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      嚴(yán)寒地區(qū)路基CFG 樁凍脹破壞機(jī)理研究

      2020-11-09 01:49:16劉慶軍
      工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2020年21期
      關(guān)鍵詞:凍脹力斷樁樁頭

      劉慶軍

      (中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司,濟(jì)南 250031)

      1 引言

      目前,我國(guó)在東北嚴(yán)寒地區(qū)已建成多條鐵路客運(yùn)專線并投入運(yùn)營(yíng)。后續(xù)多條線路正在施工或即將開(kāi)工,對(duì)于部分軟基段落,一般設(shè)計(jì)采用CFG 樁進(jìn)行處理。受工期影響,部分CFG樁需進(jìn)行越冬施工。根據(jù)哈(爾濱)牡(丹江)鐵路和哈(爾濱)佳(木斯)鐵路的施工經(jīng)驗(yàn),CFG 樁在施工完成后如未及時(shí)填筑路基需要進(jìn)行越冬時(shí),需對(duì)CFG 樁采取覆土措施,防止凍脹導(dǎo)致出現(xiàn)淺層斷樁【1】。即將外露的CFG 樁頂進(jìn)行覆土保護(hù),覆土厚度超過(guò)凍脹深度,以防止土壤凍脹對(duì)CFG 樁造成凍脹破壞。但該項(xiàng)處理措施的理論依據(jù)不足,且處理時(shí)需提前覆土,影響了正常施工,同時(shí)大量土方倒運(yùn),成本較高。為明確凍脹發(fā)育機(jī)理對(duì)CFG 樁的破壞,本文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)凍脹作用力進(jìn)行了理論計(jì)算,分析了凍脹發(fā)育機(jī)理,提出了新的防凍脹措施,并在牡(丹江)佳(木斯)鐵路施工過(guò)程中進(jìn)行了驗(yàn)證,明確了CFG 樁受凍脹破壞的影響因素,對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)鐵路路基CFG樁越冬施工具有一定的指導(dǎo)意義。

      2 工程概況

      牡佳高速鐵路均位于黑龍江省,根據(jù)既有氣象資料表明,沿線各地區(qū)歷年最冷月平均氣溫為-15.3~-18.23℃,累年極端最低氣溫為-32.8~-38.8℃,屬嚴(yán)寒地區(qū),沿線地貌主要為低山丘陵區(qū)及沖洪積平原,土壤最大凍結(jié)深度2.4m。鐵路路基軟基段落處理形式多采用CFG 樁形式。以牡佳高鐵佳木斯市樺南縣樺南鎮(zhèn)的CFG 樁段落為例,基底地層結(jié)構(gòu)自上而下分別為黏土(3~5m)、粉質(zhì)黏土(1~2m)、粗砂(2~4m)、礫砂結(jié)構(gòu)(2~6m),地下水埋深0.8~2.5m,主要賦存于黏性土及砂類土中,由大氣降水入滲補(bǔ)給和地下徑流補(bǔ)給,蒸發(fā)排泄,地下水及土壤對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。CFG 樁基礎(chǔ)樁徑為0.5m,采用長(zhǎng)螺旋鉆孔,管內(nèi)泵壓送混合料成樁工藝,樁體強(qiáng)度等級(jí)為C20,樁長(zhǎng)介于4.5~7.8m 之間。

      3 凍脹作用力的計(jì)算

      根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),路基工程CFG 樁基礎(chǔ)易受凍脹作用影響從而出現(xiàn)斷樁,導(dǎo)致出現(xiàn)較大的質(zhì)量破壞和經(jīng)濟(jì)損失,因此,準(zhǔn)確判斷CFG 樁凍脹破壞機(jī)理并提前采取規(guī)避措施成為嚴(yán)寒地區(qū)CFG 樁施工的首要任務(wù)。通過(guò)對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所受的凍脹作用力進(jìn)行分析,將凍脹作用力分為2 部分,分別為切向凍脹力和法向凍脹力。

      法向凍脹力為地基在上部荷載的作用下,擬計(jì)算的某一深度處凍結(jié)鋒面上,在基礎(chǔ)附加應(yīng)力擴(kuò)散面積之內(nèi)凍脹應(yīng)力的積分【2】,是基礎(chǔ)底部下臥土體發(fā)生凍脹時(shí)對(duì)基礎(chǔ)發(fā)生的向上的作用力,由于CFG 樁長(zhǎng)大于最大凍結(jié)深度,因此,在進(jìn)行受力分析時(shí),不予考慮法向凍脹力的影響。

      切向凍脹力是垂直于凍結(jié)鋒面,平行于基礎(chǔ)側(cè)面的凍脹力,當(dāng)土體向上凍脹時(shí),以凍結(jié)力為媒介,順著凍脹方向作用于基礎(chǔ)側(cè)面【3】,可分為單位切向凍脹力和相對(duì)切向凍脹力。單位切向凍脹力是指基側(cè)表面單位面積上的凍脹力,即切向凍脹總力除以凍土層中基礎(chǔ)的側(cè)表面積得到平均單位切向凍脹力。相對(duì)切向凍脹力是指基礎(chǔ)單位周邊長(zhǎng)度上的切向凍脹力,即切向凍脹總力除以基礎(chǔ)周邊長(zhǎng)度【4】。

      在進(jìn)行凍脹受力分析前,先確定現(xiàn)場(chǎng)路基基底土壤的凍脹級(jí)別和凍脹量,對(duì)土壤的凍脹性進(jìn)行分類。需要確定的相關(guān)參數(shù)包括土的名稱、凍前天然含水量ω(%)、凍結(jié)期間地下水位距凍結(jié)面的最小距離hw、平均凍脹率η(%)、凍脹等級(jí)和凍脹類別【5】。

      以佳木斯市樺南縣牡佳高鐵沿線路基基底土壤性質(zhì)進(jìn)行分析,確定凍前天然含水量為4%<ω<10%,凍結(jié)期間地下水位距凍結(jié)面的最小距離hw<1.5m,根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄G,將現(xiàn)場(chǎng)土壤界定為弱凍脹土。如表1所示。

      表1 單位切向凍脹力取值范圍

      3.1 總切向凍脹力計(jì)算

      根據(jù)相關(guān)公式,在有實(shí)測(cè)凍深的情況下,總切向凍脹力計(jì)算為:

      式中,T 為總切向凍脹力;τa為單位切向凍脹力,kPa;U 為樁在凍層內(nèi)周長(zhǎng),m;Hp為實(shí)測(cè)土的凍深,m;τ1為冰的單位切向凍脹力,kPa;Hp1為實(shí)測(cè)冰的厚度,m。

      根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)凍深及實(shí)測(cè)冰的厚度等參數(shù),得出總切向凍脹力T 的取值范圍為51.8~172.7kN。

      CFG 樁的強(qiáng)度等級(jí)為C20,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,C20 混凝土的抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度值之間的關(guān)系為【6】:

      式中,τ 為混凝土抗剪強(qiáng)度;fcu,k為混凝土抗壓強(qiáng)度,取值為20MPa;K 為混凝土抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度值取值系數(shù),取值0.095~0.121。

      CFG 樁中剪切應(yīng)力計(jì)算公式為:

      式中,T 為剪切應(yīng)力;A 為 CFG 樁截面面積;τ 為混凝土抗剪強(qiáng)度。

      在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),為確?;旌狭系谋盟停浜媳扰c混凝土配比相同,混合料抗剪力取下限,可得C20 混合料剪切應(yīng)力為372.8kN,通過(guò)上述計(jì)算可知,CFG 樁的樁身混合料抗剪應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于總切向凍脹力。因此,當(dāng)CFG 樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí),總切向凍脹力對(duì)CFG 樁完整性的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以造成剪切破壞。

      3.2 抗凍拔力計(jì)算

      根據(jù)切向凍脹力對(duì)樁基作用的分析,為保證CFG 樁抗凍拔穩(wěn)定性,必須保證凍脹區(qū)段的凍拔力小于CFG 混合料的容許應(yīng)力,即:

      式中,σ 為驗(yàn)算截面應(yīng)力,kPa;K 為結(jié)構(gòu)安全系數(shù),取值 1.2;T為總切向凍脹力,kN;P 為作用在單樁上的恒載,kN;G1為拉斷截面以上樁身自重,kN;F1為拉斷截面以上暖土層對(duì)樁側(cè)的摩阻力,kN;A 為拉斷截面面積,m2;[σ] 為材料容許應(yīng)力,kPa,CFG 樁C20 混合料容許應(yīng)力根據(jù)設(shè)計(jì)取值為1 100kPa。

      根據(jù)上述公式,以平均樁長(zhǎng)5.0m,平均凍脹深度2.2m,斷樁位置1.0m 為例進(jìn)行抗凍拔計(jì)算,按照總切向凍脹力為51.8~172.7kPa 的取值范圍,得出截面應(yīng)力σ 的取值范圍為-1 883.2~-1 144.0kPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混合料容許應(yīng)力。

      4 理論驗(yàn)證

      根據(jù)凍脹作用力計(jì)算結(jié)果,可以確定CFG 樁在經(jīng)過(guò)越冬后造成的斷樁破壞不是受凍脹力直接影響,通過(guò)對(duì)哈牡、哈佳鐵路施工時(shí)出現(xiàn)的CFG 斷樁進(jìn)行排查,發(fā)現(xiàn)越冬后斷樁的情況包括以下4 點(diǎn):

      1)機(jī)械擾動(dòng),CFG 樁在施工過(guò)程中大型機(jī)械在樁頂行走未采取保護(hù)措施,或樁頭開(kāi)挖時(shí)由于機(jī)械碰撞造成樁頭擾動(dòng);

      2)樁身垂直度偏差較大,通過(guò)對(duì)斷樁進(jìn)行開(kāi)挖,發(fā)現(xiàn)部分樁身垂直度偏差超標(biāo);

      3)樁頂存在“蘑菇頭”現(xiàn)象,樁頂標(biāo)高及超灌問(wèn)題未得到有效控制;

      4)受工期影響,部分CFG 樁為冬季施工,且施工完成后在CFG 混合料強(qiáng)度正常增長(zhǎng)前未采取有效的覆蓋保溫措施。

      根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,分析CFG 樁越冬后斷樁的原因如下:

      1)機(jī)械擾動(dòng)造成樁身上部受到擠壓破壞;

      2)樁身垂直度偏差較大,造成切向凍脹力和豎向凍拔力的累加,達(dá)到樁身抗剪極限,嚴(yán)重情況下導(dǎo)致樁身斷裂;

      3)樁頂擴(kuò)大,受凍土膨脹影響,樁頂周圍土體凍脹對(duì)擴(kuò)大的樁頭部分產(chǎn)生的凍拔力大于樁身斷裂截面以上的自重,導(dǎo)致斷樁問(wèn)題出現(xiàn);

      4)冬季施工時(shí),樁身在混合料未達(dá)到抗剪強(qiáng)度前受到切向凍脹力破壞,即冬季施工時(shí)未采取有效措施保證樁身混合料強(qiáng)度的增長(zhǎng),在急速降溫的情況下,造成切向凍脹力對(duì)樁身產(chǎn)生破壞。

      上述原因中,第1)條為施工工藝問(wèn)題,與是否越冬無(wú)關(guān)。針對(duì)第2)、3)、4)條原因,采取了下列措施進(jìn)行驗(yàn)證:

      1)嚴(yán)格控制樁身垂直度;

      2)避免冬季施工,所有CFG 樁施工在進(jìn)入冬季施工前結(jié)束;

      3)采取新工藝,在施工過(guò)程中通過(guò)小型挖機(jī)和人工配合,及時(shí)清理鉆渣,控制樁頂超灌,避免了“蘑菇頭”問(wèn)題的發(fā)生;

      4)選取了20 根樁進(jìn)行試驗(yàn),在越冬前切除樁頭后進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè),樁身完整性良好。越冬期間保持樁頭裸露,未采取覆蓋保溫措施,至第二年春融后再次進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果與越冬前結(jié)果一致。

      5 結(jié)語(yǔ)

      當(dāng)鐵路路基設(shè)計(jì)有CFG 樁且需要越冬時(shí),需對(duì)基底土層的凍脹性進(jìn)行嚴(yán)格判斷,不同土壤的凍脹性對(duì)CFG 樁凍脹的破壞程度不同。當(dāng)土層為弱凍脹或一般性凍脹的情況下,可采取上述措施保證CFG 樁的越冬質(zhì)量,即避免冬季施工、保證混合料質(zhì)量和垂直度、避免樁頭超灌。采取上述做法可極大地節(jié)省覆土保溫的費(fèi)用,且措施方便可行,具有可推廣性,對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)的CFG 樁越冬施工具有指導(dǎo)意義。

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