论文桥梁桩基础抗冻拔设计与防治措施

1、.桥梁桩基础抗冻拔设计与防治措施 摘要：中国北方高寒地区中桥桩基冻拔已经成为较为普遍的病害，本文分析了多年冻土区桥梁病害原因，并对桥梁桩基础冻拔设计与防治措施进行了详细的阐述，值得同行参考。 关键词：桥梁桩基础、冻拔技术、高寒地区 中图分类号：K928.78 文献标识码： A 文章编号： 引言 中国北方高寒地区中小桥桩基冻拔已经成为较为普遍的病害，季节冻土区的桩基础，经常由于地基土的冻胀作用遭到破坏，很多情况下桩基础的稳定性是由其抗冻拔能力所控制的。因此，对于季节冻土区桩基础抗冻拔稳定性及其抗冻拔措施的研究是非常必要的。 多年冻土区桥梁病害原因分析 1、工程对冻土环境的改变 冻土地基升温、融化

2、和压密是多年冻土地区桥梁基础下沉的主要原因。一种为桥梁完工后，墩台短期内就产生沉降，引起全桥结构变形。特别是明挖基础暖季施工，基坑裸露时间较长时，更易引起这种病害。另一种情况表现为建筑物长期下沉.其原因是地基含冰量大，土温度高，在恒载作用下，地基冻土产生蠕变而沉降。 2、设计问题 桩基设计较短，桩的入土深度较小，其上部荷载、桩自重及桩与未冻土地之间的摩擦力不足以平衡总切向冻胀力，因此产生整体上抬、上拔量逐年累积，使建筑物产生变形，影响建筑物安全及使用。 冰冻对混凝土的影响 对桥梁的调查表明，由于恶劣的气候条件和混凝土本身的配合比不尽合理，导致混凝土剥蚀、脱落等损坏。 4、荷载问题 设计上的某些

3、失误，设计荷载偏低，没有充分考虑到永久性构造物的长期使用要求，使桥梁主要承重构件(板、梁、墩、台)难以承受日益增长的车辆荷载。多年冻土地区修建桥涵时结构类型、基础埋深、导流设施及洞口建筑的选择等，都未达到尽善的程度，使部分设计与实际不相符合，导致桥涵工程破坏。 施工质量问题 钻孔灌注桩的施工由于孔内热量注入，致使孔壁热融，一些孔冻胀颈缩，孔底土质松软，降低了桩基的承载能力；施工时，冻土层内出现混凝土堆积块体，增大周围土体的切向及法向冻胀力，起了助拔作用，引起桩基上拔。 6、地形问题 桩基所处的地形位置对桩基不利，如沟、渠边坡过陡，位于斜坡上的桩基在斜坡上方冻胀力的作用下，产生向沟、渠内方向倾斜

4、，导致桩基断裂。 桥梁桩基础冻拔设计分析 下文中根据实际的工程实例，对桥梁桩基础冻拔设计进行分析。 1、工程概况 某公路是某地区重要的南北向公路大通道，路线全长141.764km，全线设大桥106m/1座，中桥412m/6座，小桥464m/16，涵洞163道，分离式立交6座，桥式通道3座 季节性冻土标准冻深区划： 全线季节性冻土广泛分布，冰情情况为：每年冬季河流常出现一系列复杂的冰凌现象，冰期大致分为结冰期、封冻期、解冻期三个阶段。每年10月中旬开始，随着气温的下降，导致河流形成盖面冰层。 特殊性岩土及不良地质情况：全线大部分处于岛状多年冻土分布区。 2、桥梁桩基础冻拔设计分析 在季节冻土区的

5、桩基础一般必须穿过一定厚度的冻土层。桩周土在冻结过程中由于与桩体表面冻结在一起而发生冻胀作用，在桩体表面产生切向冻胀力，由于这种冻胀力一般较大会对桩体产生破坏作用，产生冻拔破坏。季节冻土区桩基础冻拔破坏有两种基本形式:桩基础整体上拔。每年冬季来临地表开始冻结，切向冻胀力产生。随着冻深加大，切向冻胀力逐渐增加，当切向冻胀力大于恒载、桩自重和融土层的摩阻力时，桩柱失去稳定，整体上拔。桩基础强度不够局部拔断。对于埋入较深或扩大头较大的钢筋混凝土桩，由于在融土层锚固力较大，在较大切向冻胀力作用下，桩柱整体不能上拔，但由于桩体本身的抗拉强度不够而被拉断。 通过以上对桩基础冻拔破坏及其受力情况的分析 ,为

6、确保上部建筑物的稳定，桩基础在冻结过程中应同时满足以下抗冻拔稳定条件: 式中：P为作用在桩顶的恒载;G为桩身自重;F为桩在冻结锋面以下融土的摩阻力;Kd为抗冻拔稳定安全系数;T为冻结层对桩的切向冻胀力之和:Gi为验算截面以上桩身的自重:Fi为验算截面至冻结锋面之间桩与融土层的摩阻力:A为验算截面的面积，对于钢筋混凝土结，为纵向受力钢筋截面积之和;.fy为验算截面桩体材料的设计抗拉强度，对于钢筋混凝土结构，则为受力钢筋的设计抗拉强度。 （1）切向冻胀力的计算 切向冻胀力的形成和作用机理极其复杂，受到各种自然条件、结构物的外部约束、体系特点及验算要求等多种因素的影响。在一个较大的地区范围内，同一类

7、别土在不同冻深处其单位切向冻胀力一般表现为:冻深较大，其值较小些;冻深较小，其值反而较大些。 （2）摩阻力的计算 对于季节冻土区桩基础抗冻拨稳定性验算时，总摩阻力一般仅考虑桩在融土层的摩阻力，按下面公式进行计算： 式中:ui为桩在各融土层内的平均周长;li为桩周各融土层厚度;fi为桩侧融土层单位设计摩阻力。 桩与地基土之间的摩阻力是桩基抗冻拔稳定的锚固力，其数值与土质类别、性状、桩体的材质及表面粗糙度等因素有关。一般承受轴向压力的桩，桩的位移对桩周土的作用是使其产生挤密变形，而承受轴向拉力的桩，则由于桩在轴向拉力的作用下，产生向上的位移而带动地表以下一定深度土层向上隆起松动，使之与受压桩的摩阻

8、力相比降低很多。但一般认为，桩基础冻拔时融土区段桩土的相互作用机理、作用性状和摩阻力分布规律，均与一般条件下的轴向受压桩一致，所以对其摩阻力计算可取受压桩的摩阻力值。 （3）桩身自重及外载的计算 在进行桩基础抗冻拔稳定验算时，一般需要对桩身自重和上部恒载进行计算，桩基础水下部分的自重应取浮重度。 （4）验算截面位置的确定 桩基础抗冻拔验算时，桩身材料抗拉强度验算截面位置一般根据受力和配筋情况试算确定，选择最薄弱部位作为验算截面。 防治措施 1、混凝土选用低温早强耐久混凝土，外加剂选用低温早强高性能混凝土外加剂.寒季施工时，混凝土拌合前应对原材料和水进行预加热，但注意不要对水泥直接加热。 2、桩

9、基长度确定时，尤其是小桥，桩长的设计长度应结合最小抗冻拔桩长要求及承载力计算桩长，综合确定桥梁设计桩长。 3、护筒加工及埋设:护筒直径宜大于孔径(20cm )，护筒除可保护孔口、使钻孔作业正常进行外，还是降低冻土对桩墓础冻拔力的重要措施。将护筒埋入冻土上限以下不小于0.5m，并于护筒外涂l cm厚的沥青渣油，减少护简外表面的亲水程度，降低冻土对桩基础的上拔力。 图1 钻孔灌注桩防冻胀措施示意图 4、桩基础四周0.5米范围内及系梁底面与季节性冻土标准冻深线之间采用不冻胀材料（砂砾）换填。 结论 通过以上的分析与研究，季节冻土区的桩基础极易受到土层冻胀作用而造成冻拔破坏，从而影响上部安全稳定。因此，对其抗冻拔稳定性验算是必不可少的，并根据计算结果和工程实际选择合理的抗冻拔措施，进而确保工程的稳定。 参考文献 1励国良