浅谈冻土地区桥梁桩基础特性及其施工技术

　　
　　关键字：冻土地基 桩基础 施工技术

　　论文摘要：多年冻土地区铁路桥梁工程往往由于地基的冻融作用，不良冻土地区现象的影响，会产生各种工程病害，从而影响工程使用。本文考虑了大气温度、水文条件，混凝土入模温度、冻土初始地温场的影响及相变效应，以传热学为基础，给出了冻土区单桩地温场控制微分方程、边界和初始条件，以及其空间分析的有限元计算模式，详细了多年冻土区桥梁桩基施工工艺及方法、保证工程质量的技术措施、施工中遇到的问题及解决方法。

　　冻土区桥梁桩基础施工，会给冻土引进一定的热量，这些热量在自然回冻过程中传到周围的多年冻土中，破坏冻土的稳定冻结状态。尤其是混凝土灌注桩中的水化热会给稳定的冻土带来很大的热扰动，可能会导致冻土的冻结强度降低，致使桩的承载力严重下降，直接影响施工进度。所以，研究大气温度、水文地质条件、入模温度、冻土本身的负温对桩自然回冻的影响及其计算模式，可以为施工计划的制定提供理论依据，有很重要的实用价值。

　　1、冻土地基的工程特性

　　（1）冻胀性 在自然界中，受大气温度变化的影响，土体中的水分产生相变，从而土体积膨胀或收缩，膨胀现象，称为土体的冻胀，收缩现象，称为冻土融化。膨胀现象，是由于土体在冻结过程中，水分冻结成冰，体积膨胀而引起的。土体的的冻胀性受土体埋深、土体含水量、土颗粒粒径、土体密度等因素影响。冻土地基的冻胀性，是影响多年冻土区工程结构物尤其是桥梁工程稳定性的重要因素。

　　（2）冻胀力 地基土冻结时，封闭体系中，冻土水分冻结体积扩张的内应力，开放体系中，孔隙水侵入推开土颗粒并冻结所产生的力，称为冻胀力。冻胀力作用于基础表面，当工程结构物的重量和附加荷载不足以与之平衡时，结构物将在冻胀力的作用下产生冻胀变形，严重将引起结构物的破坏。根据冻胀力作用于基础表面的部位和方向，可划分为切向冻胀力、水平冻胀力和法向冻胀力三种形式。切向冻胀力，即平等作用于基础侧表面上的力，法向冻胀力指垂直作用于基础侧表面上的力，法向冻胀力指垂直作用于基础底面上的冻胀力。切向冻胀力是作用于冻土区基础上的主要力系之一，如果设计时对此考虑不当，则会引起基础在切向冻胀力的作用下产生上拔变形，甚至破坏。

　　（3）融沉性 冻土融化过程中，在自重压密作用下，不断产生下沉伴随着孔隙水的消散，即为冻土融沉性。这个过程不仅是由于冻土中冰转变成水的相变时的体积减小，更重要的是在此过程中产生孔隙水的消散与排泄，土体的孔隙比减小，冻土的融沉性与冻土的粒度成分，含冰量密度及孔隙水的消散等因素密切相关。

　　2、计算模型及基本假设

　　(1)本文以具有代表性的青藏高原典型湿润性地段某长16m、3 孔的中桥桩基础的钻孔灌注桩作为分析模型，桩直径为1m，桩长为20m，鉴于所研究对象的特点，本问题可视为一个轴对称问题。桩侧和桩底界面应分别取在水化热对冻土热挠动范围外及冻土下限，经试验性计算，本计算模型的半径R取10m、深度取30m(即桩以下的冻土取10m)即可满足要求。

　　(2)混凝土入模初期，由于低温早强混凝土水泥的水化放热速度快，远大于传热速度，故可把浇注初期的混凝土作为绝热温升处理。计算中采用混凝土的绝热温升的温度作为混凝土的初始温度。混凝土放热主要在7～12d完成[4，5]，即混凝土在入模后7～12d 内放出绝大部分水化热使其升温。所以，将混凝土的绝热温升作为其初始条件，这样的考虑对混凝土达到龄期(28 d)后的强度的计算结果不会产生很大的影响。

　　3、冻土区桩基础施工技术

　　3.1施工准备

　　(1)进场前认真学习冻土知识和相应的规范、细则；

　　(2)桥梁施工前应仔细核对设计文件，对桥梁位的地质进行全面与核实，必要时进行补充地质勘探；

　　(3)认真做好设备的选型和配套工作，施工机械尽量采用适应高原的高效率机械，并充分考虑功率的降效；

　　(4)根据施工进度计划，做好施工的采购和储备；

　　(5)测量控制桩设置在稳定土层或基岩上，用混凝土包裹防护，埋入冻土层的控制桩跨冻融季节使用时，埋深≥2倍的天然上限，桩周回填粗粒土，以防冻融引起桩位变动；