湖岸强冻胀土区船台桩基础冻拔试验研究

湖岸强冻胀土区船台桩基础冻拔试验研究

人工湖的平台是游客上下船只的转世平台，由游客和系泊电缆系统承担负荷。船台结构形式多为现浇钢筋混凝土灌注桩基础沉入湖岸土层内,桩上承托梁板式钢筋混凝土平台(船台)。在寒冷地区,船台桩侧土冻胀产生向上的切向冻胀应力作用于桩身,当船台和桩的自重及桩下未冻土层产生的摩擦力不足以平衡土切向冻胀应力时,桩即发生向上“拔起”的现象,这种现象我们称之为“冻拔”。冻拔位移值逐年累计增加,导致船台渐渐上升,使船台板和岸边连接构件变形不一致,引起连接构件的拉裂。同时,在台岸交接处,多年的上拔积累形成一个变化的台阶而影响使用。据工程调查,在使用期内,季节性冻土地区人工湖岸船台桩基础“冻拔”现象发生频率在80%以上,且低温环境不同,轻重程度各异。据测算,长春市各公园船台桩基础在使用期内,处理“冻拔”质量问题每年发生实际费用接近10万元,占桩船台投资的1.5%。从处理费用可见三北地区针对此类问题而发生的资源浪费是较严重的。2005年10月,我院与长春市园林局重点工程办工室针对湖岸构筑物“冻害”质量问题立项并研究。“船台冻拔质量问题研究”是其中的一个子课题。课题组在长春市的南湖公园、长春公园建立了“冻拔”位移观测站,进行实验观测,研究桩基“冻拔”位移发生及发展规律。1.1“冻拔”位移观测实验方法的确定“冻拔”位移观测研究的目的:针对湖岸强冻胀土区船台桩基受基土冻胀产生的上拔位移的观测,获得桩基础“冻拔”位移数据,揭示船台桩基“冻拔”位移发展变化的自然规律,为后期解决措施的研究提供可信度高的实验数据。“冻拔”位移值(△h,见图1)观测实验方法的考虑:采用精密水准测量单测站法,于船台上选择对“冻拔”位移反应敏感的部位设置冻拔位移观测点(Di,见图1),岸边埋设不受冻胀影响的高程基准点(JDi,见图1)。气候进入不同的低温时段,观测出各位移观测点与基准点的高差,推算“冻拔”位移值。以之来研究不同低温阶段“冻拔”位移的变化状态。1.2“冻拔”位移的特征不同的低温时段,船台桩基土冻结产生的不同强度的切向冻胀应力τ(见图1)对桩的作用不同,即在变化的切向冻胀应力的作用下桩的冻拔位移量大小及冻拔速度各异。足见“冻拔”位移应在不同的低温时段进行观测才能反映“冻拔”位移的变化特征。即“冻拔”位移的观测期应从正温下降至寒冷期的最低温度后,至气温回升到常温初期的这一温度的变化区间。长春地区约在每年11月初土层开始冻结,3月下旬至4月中旬气温缓慢回升,冻结土层缓慢融解,至4月下旬接近完全解冻。椐此,桩“冻拔”位移的观测期选在2005年11月初至2006年4月下旬(即一个寒期)。测量观察该温度时区内桩的冻拔位移量及其变化规律。为掌握冻拔位移的长期变化形态,可将观测期定为几个寒期。1.3“冷冻高度”测量点的配置1.3.1南湖公园的北船台“冻拔”位移观测点布点方案冻拔位移观测点位应敏感地反应船台桩基冻拔特征。桩顶对应的船台板上表面处冻拔位移最敏感,选为实际布点位置(如图1)。此外,为能够反映独立船台不同部位产生的冻拔位移,冻拔观测点的数量应足够,点位的设置应兼顾于实验仪器的通视测量和有效视距要求,且便于长期保存。点位处理平整以减少立尺测量操作时的误差。应做恰当的编号标识。南湖公园新建西船台群和长春公园北船台的“冻拔”位移观测实验按以上要求布点。南湖公园新建西船台群“冻拔”位移观测点的实际布点方案如图2所示。一个寒期观测取得的桩基冻拔位移的准确性评估,冻拔位移观测点布点合理。1.3.2冻拔位移检测基准点桩的埋深“冻拔”位移观测基准点桩是用于判别船台桩基是否发生冻拔位移的绝对基准(见图2,3)。基准点桩必须在整个观测期内保持桩顶标高不变。这样,测量出的基准点桩与冻拔位移观测点间的高差,即冻拔位移值才具有真实性和可靠性。重复精密水准测量仪器的前后视距应尽量相等,便于消除视距误差,以测得准确的数据。基于以上要求将高精密度水准仪前后视距定为50m左右,即“冻拔”位移观测基准点桩埋设在岸边距船台100m的范围之内的适当位置。“冻拔”位移观测基准点桩本身埋设的防冻拔设施:长春地区标准冻土深度设计值为1.7m,现场冻土挖掘试验证实冻土深度为1.3m。选定基准点桩的埋深为2.5m,即桩穿越冻层后再入未冻土层1.2m。将基准桩直径1.5m范围内的冻土层全部挖掉,然后分层交替铺设苯板、干树叶和塑料布封闭保温,隔离基准点桩与周围土层间的冻胀影响。其埋设方法及保温方法如图3。在南湖公园、长春公园冻拔位移的实验观测期间,土冻胀没有影响冻拔基准点桩的标高,使用期间标高是稳定的,说明措施有实效。1个独立测量区域的岸边埋设十个冻拔位移观测基准桩,宜在埋设稳定后使用。1.4中“冻胀”位移的精确观测1.4.1船台桩冻拔位移的测量如前所述,在不同的低温时段,由于土层冻胀导致船台桩在相应时段产生的冻拔位移值大小不等,位移的发生可能是短时的,也可能是渐变的。若要精确地量测出桩冻拔位移值,精密水准测量是有效的方法。用于国家一、二级水准测量的精密水准仪观测数据精确,光学测微器观测值可以精测到0.1mm,估测到0.05mm,仪器性能受温度变化影响小。若船台桩冻拔位移值超过1mm时,精密水准仪可观测得到。选择精密水准仪量测船台冻拔位移具有可操作性。能够保证测量出的上拔位移值的精确度和可靠性。南湖公园、长春公园船台冻拔位移观测实验中,选择了精密水准测量方案,使用仪器为德国产Ni004型精密水准仪及配套的精密水准尺。1.4.2船台冻拔位移观测方法及验证船台冻拔位移的观测是在低温下的重复精密水准测量,有时气温可达-20℃以下,仪器的性能和测量操作过程要经历持续低温的检验,要采取有效的措施:每次正式观测前,现场检验仪器各部件是否灵活;精密水准仪视准线是否水平;现场测量条件准备是否充分;清除冻拔位移基准点和冻拔位移观测点上的结冰或积雪,清理至原始标高面。在观测过程中:精密水准仪架设于冻拔位移观测点与冻拔位移基准点的中间位置,保证“通视”且保持前后视距基本等距;选择单测站同一仪器高,正向和逆向两测回制的观测方法;读数时,必需保证水准仪精平水平,管内气泡居中;每个观测点观测2次读数;密切关注当地气象台站预报的观测期间气温变化,及时补充观测次数;观测结束后,冻拔位移基准点桩顶及其周围一定范围内的地表面要采取严密的覆盖保温、保护措施,保持封闭,以防止基准点桩位置和顶标高发生变化。冻拔位移值的计算:冻拔位移值△h(m)=实际观测的冻拔位移观测点高程(m)-实际观测的冻拔位移基准点高程(m)-基期高差(m)基期高差(m)=结冻前冻拔位移观测点高程(m)-结冻前冻拔位移基准点高程(m)(以上计算结果均精确到0.0001)冻拔位移测量值验收的中误差取≤2(其中n为测站数,即n=1时,中误差限值为2mm)。观测期内7次冻拔位移值的观测值,中误差均满足≤2,表明实验观测的船台冻拔位移值准确度可靠。冻拔精密水准测量手簿(即实验观测记录)内容:如表1所示。2“冻拔”位移观测基准点桩的布点冻拔位移观测实验场之一为南湖公园西船台群的4座新建独立船台。结构型式为钻孔灌注桩基础承托梁板式钢筋混凝土船台板。桩基入土深度为10m,桩径为Φ350。地下水埋藏在二、三层粘性土层中的孔隙水,属弱透水层,受大气降水和湖水补给,水位随季节变化,勘察期间钻孔内水位与湖水连通,稳定水位为地表下0.5—2.8m,标高为211.80—212.43m。土层为强冻胀性地基土。“冻拔”位移观测点及“冻拔”位移观测基准点桩的布点如图4和图2。在一个观测期(一个寒期)的各低温时段至升温期,进行了7次冻拔位移实验观测。对测得的冻拔位移值数据成果的分析观察表明:“冻拔”现象是真实存在,呈现一定的变化规律。对观测实验数据计算处理后,各阶段船台桩冻拔位移值观测实验成果见表2:3冻拔位移值分析据南湖公园西船台群桩基冻拔位移值观测成果(表2),绘制的各低温时段相应的冻拔位移变化曲线,如图4:各低温时段的冻拔位移变化曲线表现出如下规律:在一个观测期内(一个寒期内),各船台桩基础发生的冻拔位移变化总体趋同,均呈上升和下降2阶段变化;在观测期末冻拔位移趋于稳定,相应的冻拔位移值我们定义为稳定值——即为一个寒期的冻拔位移值,就是年度的“冻拔”量。对应于冻拔位移曲线的上升段,此时,土层为浅层冻结,冻结速率低,但冻结充分,产生的冻胀量大,相应作用于桩上的有效切向冻胀应力增大,引起桩在该低温区段快速上拔,上拔曲线较陡且接近于直线变化而达到冻拔位移的最大值(如:曲线峰值处,即最大冻拔位移值为81mm)。此时土层接近最大,冻结深度。位移曲线下降段较平缓,位移减小的过程近似于直线变化,表明在后期的持续低温作用下,土层在达到最大冻结深度后期的较长时间内,桩的冻拔位移量反而缓慢回落。说明冻结土层受昼夜温差引起的热胀冷缩作用,在热胀冷缩影响深度区域内,土层与桩基的接触切向冻胀应力变弱或消减,则在全部冻深内作用于桩基上的有效切向冻胀应力变小。此时,在自重作用下桩基将下沉,直至桩基自重与土层内有效切向冻胀应力接近平衡时,桩基下沉减缓。升温后土层全部融解后,切向冻胀应力消除,桩基自