多年冻土地区桩基回冻规律分析.docx

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多年冻土地区桩基回冻规律分析

西部交通建设科技项目

多年冻土地区桥涵工程技术研究

报告简本

黑龙江省交通科学研究所

中交第一公路勘察设计研究院

青海省公路科研勘测设计院

东北林业大学土木工程学院

中文题名

多年冻土地区桥涵工程技术研究

英文题名

Researchofthebridgeandculvertengineeringtechnologyinpermafrostregion

交通编号

项目来源

交通部

分类号

合同号

20023187740631877406

第一完成

单位

黑龙江省交通科学研究所

项目

负责人

慕万奎（高级工程师）

报告

撰写人

慕万奎

项

目

主

要

参

加

人

黑龙江省交通科学研究所：

慕万奎、滕飒、曾明鸣、王兴隆、高伟、戴惠民、王晓湘、张玉富、孙巍、张锡刚、赵彤

中交第一公路勘察设计研究院：

周纲、章金钊、张继民、胡崇武、任玉林

青海省公路科研勘测设计院：

房建宏、徐安花、李焕青、马平安、黄波

东北林业大学土木工程学院：

贾艳敏、郭红雨、朱德举、王欣男、李志军、岑成贤、徐连净

黑龙江省交通厅：

白海莹、唐林鹏

黑龙江省公路勘察设计院：

辛德仁、信岩

长安大学：

袁喜中、王峰、卢军彪

东南大学：

戴群、龚维明

哈尔滨工业大学：

徐学燕、巴恒静、杨英姿、袁杰

黑龙江大学王莉

龙建路桥股份有限公司：

许国柱、宋洪泉、仁建章

大兴安岭地区行署交通局：

刘忠、稽东明、孟飞

主题词

西部交通建设科技项目，研究报告，简本

关键词

多年冻土区，桥涵工程，基础稳定，结构及材料设计方法、

施工工艺，桩基承载力，地基回冻，结构设计、混凝土，抗冻耐久性

前言：

项目研究的目的与意义：

我国多年冻土地区公路桥涵构造物冻害现象严重而普遍，严重影响正常的交通运输，危害人民生命财产安全，给国家和人民造成重大经济损失。

西部开发是党中央发展国民经济的一项重要战略任务，对整个中西部地区的未来发展必将产生深远的影响。

该课题研究主要针对我国东北部兴安岭、西北部青藏高原等多年冻土地区的自然环境及水文地质特征、多年冻土特征、桥涵冻害特征，研究解决多年冻土地区桥涵工程技术问题。

多年冻土地区桥涵工程技术研究，不仅对我国多年冻土地区公路桥涵工程的结构、材料设计、施工以及后期工程养护具有现实的指导意义，也会为多年冻土地区工业、民用建筑、铁路、水利等基础设施的建设提供重要参考。

同时，通过实际工程的推广和应用，可在提高多年冻土地区桥涵构造物的质量和耐久性、延长使用寿命，减少工程维修养护费用，提高公路运营效率等方面均具有较好的社会经济效益。

研究主要内容：

●涵洞基础、桥梁桩基稳定性研究；

●桥梁结构及材料设计方法和施工工艺研究；

●涵洞结构及材料设计方法和施工工艺研究；

●桥涵基础混凝土抗冻耐久性研究。

预期目标：

●提出土冻胀力、冻结力对桥梁桩基的影响与设计考虑；

●提出多年冻土区涵洞基础稳定性设计原则与设计方法；

●提出多年冻土区桥涵结构设计方法与施工工艺；

●提出多年冻土区桥涵基础混凝土材料设计方法和施工工艺；

●提出耐久性抗冻混凝土级配原则和优化设计；

●提出多年冻土区桥涵基础混凝土抗冻技术和冻害治理措施。

1.多年冻土地区桥涵病害与防治

1.1多年冻土地区桥梁病害主要类型

⑴桥涵基础变形：

主要表征为基础冻胀和融化下沉，桥面弯曲变形，涵身倾斜、断裂。

图1-1。

⑵桥梁基础混凝土劣化：

主要现象有混凝土开裂、剥蚀、保护层脱落、钢筋暴露并锈蚀。

图1-2。

⑶防护工程破坏：

主要表现为锥形护坡沉陷、八字墙移位和倒塌。

图1-3。

图1-1图1-2图1-3

1.2多年冻土地区桥、涵病害防治原则

1）保护多年冻土环境原则。

2）减小和消除热干扰原则。

3）维持原有水文和水文地质条件不变原则。

4）减小和消除冻胀力原则。

2.桥梁桩基荷载试验分析

2.1昆仑山桩基试验简介

试桩工程位于昆仑山垭口附近，青藏公路K2896+150右侧,海拔高度4700m。

该场地冻土上限为2.1m。

季节活动层深度为1.5～2.1m，多年冻土下限为100～110m，年均地温-1.8℃，冻土类型为多冰冻土或富冰冻土，地层岩性：

0～2.5米为粉质粘土，2.5米以下为砂砾土和粉砂土。

2004年6月9日，完成两根钢筋混凝土试桩的施工。

试验方法采用自平衡法，整桩分成上部、下部和桩端三部分试验。

7月21日～25日（成桩42天后），第一次荷载试验。

桩侧表面冻土平均温度恢复到-0.6℃，季节融化深度1.6米，混凝土强度达到设计强度。

9月4日～9月5日（成桩87天后），第二次荷载试验。

桩侧表面冻土平均温度-1.5℃，季节融化深度1.9米。

主要技术参数如表2-1。

2.2主要试验成果

⑴试验条件下，桩底承载力占总承载力的百分数在28～38之间，平均为33.4％。

⑵桩长15米，桩径1.2米，桩侧冻结界面和桩底多年冻土地基可以协同工作。

即在计算多年冻土中桩的允许承载力和极限承载力时，可以同时考虑桩侧冻结力和桩底承载力。

⑶通过本次试验，得到桩土界面冻结强度、桩底抗压强度随时间的增长曲线如图2-1和2-2。

⑷试验条件下，桩的允许承载力和极限承载力，如表2-2。

表2-2试桩允许承载力和极限承载力

试验桩施工与桩基静载试验图片

3多年冻土地区桩基回冻规律分析

3.1地温场观测方案

3.2部分试验观测成果

图3-2地表下5米处的地温时间曲线图3-3地表下10米处的地温时间曲线

3.3回冻时间计算

混凝土灌注桩回冻至起始冻结温度所需时间，可用下面经验公式计算：

（3-1）

式中：

t-起始回冻时间（天）；Q-桩周融土冻结时放出的潜热（千卡），λf-冻土的导热系数（千卡/m.h.℃），Tcp-多年冻土的年平均地温（℃），Tf-桩周融化土的起始冻结温度（℃），

K-修正系数。

根据桩体侧面融化冻土达到冻结起始温度所需时间与桩侧冻土的初始温度的关系曲线（图3-4），低温多年冻土地基中钢筋混凝土钻孔灌注桩，在混凝土浇筑10～20d后，桩侧融化冻土即可达到冻结起始温度；而在高温多年冻土地基中，则需在混凝土浇筑40d或更长时间后，桩侧融化冻土才能达到冻结起始温度。

在某些情况下，桩侧融化冻土甚至不可能再回到冻结状态。

3.4混凝土入模温度、水泥水化热对回冻时间影响分析

根据图3-5和图3-6，降低混凝土入模温度和水泥水化热能够在一定程度上缩短回冻时间，但不十分显著，其变化幅度基本维持在3～5天左右，对工程来说，实际意义不大。

4多年冻土地区桥梁钻孔灌注桩的设计与计算方法

4.1桩周融土回冻前，桩垂直承载能力的计算

⑴桩侧融土正压力（σx）：

桩周融化冻土为粗颗粒土时：

桩周融化冻土为细颗粒土时：

⑵桩基回冻前的承载力计算：

P=m·σx·A+[σ].F（4-1）

4.2桩基回冻后垂直承载力计算

桩的允许承载力由桩侧冻结力（有效桩长Le范围内的冻结力）和桩端抗力

组成。

可用下面公式计算：

（4-2）

4.3桩上荷载施加时间（中期回冻时间）的确定方法

⑴通过计算或荷载试验确定桥梁桩基承载力与回冻时间的关系曲线

P（t）；如图2-1，2-2。

⑵通过混凝土试验确定低温环境条件下混凝土强度随时间增长规律

R（t）和满足施工要求的混凝土强度R；

⑶计算桩上荷载（包括施工荷载）Ti，应按乘台、墩柱、盖梁和桥梁上部分部计算、分部叠加。

⑷当P（t）＞Ti且R（t）＞R时，时间t既为桩上荷载施加时间。

据此，可以提前施工加载，可大大缩短施工工期。

5低热、早强灌桩混凝土

5.1混凝土养护条件

课题组在青藏公路昆仑山桩基依托工程进行的地温观测，测得桩侧（桩与冻土交接处）温度变化规律，以此作为实验室模拟现场温度条件。

试件养护设备采用温度可在正负温之间进行温度控制的大型移动式低温箱。

模拟现场养护温度如表5-1所示。

表5-1灌桩混凝土养护温度表

养护时间

0～2天

3～5天

6～10天

11～15天

16～30天

31～56天

养护温度

10℃

5℃

1℃

0℃

-0.5℃

-1.0℃

5.2混凝土强度发展规律

依据上述混凝土配合比和试件养护温度，混凝土坍落度控制在规定范围内，浇注成型后，移至低温养生箱内，待至规定的试验龄期进试验。

抗压强度实验结果如图5-1。

5.3灌桩混凝土早期抗冻性与抗冻耐久性问题分析

根据多年冻土中桥梁桩基础温度场观测与回冻规律分析以及回冻时间计算都表明：

桩基边缘混凝土达到其始冻结温度所需时间为12～15天以上；根据现场条件下混凝土强度发展规律表明：

12～15天以后，灌桩混凝土强度达到15MPa以上；根据负温养护环境条件下混凝土抗冻临界强度有关规定，C30混凝土的抗冻临界强度为9MPa。

因此，多年冻土中桥梁钻孔灌注桩混凝土在回冻到起始冻结温度时，混凝土强度已经大大超过抗冻临界强度。

通过上述分析表明：

多年冻土地区桥梁钻孔灌注桩混凝土完全可以不考虑早期抗冻性问题，也不必为此添加抗冻剂和早强剂，在桩基承载力计算时也不必考虑因此而引起的冻结力折减，既冻结强度不必乘以0.7的折减系数，因此将大大提高冻土中的桥梁桩基承载力，并大大缩短了设计桩长。

根据多年冻土中桥梁桩基础温度场观测与回冻规律分析表明：

多年冻土中的桩基混凝土处于长期稳定的高负温环境中，混凝土基础与地基则不存在冻融循环，因此，也就不存在抗冻耐久性的问题。

6桥涵基础混凝土抗冻耐久性

为进一步模拟桥涵基础水位变化环境特点，本研究进行了在水中干湿循环试验，试验结果如图6-1所示。

a）

b）

图6-1水中干湿循环试验之后混凝土的性能

D-30H-30D-40H-40

a）

D-30H-30D-40H-40

b）

图6-2水中冻融、水中干湿及水中冻融+干湿试验的比较（50次）

由图6-1可以看出，在水中干湿作用下，混凝土抗压强度、抗折强度、动弹性模量及重量均无明显变化（抗压强度损失率甚至为负值）。

但是从图6-2混凝土在水中冻融、水中干湿及水中冻融+干湿试验中循环50次各指标损失率的比较结果可以看出，虽然混凝土在水中干湿循环作用下性能变化不明显，但干湿作用伴随着冻融循环时，耐久性发生明显劣化，且劣化程度比单纯水中冻融循环作用下更大，说明干湿作用加剧了冻融破坏作用，也即干湿作用与冻融循环交替进行所产生的效应并非是这两种循环单独作用效应的简单叠加，冻融+干湿交替破坏作用大于冻融循环与干湿循环破坏作用的简单叠加，即产生了超叠加效应。

7桥涵基础混凝土防护体系

桥涵基础结构由于所处环境、位置及桥梁大小不同，遭受侵入性破坏程度和防护要求应有所不同，对此提出如下建议防护体系。

表7-1多年冻土区桥涵基础混凝土防护体系

防护位置

防护等级

防护体系

说明

水位变化区

Ⅰ

抗冻耐久砼+钢筋防护+涂层防护

浪溅区

Ⅰ

抗冻耐久砼+钢筋防护+涂层防护

大气区

Ⅱ

抗冻耐久砼+钢筋防护

河滩桥

Ⅱ

抗冻耐久砼+钢筋防护

水下区

Ⅱ

防腐砼+钢筋防护

河水中含有有害化学成分

Ⅲ

钢筋防护

河水中无有害化学成分

季节活动层

Ⅱ

防腐砼+钢筋防护

土中含有有害化学成分

Ⅲ

钢筋防护

土中无有害化学成分

旱地桥

Ⅲ

抗冻耐久砼

注：

大气区：

设计高水位+1.0m；

浪溅区：

设计高水位+1.0m至设计高水位减0.5m；

水位变化区：

设计高水位+0.5m至设计低水位减0.5m；

水下区：

设计低水位减0.5m以下。

8本项目的创新

⑴首次采用自反力试验装置进行冻土桩基承载力试验，一次完成荷载箱上部桩的抗拔试验、荷载箱下部桩的抗剪强度试验和桩底多年冻土的承载能力试验。

⑵首次分析了桩周冻土融化过程中桩基承载力生成特点，提出了桩周融化冻土回冻前桩基承载力计算方法。

⑶首次提出了桩周融化冻土回冻时间计算方法、上部荷载施加时间的计算方法。

⑷首次提出了多年冻土地区公路桥涵基础混凝土的防护等级划分与混凝土防护体系。

⑸提出了多年冻土地区公路涵洞病害分类与防治对策。

⑹首次提出多年冻土中的钻孔灌注桩混凝土的养生环境和工作环境均为恒定的高负温环境，无冻融循环过程发生。

多年冻土中灌桩混凝土不存在早期抗冻性问题，无需添加防冻剂，也无需对混凝土提出抗冻耐久性要求。

更新了多年冻土地区桥梁钻孔灌注桩混凝土设计的理念。

提高了钻孔灌注桩的承载能力。