冻土区桥梁群桩基础地基回冻过程的非线性研究

吕亚洲

摘要：桩基础工程场地，会遇到不同类型的冻土，为保证冻土区桥梁或建(构)筑物的基础稳定和承载及变形要求，近年常采用钻孔灌注桩。本文结合具体的工程建设，就钻孔灌注桩的施工方法、混凝土浇筑后融化及回冻规律、桩侧冻结强度与桩周地温的关系、基桩的承载力与变形性质等展开研究。

关键词：冻土区、桥梁群桩基础、回冻过程、非线性研究

中图分类号：K928.78文献标识码：A 文章编号：

1、引言

我国冻土面积，占国土面积的22.4％、约210万km2。主要分布在黑龙江省和内蒙古北部，西藏的中部和北部，青海大部，新疆的帕米尔高原、天山山脉、阿勒泰，甘肃的祁连山区等。所谓冻土区，是指含有冰的土(岩)，而冻结状态持续二年及二年以上的区域我们称之为多年冻土区域。随着在冻土区工程建设的大规模开展，冻土地区现已成为人类生产生活和工程建设的场所。尤其是近些年来青藏铁路、青藏公路、西油西气西电东输和东北、甘肃、青海、新疆地区的工程建设，为冻土区桥梁群桩基础工程的研究提出了新的挑战。

2、冻土区桥梁群桩基础地基回冻过程研究的意义

20世纪初到现在，全球气温已上升2℃，据气象学家预测、在未来50年全球气温将上升2℃，冻土区桥梁群桩基础地基回冻过程越来越复杂。气温升高，造成冻土上限下降，必将对桩基础的正常承载造成危害。桩周土暖季融沉会对桩体造成负摩阻力，导致桩顶变形增大。由暖季进人寒季，又会造成季节活动层桩侧切向冻胀力的增大，会造成冻拔变形，同样会给上部结构造成危害。如何减小因冻土退化造成的对工程建(构)筑物的危害，是值得从技术层面解决的现实问题。

3、冻土区桥梁群桩基础工程的关键技术

冻土场地桥梁群桩基础设计和施工，应考虑地形、地貌、冻土类型、气温、地温、上限深度、潜水赋存等因素，通常采用“保护冻土”原则，即在使用年限内，始终保持人为上限以下的冻土处于冻结状态。衡量冻土热稳定性最重要的能量指标，是冻土的年平均地温，它的量值和变化是区域气候、气温变化在冻土层中最直接的响应。因此，必须首先确定大气环境的状态演变，并对冻土进行分带或分区，以确定设计及施工的适用原则。

多年冻土桩基础工程的关键技术，包括施工工艺、桩身材料性质、施工对桩周冻土的扰动、桩基础与桩周冻土的相互作用、桩周冻土融化与回冻规律、桩的承载性质、桩周冻结强度的取值与冻土性质、地温的关系等。本文中，主要结合具体的工程实践对钻孔灌注桩的施工技术、回冻规律及不同条件下基桩承载性状开展研究工作。

4、工程概况

某大桥具体地质情况如下：地层主要为第四系上更新统积细、粗圆砾土。桥址处的地震动峰值加速度值为0.20g，相当于地震基本烈度8度，地震反应谱特征周期采用0.40s。本桥所在区域土壤最大季节冻土深度106cm。本区段内地层简单、稳定，无重大地质构造和不良地质现象。桥址区无常年流水，雨季有流水，水量随降雨强度变化较大；地下水埋深较深但水量丰富。桥墩台采用炭化环境T2级，基础采用H1级进行耐久性设计。

5、钻孔灌注桩的施工方法与回冻规律

5.1、施工方法

结合本工程实例，对于桩基础施工，将涉及对原状冻土的热扰动、施工机械的选择、浇筑混凝土人模温度等一系列技术措施。过去，往往采用与一般地区相同的施工方法，对大直径桩采取人工挖孔桩，对小直径桩采用螺旋钻成孔。结合以往在此类区域建设过程中的实践经验，对大直径桥梁群桩可使用旋挖钻机成孔，它施工速度快、对冻土扰动小、回冻时间缩短，可取得明显效果，但设备昂贵。

钻孔灌注桩，要严格控制桩体混凝土材料的性质及浇筑速度和温度，是减小混凝土水化热对桩周冻土的融化、减小冻土融化圈、缩短基桩回冻时间的有效措施。对低温混凝土的改良，与之前相比，已不用氯化盐类早强剂，代之以硅粉作添加剂，可减少氯化盐对钢筋和混凝土的腐蚀。低温早强混凝土的浇筑温度，通常控制在5℃以下，并需考虑混凝土搅拌温度、运输距离、施工季节等因素。

5.2、回冻规律分析

钻孔灌注桩的回冻与承载力密切相关，这是近年来研究的主要技术问题之一。多年冻土的赋存环境复杂，如地下水的作用，施工扰动及桩身混凝土浇筑后混凝土水化热对桩周土体产生影响，不同类型冻土区中钻孔灌注桩的回冻规律呈现出不同的特点。诸多文献表明，钻孔灌注桩在不同冻土区和不同冻土类型，桩周土层的地温通常在桩身混凝土浇筑后3～4天内急剧升高，造成桩周土体的融化、形成融化圈，其后的回冻规律又呈现出不同特点，分别与成孔工艺、混凝土浇筑温度、混凝土材料性质、冻土天然地温、混凝土水化热等有关。如低温冻土区(年平均地温小于-3℃)，钻孔灌注桩在桩身混凝土浇筑7天后即出现负温，而且地温下降梯度很大，桩身混凝土达到设计强度时(28天)，桩壁地温已接近天然原始地温。高温不稳定区基桩回冻时间大约为60天；高温极不稳定区基桩回冻时间大约为120天，时间很长；厚层地下冰地区冻土如果受到扰动，其地温恢复非常缓慢，甚至150天不能恢复至原始地温；融区与多年冻土区过渡带段，混凝土浇筑后110天基桩尚不能回冻。由此可见，钻孔灌注桩施工，对冻土层的赋存环境影响很大。桥梁基础群桩施工中，由于桩间距较小，造成群桩区域的地温升高、回冻过程缓慢。因而，在群桩基础施工过程中应注意混凝土人模温度的控制及基桩的施工顺序。

6、钻孔灌注桩的承载性状分析

对冻土区钻孔灌注桩承载性状的研究，近年来得到长足进步，随着计算技术的进步，研究逐渐深入。在工程实践中，可根据桩土共同作用的工作特性，引入非线性接触单元，将冻土地基的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模式与混凝土桩联系起来，建立了冻土区桩土共同作用的热弹塑性蠕变非线性有限元计算模型，该计算模型能较好地体现桩土共同工作性能；另外还可以用无厚度非线性接触面单元模拟桩土界面，用双曲线非线性模型模拟冻土本构关系，编制三维非线性有限元计算程序，计算分析桩周冻土温度、桩径、桩长与桩侧冻结力间的关系，增大桩径是提高工程桩承载力、减小沉降量的有效措施，而增大设计桩长对提高工程桩承载力作用较小。

各类试验及计算表明，钻孔灌注桩桩侧冻结力、桩底承载力与地温密切相关，同时桩侧冻结力的发挥存在强烈的流变性。高温细颗粒不稳定区大直径钻孔灌注桩在未回冻条件下承载力很低，有残余变形量，不宜承载；而低温冻土区大直径钻孔灌注桩在未回冻条件下，可以根据具体情况、承受一定量的荷载。大直径钻孔灌注桩的水平承载性质问题，地基系数值与冻土类型、地温、桩的刚度等因素有关；在青藏铁路多年冻土区大直径钻孔灌注桩夏季水平载荷试验中，三个试验场地的试验结果得到的m值为19600～29000kPa／m2。由于桩周冻土的强流变性及桩土界面的特殊性，在多年冻土区基桩试验加载过程中采用国家行业规范《冻土地区建筑地基基础设计规范》

7、结语

近年来，随着全球气候变暖和人类工程活动加剧，导致冻土的热平衡状态发生变化。冻土退化问题逐渐引起人们的重视，冻土环境与工程建设间的相互作用成为目前研究工作的热点问题。如何有效地保证多年冻土地区工程的稳定性，是当前国内外研究中急需解决的课题。

参考文献：

[1]赖远明，张明义，李双洋等著,寒区工程理论与应用,科学出版社,2009.03.

[2]刘辉，桩基工程，清华大学出版社,2009.08.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。