冻土区桥梁桩基监测预报预警系统研究及应用

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：旱桥桩基已经成为青藏铁路跨越极不稳定地层尤其是河湖遍布、地下冰发育、冻结层上水丰富如沱沱河、楚玛尔河、清水河等地区的主要路基形式之一，得到比较广泛的应用。分析桩基病害情况及其影响因素，研究人员认识到，冻土区桩基设计往往来考虑桩基的抗冻拔能力，我国东北地区的寒区结构物如桩、柱基础经常发生冻拔破坏。表1-1国内多年冻土区桩基试验研究基本状况

作为一种古老的基础形式，桩基础虽经历了上万年的应用历史但其技术仍在不断发展，特别是20世纪80年代以来，桩基技术得到了广泛关注，更是成为国内外科技热点之一。在多年冻土地区也有大规模研究和应用，如北美地区1989～1992年期间建造的一批短波雷达站（SSR）共使用桩基础超过7000根，并对其中280余根桩基础进行了荷载试验［5］。全球多年冻土的分布特征决定了桩基础的应用及其研究也主要集中在俄罗斯（苏联）、北美地区和中国等地。其中，北美地区主要集中在桩基的设计、施工方法、桩基受力的力学行为以及不同桩型的承载力改善方面，尤其在对采用特定施工方法的桩基的轴向受荷性状的研究方面取得了较大的进展，但是对于气候季节性变化条件下的桩基工作情况研究较少。其对桩基的研究大多限于钢桩，直径较小。美国陆军部寒区研究与工程实验室（CRREL）从二战开始，为解决阿拉斯加等寒区道路、机场及其他军事设施的建筑问题开展调研，总结出大量多年冻土区特殊工程的设计标准与施工准则的素材。CRREL出版了《深季节冻土区和多年冻土区基础设计和施工》一书，提出了深季节冻土区和多年冻土区特殊工程设计标准和施工准则。俄罗斯在工程中所采用的桩基类型较为广泛。俄罗斯是世界上最早注意到冻土区建筑条件的国家。早在1904年修建阿穆尔和外贝加尔铁路时就遇到了大量的冻土问题，《多年冻土的工程地质和铁路建筑》一书［6］，阐述了在永久冻土条件下建造建（构）筑物的方法，为冻土学的发展做出了巨大的贡献，促进了冻土研究工作。我国自20世纪60年代开始在多年冻土地区使用桩基并进行试验，在对桩基的合理设计、单桩的承载特性、桩周土体的回冻分析、低温混凝土的使用以及基础的抗冻拔等方面研究较多。近年来，随着我国西部大开发的开展，寒区建筑工程建设更是蓬勃发展。旱桥桩基已经成为青藏铁路跨越极不稳定地层尤其是河湖遍布、地下冰发育、冻结层上水丰富如沱沱河、楚玛尔河、清水河等地区的主要路基形式之一，得到比较广泛的应用。如兴建中的青藏铁路格拉段就修建了150km长的旱桥［7］，超过不稳定地段冻土路基总长度的25%，其中位于青海境内海拔4600米的清水河特大桥全部采用8.0m小跨简支梁方案，共有2878根桥桩、1367个桥墩台，由每墩两个直径1.25m或者1.0m的混凝土灌注单桩组成群桩，全长11.7km，为青藏铁路第一长桥。

分析桩基病害情况及其影响因素，研究人员认识到，冻土区桩基设计往往来考虑桩基的抗冻拔能力，我国东北地区的寒区结构物如桩、柱基础经常发生冻拔破坏。这种病害的总体特征是：①沿纵向在立面上呈“罗锅形”；②沿纵向在平面上成折曲形；③上抬量逐年累积和加剧。桩基础一旦产生冻拔，则拔出后不能恢复原位，冻拔量将逐年累积，由于埋入土中部分不断减小，冻拔量则逐年加剧，一直到由于上抬量过大使桥丧失工作性能。刘迎春等在吉林公主岭地区曾观察到18cm的土层平均冻胀量，在两年内两桩冻拔量分别达到12mm和6mm，上拔力分别达到213kN和240kN。

国内在冻土力学以及冻土与桩的相互作用研究方面起步较晚，主要是由于我国在对寒区建设的开发较晚。20世纪50年代，随着青藏公路等基础设施建设的需要，冻土力学研究才慢慢起步。对冻土特性的研究尚处于探索之初，对于在冻土地区的建筑物的基础形式、热稳定性、受力特点等，一般是参考普通土中的基础，针对冻土的特性是依据试验、经验等进行设计的［8］。我国先后颁布并施行了《冻土地区建筑地基基础设计规范》［9］《多年冻土的工程地质和铁路建筑》［10］《渠系工程抗冻胀设计规范》［11］和《水工建筑物抗冰冻设计规范》［12］。自20世纪70年代以来，有众多的学者对冻土中桩基础相关的问题进行了研究。铁道第三勘察设计院、伊图里河铁路分局等单位在高纬度冻土区大兴安岭牙林线、伊满线和潮莫线建设中，对沿线的站场房屋建筑进行了桩基试验研究。铁道部科学研究院西北研究所、交通部第一公路勘察设计研究院等单位结合青藏公路建设，在高原多年冻土地区的五道梁、清水河、楚玛尔河和昆仑山口建立桩基试验场，进行荷载试验和施工工艺研究，取得了一系列极具价值的研究成果，见表1-1。

表1-1　国内多年冻土区桩基试验研究基本状况

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