰动，通过确定合理 的施工方案、选用先进的施工机械、采用适用的混凝土材料，以实现旌工工艺与 设计思想的一致，保证桥梁桩基的稳定性，提高我国在冻土地区桥梁工程特别是 桩基成孑l 方面的施工水平。 ( 2 ) 传统的混凝土结构使用寿命一般认为都在5 0 年以上，实际上各国都未 达到这个水平。通过混凝土低温早强耐久性的研究、施工：【艺的严格控制、防护 技术的合理采用、温度控制技术的灵活运用，实现混凝土结构的耐久性，保证桥 梁工程的使用寿命，提高我国在冻土地区高性能混凝土的研究和应用水平。 ( 3 ) 对冻土区目前已修建的桥梁桩基础的承载力的短期及中k 期可靠性、 冻土环境的稳定性做出预测，为对运营期间可能发生的病害的治理和维护措旌提 供理论和应用基础。 ( 4 ) 树立“按服务年限或按耐久性设计混凝土”的理念，为今后我国在冻 土区桥梁工程的旌工和混凝土的耐久性设计提供参考依据。 1 2 冻土地区桩基的研究现状 在对冻土特性的研究尚处于探索之初”，对于在冻土地区的建筑物的基础形 式、热稳定性、受力特点等，一般是参考普通土中的基础，针对冻土的特性，根 据试验、经验等进行设计的。冻土大国如俄罗斯、加拿大、美国、瑞士等对这个 领域的研究进行得早一些，设计了一些较适合冻土地区的基础形式，提出了季节 冻土区和多年冻土区寒区工程的设计标准和施工准则。 在多年冻土区桩基可提供很多优点，桩基施工对热动态干扰最小，可使结构 物免受季节冻胀位移和季节下沉位移的影u 1 4 ，以及免受多年冻土哪怕是有限的退 化的影响，桩能把结构物荷载传送到结构物整个使用期内士支承强度保持相对稳 定的深度。 第一章绪论 1 2 1国外对冻土中桩基的研究 北美国家在多年冻土区一般根据工程所处环境的特殊性，在低温早强混凝土 的试验成功以前，优先使用钻孔插入桩。改变桩身的表面可提高冻结力，更好地 理解冻士的流变性能有助于我们理解包括能改善预测桩的承载力的桩的工作机 理。冻土中桩周的冻结强度受桩身尺寸、桩的安装方法、回填材料、冻土的流变 和加荷方法的影响。冻土的应变速度、地温、土冰中的混合物对桩的承载力影响 最大。土的类型、地温已给定，可调整桩的材料及其尺寸和回填材料来优化桩的 承载力。对于以沿桩表面摩擦发挥其支撑作用的摩擦桩，在多年冻上区一年中最 危险的时期通常是晚夏至初冬，那时荷载主要支承深度处的多年冻土的温度处在 其最暖期。因为受拉桩发生横向收缩，因此有这样的趋势：高拉伸荷载下的表面 摩擦比压缩荷载下的表面摩擦小。 k w b i g g a r 和d c ，s e g o “”1 在加拿大盐质永久冻土区进行了单桩荷载试 验，发现回填材料的不同，可使得桩与回填材料相接触界面的强度比回填材料 与冻土相接触界面的强度大，这样桩的承载力受回填材料与冻土相接触界面的 剪切强度所控制，承担荷载的表面积增大，可充分调动冻土的剪切强度，对于 给定的桩，不加大桩的尺寸即可增加桩的承载力。 俄罗斯1 4 费奥多罗维奇_ m 等1 对西伯利亚北部多年冻土上建筑物 桩结构的改进进行了总结，认为需要增加充填于钻孔与桩之间空隙中砂浆的强 度，使得沿桩的侧面的总抗剪强度等于沿砂浆与孔壁多年冻土接触面的总抗剪强 度，因此桩端面下的压力实际转移到整个面积上，地基土的强度性质完全被利用， 但对这种地基而言，桩的最大承载力已经取决于钻孔的大小，桩的截面不变，沿 桩长度的强度相等，不可避免使桩中下部的材料性质未被充分利用，中部不到一 半，下部只达1 0 1 5 ，甚至更低。因而提出组合桩、变截面桩、带有横向格栅 构件的桩、上下部构件采用不同材料的桩，这些改进不仅使得桩承载更加合理， 而且降低桩的成本1 2 一l 3 。 俄罗斯i o 0 塔尔古良、a b 戈尔斯特”对贝一阿干线条件下设置桩基的方 法进行了探讨，认为一般采取的融土沉桩法不太适合或完全不适合多年冻士，推 荐了3 种多年冻土沉桩法并分析了其优缺点和适用性。还介绍了一种使用蒸气振 兰卅l 大学博十学位论文2 0 0 5青藏铁路多年冻上区桥梁工程哭键技术研究 动导管在冻土中掘进的新方法。 s s v y a l o v 、m e s l e p a k 、m v i t l r l e v ”介绍了试验室和现场在冻土 中单桩和群桩的承载特性，表明土变形的特征受桩间距和土的性状影响，对于大 间距，群桩的承载能力由群桩中单桩的承载力和单桩的数目所决定，对于小间距， 关系是不确定的而且需要对桩的沉降进行特殊的分析，提出了基于理论研究的单 桩和群桩沉降公式，强烈表示通过应用应变硬化蠕变理论来考虑冻土的流变特 性。 俄罗斯b b 托尔加谢夫”完成了桩上静载作用下正融砾石土变形性的现场 研究，揭示了桩尖下正融砾石土沉降量与桩施加的压入荷载值之间关系曲线图 ( s = f 。) 的特点；通过群桩试验揭示了负摩擦力变化的循环特征，指出了负摩擦 力与桩周土沉降量之间呈正比关系。 俄罗斯c h 格里布”2 1 在模拟地震作用的条件下研究了冻土中桩的性状，提 供了在垂直、水平地震作用下不同冻土条件中桩的计算方法，获得已知地基地震 作用参数条件下确定桩的位移和内应力的公式。 1 2 2 国内对冻土中桩基的研究 铁道部科学研究院西北研究所( 现中铁西北研究院) 和铁道部第一勘测设计 院”。在青藏高原进行了多年冻土地区桩基试验研究，包括钢筋混凝土钻孔打入 桩、钻孔插入桩、钻孔灌注桩，探索了旋工工艺、回冻过程、适用条件及工程评 价，提出了多年冻土地区的水平、垂直荷载试验方法，利用试验中得出的实测位 移、弯矩数据，采用差分并结合优选的方法，反算出了地基系数的分布及各种设 计参数，供有关工程使用。 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所( 原兰州冰川冻土研究所) 冻土工程 国家重点实验室“”对冻土中模型桩在动荷载作用下进行了沉降试验研究，试验结 果表明，冻土中桩的沉降过程主要是冻士在剪应力荷载作用下的流变过程。桩的 沉降速度随冻土温度的升高而增大，随桩表面粗糙度的增大而减小，随地基刚度 的增大而增大等与普通土中桩承载特性相似的规律。当冻土中含水量达到饱和 时，桩的沉降速度最小，当荷载水平较高时，对应于动荷下的沉降速度小于静载， 兰州大学博上学位论文2 0 0 5 青藏铁路多年冻十区桥梁r 程关键技术研究 动导管在冻士中掘进的新方法。 s s v y a l o v 、m e s 1 e p a k 、m vl u n e v ”介绍了试验室和现场在冻土 中单桩和群桩的承载特性，表明上变形的特征受桩问距和土的性状影响，对于大 间距，群桩的承载能力由群桩l 卜1 单桩的承载力和单桩的数日所决定，对于小间距 关系是小确定的而且需要对桩的沉降进行特殊的分析，提出了基于理论研究的单 桩和群桩沉降公式，强烈表示通过应用应变硬化蠕变理论来考虑冻土的流变特 性。 俄罗斯b 8 托尔加谢夫”完成了桩上静载作用下正融砾石土变形性的现场 研究，揭示了桩尖下正融砾石土沉降量与桩施加的压入荷载值之间关系曲线图 ( s = f p ) 的特点：通过群桩试验揭示了负摩擦力变化的循环特征，指出了负摩擦 力与桩周土沉降量之间呈正比关系。 俄罗斯c h 格里布1 在模拟地震作用的条件下研究了冻士中桩的性状，提 供了在垂直、水平地震作用下不同冻土条件中桩的计算方法，获得己知地基地震 作用参数条件下确定桩的位移和内应力的公式。 1 2 2 国内对冻土中桩基的研究 铁道部科学研究院西北研究所( 现中铁西北研究院) 和铁道部第一勘测设计 院在青藏高原进行了多年冻土地区桩基试验研究，包括钢筋混凝土钻孔打入 桩、钻孔捅入桩、钻孔灌注桩，探索了施t t 艺、问冻过程、适用条件及t 程评 价，提出了多年冻上地区的水平、垂直荷载试验方法，利用试验中得出的实测位 移、弯矩数据，采用差分并结合优选的方法，反算出了地基系数的分布及各种设 计参数，供有关工程使用。 中罔科学院寒区早区环境与工程研究所( 原兰州冰川冻土研究所) 冻土t 程 图家重点实验室“对冻土中模型桩在动荷载作用下进行了沉降试验研究，试验结 果表明，冻土中桩的沉降过程主要足球十在剪应力荷载作用下的流变过程。桩的 沉降速度随冻土温度的升高而增大，随桩表面粗糙度的增大而减小，随地基刚度 的增大而增大等与普通土中桩承载特性相似的规律。当冻土中含水量达到饱和 时，桩的沉降速度最小，当荷载水平较高时，对应于动荷下的沉降速度小于静载， 时，桩的沉降速度最小，当荷载水平较高时，对应于动荷下的沉降速度小于静载， 第一章绪论 随着荷载水平的降低，动载与静载对沉降速度的影响效果逐渐接近。该实验室利 用叠加原理和弹性半空间的m i n d l i m 公式，导出了计算桩基冻胀力三维问题的积 分方程“。用该积分方程可计算不可压缩和可压缩的桩基冻胀力。 水利水电部淮河治理委员会水利科学研究院王维雅“”通过对钻孔灌注桩的 现场原形试验，研究了钻孔灌注桩抗拔时荷载的传递机理，由实测桩身内力确定 了荷载沿桩深度的变化、桩侧摩阻力沿桩深度的分布规律及桩的荷载传递系数。 哈尔滨建筑大学邱明国、李海山“5 1 对冻土中桩基破坏模式进行了模型试验研 究，根据模型试验得到的单桩荷载沉降曲线，对在竖向荷载作用下的冻土中 的等截面竖直桩和锥形桩的破坏模式进行了初步探讨，得出了均质冻土等截面竖 直桩的荷载沉降曲线呈陡降型，正常情况下存在着明显的“台阶”，其承载 力主要受冻结强度所控制，而锥形桩破坏过程缓慢，极限状态下呈“塑性破坏” 特征的结论。 大连理工大学李洪升、刘增利和中国科学院寒区旱区环境与工程研究所朱元 林”6 】对桩基冻拔的冻土工程问题进行了断裂力学分析，并给出简化模型，在此基 础上讨论了断裂判据以及应力强度因子的计算表达式，最后通过实际算例详尽说 明断裂力学方法在桩基冻拔稳定性计算中的应用，并与现行方法做了对比，比较 结果表明，断裂力学方法不仅是有效的，而且比现行方法更为完善。 哈尔滨工业大学徐学燕等”根据热传导理论建立水热迁移模型，利用有限差 分方法给出了桩基础约束条件下季节冻土场地冻胀量的二维数值解。 铁道部第一勘察设计院、兰州交通大学( 原兰州铁道学院) 、中铁西北研究 院及中国科学院等单位“7 1 合作于2 0 0 2 年在青藏高原清水河、沱沱河及北麓河地 区分别进行了钻孔灌注桩、插入桩、抗拔桩的验证性静载试验，对设计荷载的可 靠性进行了验证。 中国科学院刘永智“”等基于现场实测资料，分析了多年冻土区地温对工程桩 基施工过程的响应及其在工程结束后的恢复过程。室内试验、现场实测等均表明， 冻土中桩的承载特性明显不同于普通土，主要表现在：a 冻土中桩的承载力受地 温制约，因为冻土的性质随温度变化，现浇混凝七桩水泥水化热对桩周冻土有明 显不利影响，使桩只能在相当长的回冻后才能承载。b 冻融活动层暖季融化后在 冻融活动层范围内对桩产生负摩阻力，在寒季当其冻结时又对桩产生冻胀冷拔 兰州大学博j 一学位论文2 0 0 5青藏铁路多年冻士区桥梁工程关键技术研究 力，必须引起足够重视。 1 2 3 在冻土区桥梁工程基础研究中存在的问题 桥梁工程基础是冷基础，它对多年冻土地基的热干扰是较小的，如果施工方 法得当和基础结构形式合理，对多年冻土的热干扰可以降低到可忽略的程度，因 此桥梁工程是冻土区比较理想的工程结构形式，高温冻土区更是如此。 过去对多年冻土区的桥梁基础研究和实践多采用桩基，以钻孔灌注桩为主。 上世纪7 0 年代在五道梁和清水河进行的钻孔插入桩、钻孔打入桩和钻孔灌注桩 试验结果表明：钻孑l 灌注桩具有较高的水平及垂直承载能力，地基系数及冻结强 度指标较高【4 “。但钻孔灌注桩对地基多年冻土的热干扰较大( 钻孔过程及混凝士 硬化过程的热干扰) ，桩剧多年冻土地温回冻时问较长，当时施工机具技术水平 限制了这种桩基础的应用。 过去对高原多年冻土区桥梁基础的设计都是尽量避免对河床热状况的扰动， 尽量防止融沉、冻胀作用对桥梁结构的破坏。对多年冻土区桥梁桩基的适用条件， 设计计算和参数选择问题，通过高原连续多年冻土地区的清水河、五道梁和昆仑 山地区开展的冻土桩基试验进行研究。这些研究通过大量的静载试验，对钻孔灌 注桩、钻孔插入桩和钻孔打入桩三种桩基的竖向承载力和水平推力进行实验研 究，提出了冻土桩基承载力的计算方法和三种桩基的适用范围。通过小型工程的 验证，为冻土区桥梁基础设计提供了技术依据。对各类桩基的施工热量影响和回 冻规律进行了局部规律性研究。 过去研究成果由于试验条件的局限性，限制了使用范围和使用条件。根据青 藏公路多年冻土地段桥涵调查及代表性桥涵地温、变形观测结果，分析的桥涵地 基冻土变化规律及桥涵冻害原因，在高原冻土、严寒等条件下桥涵基础工程中存 在的主要技术问题，选择代表性冻土地基条件，结合常用的三种结构形式及两种 地基利用原则，修建试验涵洞，并采用三种沉桩方式( 钻孔插入桩、钻孑l 打入桩、 钻孔灌注桩) 分别在清水河、五道梁修建了二个桩基试验场和一座公路试验桥进 行了研究和工程实践。 桥梁桩基研究对现场冻土桩基水平荷载试验假定了九种土壤抗力图式，提出 6 第章绪论 用有限差分和优选法进行分析，方法较完善，验证了当时桥规采用的m 法可适用 于地表有季节冻士层的冻土桩基水平荷载计算，并提出r 有关参数，同时也为电 算技术的应用创造了条件。但是当时采用的垂直荷载计算公式，对于不同沉桩方 式的桩尖承载力和桩壁冻结力，由于试验数据较少，还有待进一步研究。 过去研究总结的试验工程的施工工艺，结合桩基荷载试验结果、桥涵人为上 限、基坑爆破及其他研究成果，提出的多年冻土地区桥涵基础工程的设计原则及 旌工方法奠定了青藏铁路冻土区桥梁工程设计和施工的理论基础。对于上述评 述，可以概括为以下几点： ( 1 ) 过去冻土区桥梁桩基工程的指导思想是尽量避免过多扰动多年冻土， 减少传入冻土的热量，这和现在主动冷却多年冻土为主的设计施工指导思想有一 定差别。 ( 2 ) 受当时生产力水平限制，施工机具有一定局限性，因此对几种桩基优 劣的评价有一定局限性。旋挖钻机在冻上区的成孔工艺没有进行研究。 ( 3 ) 桩基回冻规律( 回冻时间，热扰动程度) 研究仅仅局限于试验观测， 对整个地温场影响缺乏研究。随桩基回冻过程的承载力试验研究开展的较少。 ( 4 ) 桩基施工工艺研究仅仅限制在工艺过程和工艺技术， 1 3 高性能混凝土的研究现状 1 3 1 高性能混凝土的研究现状【7 3 j 高性能混凝土作为一种新的建筑材料，其耐久性远远高于普通混凝土的耐 久性，可增加混凝土结构安全使用寿命，减少造成修补或拆除的浪费和建筑垃圾； 可大量利用工业副产品和废弃物，尽量减少自然资源和能源的消耗，减少对环境 的污染；高性能混凝土还具有优异的施工性能，便于施工，可节省劳力，减少振 捣用电，降低环境噪声。高性能混凝土适用于高层、大跨、大体积、长跨桥梁、 海底隧道、高速公路及严酷环境中使用的结构物，如核反应堆、海上结构和处于 有腐蚀性介质环境的结构等的建筑和修补。据报道，按照结构物仝寿命成本分析， 用高性能混凝土修建的结构物的造价和维护成本总和远低于普通混凝土修建的 兰州 学博上学位沦文2 0 0 5青藏铁路多年冻十选桥梁r 程关键技术 i ) f 究 结构物。 l f 因为高性能混凝土具有以上诸多优越性能，自从产生以来，世界各国对其 研究和应用势头的发展十分迅猛。 1 9 8 6 1 9 9 3 年，法国由政府组织包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等 2 3 家单位开展了“混凝土新方法”的研究项目，进行高性能混凝土的研究，并 建成了示范工程。1 9 9 6 年，法国公共工程部、教育与研究部义组织了为期4 年 的国家研究项目“高性能混凝土2 0 0 0 ”，投入研究经费5 5 0 万美元。 挪威皇家科技研究院的科学与工程研究基金会( s i n e f ) 持续资助高强混凝 土和高性能混凝土的研究。 1 9 9 4 年，美国联邦政府1 6 个机构联合提出了一个在基础设施工程建设中应 用高性能混凝土的建议，并决定在l o 年内投资2 亿美元进行研究和开发。各大 州政府也致力于高性能混凝土的推广和应用。美国纽约州运输部最早在桥梁上采 用高性能混凝土，于1 9 9 6 年开始要求全州所有新建桥梁的桥面必须使用高性能 混凝土建造。至今，在纽约州已建成了1 0 0 多座具有高性能混凝土桥面的桥梁。 作为改进桥梁桥面更为广泛的计划的一部分，他们还采取了对高性能混凝土进行 改变的措旌，预计将使桥面更加抗裂，并具有较小的渗水性。用高性能混凝土建 筑的桥面，使用寿命预计将达到现在普通混凝土桥面的两倍。这种桥面预计使用 6 0 一6 5 年后需要修复，最终使用寿命可达1 0 0 年。在美国华盛顿州，公路部门正 在制定高性能混凝土梁的标准。在美国西雅图建造海上低渗水性高能混凝土浮桥 的承包商要求，除了桥面外，桥梁的其他部分也使用高性能混凝土材料，以获得 更多的关于高性能混凝土的实际经验。虽然由普通混凝土转变为高性能混凝土提 高了承包的材料成本，但改进了混凝土和易性和较高的早期强度，通过加快施工 进度抵消了较高的材料费用。 瑞典1 9 9 1 1 9 9 7 年由政府和企业联合出资5 2 0 0 万克郎，实施高性能混凝土 研究的图家计划。 目前，日本正在开发和研究以结构的高性能为目标的2 l 世纪混凝土技术。 近年来，我国高强高性能混凝土的研究、应用在有限的经费支持下也有了较 快的发展。建设部早在l9 9 4 年就把高性能混凝土技术列入建筑业l o 项新技术进 行重点推广。高性能混凝土最早应用在海军防护门等军事工程中。随着一些大型 工程的建设、人们对耐久性这一指标的认识以及包括高效减水剂在内的高效# i - 自h 第一章绪论 剂的研制和施工工艺的改进，高性能混凝土在我国工程建设巾的应用 1 益广泛， 特别在大型工程的建设巾取得了较好的效益。 三峡工程大坝高性能混凝土研究取得丰硕成果，不仅获得了适合三峡工程大 坝高性能混凝土需要的配合比，而且在一级粉煤灰推广应用、混凝土碱活性反应 研究等方面取得了突 n 成就，为我国混凝土技术发展提供了新经验。1 9 9 5 年中 国三峡总公司委托中国水利水电科学研究院和长江水利委员会长江科学院共同 承担了有关混凝土原材料优选实验、混凝土配合比选择试验及性能试验。两家单 位通过对近4 0 0 组混凝土配合比进行平行试验，在此基础上，中国三峡总公司混 凝土试验中心选用了其中1 2 个配合比进行校核试验，优选出各项性能指标均满 足三峡工程要求的大坝高性能混凝土配合比。优选后的高性能大坝混凝土配合 比，不仅解决了三峡工程大坝混凝土采用花岗岩人工骨料用水量高的难题，成功 地把四级配混凝土用水量由原来的每立方米用水1 1 0 公斤降低到8 5 公斤，而且 达到了高性能大坝混凝土的要求，使混凝土具有高耐久性、抗裂性、低热性、体 积稳定性和良好的工作性，同时也产生了可观的经济效益。据初步估算，优选出 的配合比可取得约3 亿元的经济效益。三峡工程用大量的试验证明，一级粉煤炭 不仅可以减少用水量，而且颗粒细，微珠含量高，火山灰效应高，可显著改善混 凝土工作性，提高混凝土密实性，改善混凝土物理力学性能、降低水化热温升， 提高抗裂能力，成为改善混凝土性能的重要功能性材料。同时，由于三峡工程从 新的角度认识了粉煤灰的特殊作用，这样可解决火电厂粉煤灰废弃物污染问题， 为环保事业的发展也作出了很大贡献。 我国各地都在加紧高性能混凝土的推广应用，在科技界高性能混凝土己成研 究的热点。随着青藏铁路格尔木拉萨段的开工建设，青藏高原地区高性能混 凝土的研究工作也在紧张进行之中。 1 3 2 青藏高原地区混凝土工程存在的问题 国内从二十世纪五十年代丌始在青藏高原地区修建了青藏公路，但由于受当 时的技术水平和施工条件限制，建成后的混凝土工程出现了很多病害，四十多年 来已进行过4 次大修。根据青藏公路格拉段大中