凍土地區(qū)樁基礎施工問題的簡要研究

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凍土區(qū)橋梁樁基礎施工,會給凍土引進一定的熱量,這些熱量在自然回凍過程中傳到周圍的多年凍土中,破壞凍土的穩(wěn)定凍結狀態(tài)。尤其是混凝土灌注樁中的水化熱會給穩(wěn)定的凍土帶來很大的熱擾動,可能會導致凍土的凍結強度降低,致使樁的承載力嚴重下降,直接影響施工進度。所以,研究大氣溫度、水文地質(zhì)條件、入模溫度、凍土本身的負溫對樁自然回凍的影響及其計算模式,可以為施工計劃的制定提供理論依據(jù),有很重要的實用價值。

　　1、凍土地基的工程特性

　　(1)凍脹性

　　在自然界中,受大氣溫度變化的影響,土體中的水分產(chǎn)生相變,從而土體積膨脹或收縮,膨脹現(xiàn)象,稱為土體的凍脹,收縮現(xiàn)象,稱為凍土融化。膨脹現(xiàn)象,是由于土體在凍結過程中,水分凍結成冰,體積膨脹而引起的。土體的的凍脹性受土體埋深、土體含水量、土顆粒粒徑、土體密度等因素影響。凍土地基的凍脹性,是影響多年凍土區(qū)工程結構物尤其是橋梁工程穩(wěn)定性的重要因素。

　　(2)凍脹力

　　地基土凍結時,封閉體系中,凍土水分凍結體積擴張的內(nèi)應力,開放體系中,孔隙水侵入推開土顆粒并凍結所產(chǎn)生的力,稱為凍脹力。凍脹力作用于基礎表面,當工程結構物的重量和附加荷載不足以與之平衡時,結構物將在凍脹力的作用下產(chǎn)生凍脹變形,嚴重將引起結構物的破壞。根據(jù)凍脹力作用于基礎表面的部位和方向,可劃分為切向凍脹力、水平凍脹力和法向凍脹力三種形式。切向凍脹力,即平等作用于基礎側表面上的力,法向凍脹力指垂直作用于基礎側表面上的力,法向凍脹力指垂直作用于基礎底面上的凍脹力。切向凍脹力是作用于凍土區(qū)基礎上的主要力系之一,如果設計時對此考慮不當,則會引起基礎在切向凍脹力的作用下產(chǎn)生上拔變形,甚至破壞。

　　(3)融沉性

　　凍土融化過程中,在自重壓密作用下,不斷產(chǎn)生下沉伴隨著孔隙水的消散,即為凍土融沉性。這個過程不僅是由于凍土中冰轉變成水的相變時的體積減小,更重要的是在此過程中產(chǎn)生孔隙水的消散與排泄,土體的孔隙比減小,凍土的融沉性與凍土的粒度成分,含冰量密度及孔隙水的消散等因素密切相關。

　　2、凍土區(qū)樁基礎施工技術

　　2.1 施工準備

　　(1) 進場前認真學習凍土知識和相應的規(guī)范、細則;

　　(2) 橋梁施工前應仔細核對設計文件,對橋梁位的地質(zhì)進行全面調(diào)查與核實,必要時進行補充地質(zhì)勘探;

　　(3) 認真做好機械設備的選型和配套工作,施工機械盡量采用適應高原的高效率機械,并充分考慮功率的降效;

　　(4) 根據(jù)施工進度計劃,做好施工材料的采購和儲備;

　　(5) 測量控制樁設置在穩(wěn)定土層或基巖上,用混凝土包裹防護,埋入凍土層的控制樁跨凍融季節(jié)使用時,埋深≥2倍的天然上限,樁周回填粗粒土,以防凍融引起樁位變動。

　　2.2施工工藝和方法

　　(1) 鉆機選擇:通過青藏鐵路施工中的經(jīng)驗以及滿足快速施工的原則,在樁基施工時宜采用旋挖鉆機成孔。

　　(2) 施工準備:首先測量放樣,定出基礎各樁的樁位。樁的縱橫允許偏差≤±5cm,并在樁的前后左右設置護樁,以供隨時檢測樁中心和標高。鉆孔場地布置盡量以填代挖,以減少對原地表開挖引起的熱擾動。鉆機底座下發(fā)動機散熱部分宜鋪設聚苯乙烯泡沫塑料隔熱板,以減少對地基土的熱侵入。

　　(3) 埋設護筒:在青藏線,護筒除保護孔口,使鉆孔作業(yè)正常進行外,還是采取有效措施,從而降低凍土對樁基礎抗拔力的載體。具體的做法是,將護筒(下轉131頁)(上接130頁)埋入凍土上限以上一定深度,并按設計要求外表面涂以渣油,成樁后不拆除護筒,以減少外表面的親水程度,減小凍土對樁基礎上拔力。護筒宜采用5～6mm 厚的鋼板卷制,內(nèi)徑比樁徑大15～20cm;在多年凍土地區(qū)護筒埋至凍土上限以下≥0.5m;由于護筒外表面要涂渣油,其埋設方法與常規(guī)有所不同。當?shù)乇硗练€(wěn)定性較好,施工過程沒有地表水時,在鉆機就位后,先用比護筒直徑大一級別的螺旋鉆頭施鉆,鉆至凍土上限以下>0.5m深度后停鉆,安放護筒。安放前,護筒外側預先滿涂渣油。護筒準確就位后,護筒外側與孔壁所形成的空隙用渣油拌制的粗粒土回填密實。

　　(4) 鉆機就位:鉆機利用自動系統(tǒng)就位。鉆孔前,應調(diào)整機架桿垂直、位置正確,防止因鉆桿晃動引起擴大孔徑及增加孔底虛土。

　　(5) 旋挖鉆機干法鉆孔:護筒埋設完成后,進行正式鉆進。旋挖鉆進是利用旋挖鉆頭鉆桿頂?shù)囊簤厚R達往下壓,同時利用旋挖鉆頭旋轉切入土體,土被擠入料斗中,再提出孔外,直接裝入自卸汽車。鉆進過程中,根據(jù)地質(zhì)情況選用不同的鉆頭。

　　(6) 濕法作業(yè):在粘性土、砂類土、碎石類處于地下水位以下,干法作業(yè)不能保證孔壁穩(wěn)定時,采用濕法作業(yè)。濕法作業(yè)在干法作業(yè)基礎上增加以下內(nèi)容:

　?、倌酀{拌制及廢碴處理:鉆孔泥漿采用優(yōu)質(zhì)粘土,采用制漿機制漿,存入鋼制泥漿池中?，F(xiàn)場設泥漿池、沉淀池各一個,串聯(lián)并用。鉆孔樁所需泥漿不得隨意就地排放,不得就近挖坑作泥漿池。鉆孔過程中,沉淀了中沉淀的廢碴由人工裝入泥漿車外運至

　　設計指定地點傾倒。

　?、阢@孔:開鉆時,先低檔慢速鉆進,鉆至護筒下1m后,再以正常速度鉆進。在鉆進過程中,經(jīng)常注意進行泥漿循環(huán),將鉆渣撈取,沉淀后及時排除,并隨時注意土層變化,對不同的土層采用不同的鉆速、鉆壓、泥漿比重。

　?、矍蹇?當鉆至設計標高后,經(jīng)巖樣確認到位后,停止鉆進并及時清孔。清孔采用換漿法。將鉆具提起約30cm ,鉆頭不停轉動,泥漿循環(huán)不斷進行。不得用加深孔深來代替清孔。

　?、軝z孔:成孔過程中及成孔以至灌注混凝土之前,對鉆孔的孔深、孔徑及孔底質(zhì)量情況進行檢查。成孔之后用籠式探孔器檢查孔徑及孔形。

　　(7) 鋼筋籠制作與安裝:根據(jù)青藏鐵路的特殊環(huán)境,針對低溫條件,鋼筋籠的加工、焊接、安裝應符合以下要求:鋼筋接長采用預熱閃光對焊或閃光→預熱→閃光焊工藝。鋼筋端面比較平整時,采用預熱閃光焊,端面不夠平整時,采用閃光→預熱→閃光焊工藝。

　　針對凍土區(qū)橋梁樁基施工,必須改變沿用的消極被動保護凍土的措施, 采用積極主動的保護凍土措施, 即冷卻地基的辦法,以確保工程的穩(wěn)定。主要措施一般包括通風管、拋石護坡與碎塊石互層通風、熱棒(樁)、遮陽棚、熱半導體保溫材料和人工凍結技術等方面,作為主動的地溫調(diào)控技術,這幾種措施在不同的范圍內(nèi)均有效果,都可以有效地抬升多年凍土上限,保護凍土路基穩(wěn)定性。因此,主動的地溫調(diào)控技術作為保護凍土路基的措施是一條可行的方法,可以不同程度的在寒區(qū)工程建設中使用。