冻土区桩基监测预测系统研究

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-2青藏铁路旱桥在目前的桥梁工程中，采用的基础形式主要有刚性基础、桩基础、管柱、沉井等。冻土工程施工时，可根据工程需要选择合适类型的桩基以用于工程建设。关于冻土地区桩基类型的选择，不同国家有所差别。因而，在我国多年冻土区的桥梁地基基础工程中被广泛采用。

20世纪50年代，随着大兴安岭多年冻土区铁路的修建，国内多年冻土与多年冻土地基基础工程的研究拉开帷幕。20世纪60年代，为修建青藏铁路而开展的冻土工程前期研究，使我国多年冻土与多年冻土地基基础工程研究，进入全面、系统的发展阶段。在全球气候变化的背景下，由于冻土对温度的敏感性，使得冻土地温显著升高、融冻层增加，多年冻土呈现总体退化趋势，从而加剧了多年冻土区建（构）筑物热融沉陷与冻胀等工程病害的发生［5］-［7］。为控制冻土的冻胀融沉对道路及桥梁的不利作用，同时也为减小人为工程建设对青藏地区冻土扰动，以青藏高原为代表的多年冻土区在铁路及公路建设中大规模采用“以桥代路”形式［8］。青藏铁路格尔木至拉萨段全长1142km，共有675座桥梁，桥梁全长159.88km，相当于每7km铁路中就有1km桥梁。这些“以桥代路”工程（如图2-2）在多年冻土区的广泛使用极大地降低了工程建设对于青藏高原地区生态环境的影响。青藏铁路桥梁中，发生墩、台变形的多年冻土区桥梁共41座，其中较严重的16座分布在青藏铁路多年冻土区昆仑山至扎加藏布地区，总里程489km，横跨格拉段15个地貌单元中的9个，其中昆仑山山区1座，楚玛尔河高平原1座，五道梁山区2座，尺曲谷地3座，开心岭山区1座，通天河盆地2座，温泉断陷盆地1座，唐古拉山区5座。

图2-2　青藏铁路旱桥

在目前的桥梁工程中，采用的基础形式主要有刚性基础、桩基础、管柱、沉井等。但由于桩基础具有横截面小，施工时对于冻土扰动面较小，热渗量较小等优点而在多年冻土地区广泛使用［9］。世界各国在多年冻土工程中使用桩基基础形式已有80多年的历史。常用的冻土桩基类型如图2-3所示。

图2-3　常用冻土桩基类型

桩基具有其余基础形式没有的优点：可适应各种冻土工程地质条件，施工简便，无须挖掘基坑，承载能力大，对多年冻土地基的热干扰最小。冻土工程施工时，可根据工程需要选择合适类型的桩基以用于工程建设。关于冻土地区桩基类型的选择，不同国家有所差别。在世界范围内的各多年冻土国家，大多都不主张在多年冻土中采用钢筋混凝土钻孔灌注桩。在美国阿拉斯加的文耐特和费尔班克斯等地，曾采用过钢筋混凝土钻孔灌注桩。出现的问题是：水位变化带表层混凝土剥落，钢筋外露锈蚀；在年平均地温较高时，桩周融化冻土回冻时间长，甚至不能回冻；施工相对复杂等。因此，世界各多年冻土国家大多都不采用钢筋混凝土灌注桩。在美国和加拿大，多年冻土区的桥梁，常采用的桩有：普通钢管桩、工字型截面钢桩、螺旋钢管桩、钢管热桩和热棒钢管桩。在俄罗斯，则较多采用工厂预制的各种截面（圆型、矩型、工字型和十字型）的钢筋混凝土桩。采用各种截面钢筋混凝土桩的理由是：①减少混凝土桩的体积和桩的重量；②增加桩的冻结面积，从而提高桩的承载力。

我国多年冻土地区的桥梁基础大多采用桩基础［10］。但在20世纪50、60年代，则采用的多是明挖基础。自1970年开始，我国多年冻土区的桥梁基础就几乎全部采用桩基础了。在东北多年冻土地区的铁路和公路工程中，50年代则大多采用的是木桩基础。明挖基础施工，由于基坑开挖，使地基多年冻土暴露，从而给地基多年冻土的热干扰最大。加之混凝土整体圬工基础水化热的影响，明挖基础施工带来的热干扰往往要在施工后数月或数年才能完全消除。在我国，多年冻土中的桩基础大多采用钢筋混凝土灌注圆桩。研究和工程实践表明，多年冻土中的钻孔灌注桩具有适合我国实际情况的许多优点。如结构简单、施工方便，桩材可就地采取，桩尺寸不受限制，冻结强度较高，地基抗力系数较大等。因而，在我国多年冻土区的桥梁地基基础工程中被广泛采用。经多年研究和工程实践，在成桩工艺、组桩材料、桩基承载能力试验方法以及承载能力计算［11］等方面，都积累了许多成功经验。目前，我国多年冻土地区的桥梁几乎都是采用的钢筋混凝土钻孔灌注桩。在我国青藏高原地区，已有铁路桥梁约120km，全部都是采用的钢筋混凝土钻孔灌注桩。青藏铁路经过的高原多年冻土区，是中、低纬度地带海拔最高、多年冻土分布面积最广、厚度最大、温度较低的地区，其自然条件恶劣、工程地质条件复杂。青藏铁路格拉段穿越多年冻土区长度约547km，多年冻土的存在给青藏铁路的建设及运营维护带来困难。

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