论桩基础设计心得

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收稿日期: .//% /! /7 第一作者简介: 王彬彬 ( !79% —) , 男, 毕业于北京交通大学土木建筑工 程学院, 讲师。
经济上合理的工程措施, 对于保证冻土区桥梁结构的 安全具有十分重要的意义。 由于水冻结成冰, 体积约增大 7" , 因此土中水冻 结成冰时, 土体将出现体积膨胀, 这种现象称之为冻 胀。土体冻结时, 形成水分迁移, 即不仅原来位置的水 分冻结成冰, 而且在渗透力的作用下, 水分将从未冻区 向冻结锋面迁移, 并在冻结锋面结成冰。水分向冻结
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青藏铁路多年冻土地区桩基础设计研究
王彬彬( 杨永平
( 北京交通大学, 北京 !///&& )
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前还不能建造大直径的桩基。 钻孔插入桩的承载能力主要取决于桩周回填材料 填充状况, 填充密实则承载能力较高, 反之亦然。理论 上讲可以做到回填密实, 但从施工角度而言, 施工单位 很难做到回填材料的密实, 这是因为选择何种回填材 料、 如何保证回填的密实等都缺少行之有效的工艺手 段; 同时从质量控制的角度, 如何检验回填材料的密实 程度也是一个技术难题。此外, 如果发生冻土退化, 桩 基的承载能力更加得不到保证, 钻孔插入桩就目前的 工艺条件而言很难在实际工程中大量采用。 钻孔打入桩基础 () ) 钻孔打入桩适用于粘性土、 砂土类地基, 不适用于 岩层及含漂石、 块石的地基。这种沉桩方法对地基的 热扰动最小, 回冻速度快, 承载力介于钻孔插入桩和钻 孔灌注桩之间。但施工设备较复杂, 同时在非粘性土、 砂土类地基施工时, 很可能会出现沉桩困难的问题, 因 此针对青藏铁路沿线的工程地质条件, 不适合大范围 推广钻孔打入桩。 综上所述, 在青藏铁路多年冻土区桩基础采用钻孔 灌注桩较为合适。) 种钻孔桩基础的比较如表 ! 所示。
1’* ) 1*" 。因此, 要保证铁路桥梁达到设计使用寿 命, 必须配制具有ຫໍສະໝຸດ Baidu高耐久性能的混凝土。 (& ) 混凝土的抗冻融性能 普通铁路桥涵、 轨枕混凝土的抗冻融循环次数要求 达到 ’"", 俄罗斯要求多年冻土地区混凝土的抗冻融循 环次数为 -"" ) *""。在青藏线特殊的环境条件下, 要想 混凝土结构的使用寿命达到普通地区混凝土的水平, 混 凝土的抗冻融循环次数至少应达到 -"" 以上。 (’) 混凝土的抗渗性
正确选择基础类型是保证建筑物安全耐久, 经济 合理的技术关键。铁路桥梁基础类型的选择应考虑下 列主要问题: 力学特点。桥梁工程为 !建筑物的热学、 不采暖建筑, 但施工活动破坏了地基热量平衡条件和 热交换条件, 形成新的冻土上限。 " 使用功能要求。 永久性桥梁荷载大, 允许变位小, 要求地基有较高的强 度和稳定性。#地基条件。冻土特征、 季节融化层、 冻 胀与融沉及地下水等。
$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 体质量完好, 下部干硬性混凝土质量也完好, 二者为两 用于工业厂房、 高层建筑等工程中, 但施工振动、 地基 个刚体, 未能刚性连接, 接触不密实, 形成直杆体在干 硬性混凝土臼槽中的 “ 虚脱” , 为完好桩与 “ 假断桩” 之 间的过度类型, 其竖向 承 载 力 受 影 响, 沉降量和 “虚 脱” 程度正相关。实测中此类桩不到总桩数的 !" , 桩 体质量综合评价为!类桩, 需做必要的压桩处理。 ( #) 糠底桩: 桩底反射相对不明显, 桩底反射曲线 呈 “ $” 型, 其上部直杆质量完好, 下部干硬性混凝土 质量欠佳, 刚度不足, 但接触密实。该情况比较少见, 对竖向承载力和沉降量有影响, 桩体质量综合评价为 "类桩。 以上所述 % 种曲线, 应归为 & 种类型。第 ’ 种和 第 & 种情况可归为 ! 类, 属完好桩与 “ 假断桩” 之间的 过渡类型。
!" $# 常用桩基础型式的比选研究
(!) 钻孔灌注桩基础 钻孔灌注桩的优点在于具有较高的水平及垂直承 载能力, 地基系数和冻结强度的指标较高, 且不受地层 岩性及地下水条件的限制, 可以建造大直径桩, 能就地 取材, 施工方法和机具都比较简单。其缺点在于施工 效率较低, 对地基温度场的热扰动大, 回冻时间长。 因此按 “ 保持冻结状态” 的原则利用多年冻土作 为地基时, 钻孔灌注桩适用于多年低温低于 % !" & ’ 的地区。同时由于其承载力较高, 尤其适用于地震区 的桥梁结构以及跨度较大的高墩桥梁。 ($ ) 钻孔插入桩基础 试验证明钻孔插入桩能用于各种岩性和各类冻土 地基, 对地基的热扰动小, 回冻的时间短, 但承载力较 低 ( 仅为同等直径钻孔灌注桩的 ! ( ) 左右) , 桩的整体 性相对较差, 不适用于承受较大水平荷载的桩 ( 如高 烈度地震区的桥梁基础) 。受施工机具能力限制, 目
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土扰动以及地层的不均匀性可能影响上部直杆体与下 部干硬性混凝土夯扩体的密实性, 建议从设计到施工 方面采取措施, 避免和减小这种不利影响。 对低应变反射波法测出的问题桩, 建议进行其他 工作, 如低应变稳态机械阻抗法、 静载荷试验等检测。 在实际检测工作中, 最好先进行低应变检测, 根据实测 资料, 选择具有不同桩底反射曲线特征的代表性桩进 行静载荷试验, 综合分析, 对整个复合载体夯扩桩的施 工质量作出全面、 客观、 合理、 准确地评价。实践证明, 低应变对复合载体夯扩桩桩体质量的检测行之有效, 其检测结论具有较好的可信度。 参 考 文 献
" " 摘" 要" 由于青藏铁路在设计中大量使用了以桥代路的方案, 因此桩基础是青藏铁路冻土区桥梁 应用最广泛的基础形式。结合青藏铁路多年冻土地区桩基础的设计与试验工程, 研究冻土区桩基础的 合理形式、 冻土活动区冻胀力对桩基础的影响、 成孔工艺对桩周局部融化和回冻的影响、 冻土退化对桩 基承载力的影响、 冻土区桩基础耐久性设计及相应工程措施等。 关键词" 青藏铁路( 多年冻土区( 桩基础( 设计 ( ( 桩基础是青藏铁路冻土区桥梁应用最广泛的基础 型式, 而冻土地区桩基础设计和试验的参考资料相对 较少。因此对多年冻土区桩基础存在的技术问题进行 研究和相关的工程试验, 在此基础上提出技术上可行、
[!] ( 王继中等) 复合载体夯扩桩的应用研究 * +, ) 施工技术- .//.- ’! * ., ( +2+ 3 4!’% —.//!( 复合载体夯扩桩设计规程 * ’, ( 徐攸在- 刘兴满) 桩的动测新技术 * 5, ) 北京6 中国建筑工业出版 社- !787
!" 结束语
复合载体夯扩桩具有施工速度快、 造价低、 承载能 力高、 施工质量稳定、 环保经济实用等优点, 可以广泛
#" 冻土退化对桩基承载力的影响及工程措施
冻土的形成, 演化与气候关系十分密切, 气候决定 了冻土的存在, 气候变化影响着冻土的演化。冻土带
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作为地壳冷冻下垫面又反馈影响近地面大气的稳定 性, 乃至季风形成和降水。全球陆地气温变暖与近期 冻土退化是一致的, 从上世纪 !" 年代至今平均气温的 总升幅大约为 "# $ % , 即平均每 &" 年升温 "# ’ % (可 以看做全球平均值, 可近似的应用于青藏高原) 。对 经历了从公 未来趋势的几点估计: ! 近 &("" 年以来, 元 !"" ) &&*" 年长达 **" 年的温暖期和从 &&*" 年 ) &$+" 年长达 +"" 余年的寒冷期后, 从公元 &$+" 年开 始步入新一轮的温暖期, 大周期的温暖期可持续到公 元 ’*"" 年。" 从 &, 世纪至廿世纪频繁出现的 &*" ) ’"" 年长度的次级暖冷变化周期可以预测, 公元 &$$" 年开始的升温也是次暖期的开始, 暖期长度约 *" 年, 对应的暖峰值年约在公元 ’"-" 年至 ’"-* 年。# 从公 元 &$!& 年直到 &$$+ 年, 平均升温速率为 "# ’ % . &" 年, 按此推演到 ’"-" 年还能升温 "# ! % 左右。考虑到地温 存在一定的滞后性, 冻土区的地温将上升 "# - % 左右。 由于地基参数是桩基础设计的基本依据, 因此全 球气候变暖引起的冻土退化会给桩基带来比较严重的 后果。具体而言, 设计地基为高温极不稳定冻土的, 地 基退化成为非冻土; 设计地基为高温不稳定冻土的, 地 基可能退化成高温极不稳定冻土; 设计地基为低温基 本稳定冻土的, 地基可能退化成高温不稳定冻土, 这将 给桩基础的承载能力带来十分不利的影响。对于青藏 铁路而言, 低温基本稳定多年冻土在青藏铁路多年冻 土区内占线路总长的 ’"/ 左右, 高温不稳定多年冻土 类型在青藏铁路多年冻土地区占 !"/ 左右, 如果设计 时对冻土退化问题没有引起足够的重视, 就有可能在 青藏铁路运营中期出现比较大范围的病害。 在桩基础设计计算时, 对于高温极不稳定冻土区, 同时按冻土区桩基础和常规摩擦桩基础分别计算其承 载能力, 取其小者为设计单桩承载力; 对高温不稳定冻 土区, 计算时对可能影响的桩长范围按高温极不稳定 冻土计算其承载能力。对低温基本稳定区和低温稳定 区, 计算时对可能影响的桩长范围按降低 & 级来计算 其承载能力。
$" 工程处理措施
(! ) 钻孔桩基础应检算冻胀力作用下桩基的稳定 性及抗拉强度, 当承台埋置于季节融化层中时, 应考虑 冻胀力的影响, 并检算承台与桩的连接强度。 ($) 当地基的季节融化层为冻胀土时, 钻孔桩基 础应在季节融化层内设置钢护桶, 护桶外侧涂 !& ** 厚的渣油。 ()) 当地基的季节融化层为冻胀土时, 桩基的承 台底应高出地面, 其值视冻胀土层的厚度确定, 但不应 少于 &" ) *。 (+) 当地基的季节融化层为冻胀土时, 桩基与承 台的连接钢筋应加强。
表 !" # 种钻孔桩基础的比较
钻孔灌注桩 适用地层 对地基的热扰动 单桩承载能力 施工难易程度 能否制作大直径桩 各种土层 最大 最大 容易 能 钻孔插入桩 各种土层 较小 较小 复杂 不能 钻孔打入桩 砂土 粘性土、 最小 较大 较复杂 不能
!" 多年冻土地区桩基选择 !" !# 影响桥梁基础类型选择的因素
4 青藏沿 线 河 流 中 不 同 程 度 地 存 在 23’ 15’ 6 、 , 、
78 4 的侵蚀。根据 《 铁路混凝土与砌体工程施工规范》 ( 9: &"’&" —’""& ) , 混凝土必须具备较强的抗渗能 力, 因此根据不同混凝土自身的抗渗性水平作出相应 的抗渗性规定是十分必要的。 (- ) 混凝土的耐腐蚀性
青藏铁路多年冻土地区桩基础设计研究: 王彬彬# 杨永平
+)
锋面迁移并结成冰, 使土的冻胀更加剧烈。地基土中 水分冻结时, 产生胶粘连接, 将土与基础牢固地胶结在 一起形成冻胀力。当基础的重量和附加荷载不能与之 平衡时, 基础将在冻胀力作用下产生上拔变形, 形成冻 胀。在天然条件下, 由于地基土土质、 水分和冻结条件 不同, 桥梁桩基础的冻胀将是不均匀的, 桥梁桩基础不 均匀冻胀是多年冻土区桥梁破坏的重要原因。 国内外的许多工程实践都证明, 在多年冻土地区 修建某些永久性建筑物, 采用桩基础有许多优点: 有利于 !对于多年冻土地区地基的热扰动较小, 实施 “ 保持地基冻结状态” 的要求, 一般不受季节的影 响, 全年都可施工。 ( 岩性、 冻土特性和水文 "适用于各种地基条件 地质条件) 。 为机械化和拼装 #避免了冻土基坑开挖的困难, 化施工创造了条件, 提高了施工速度。
4 青藏沿线河水中 23’ 15’ 6 、 78 4 的浓度水平参差 , 、
不齐, 根据 《 铁 路 混 凝 土 与 砌 体 工 程 施 工 规 范》 ( 9: &"’&"—’""&) , 耐中等硫酸盐侵蚀混凝土受硫酸盐侵蚀
4 的允许值 ( 23’ 为 ’ ""& ) , """ 05 . ;, 受中等镁盐侵蚀 , )
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