季节冻土区范文

季节冻土区范文（精选8篇）

季节冻土区 第1篇

本文将主要研究冻土时间为半个月到几个月的季节性冻土, 结合国内外对季节性冻土区中道路路基沉降与变形的研究现状与研究成果, 对季节性冻土区中道路路基的差异性沉降进行探讨与研究。

一、季节性冻土区路基差异性沉降的现场检测方案

路基工程具体的地质情况、施工进度、检测方式以及气候因素等均能影响检查方案的准确性, 为了让预期目标得以实现, 应对现场的检测方案进行准确设计。在季节性冻土区的施工过程中, 一般将路基的沉降量作为衡量施工稳定性的重要指标。本文将布置相关的实验装置, 通过采集数据, 以便掌握季节变化对季节性冻土区中路基沉降的影响作用, 从而为具体施工提供充足的理论依据。

本次实验在冻土区选择11个不同的观测截面, 对各个截面的沉降变形状况进行仔细观察, 以保证测量结果的精准性。由于冻土变形是一个十分缓慢的过程, 因而研究中数据采集的时间间隔设定为一个月。实验设备主要包括沉降环与沉降管箍分别120个, 1台型号为CJXKJ-91C4的沉降仪、1台型号为JMZX-7000的温度测试仪、1台观测地下水平移的设备、90个温度测头、1台沉降观测设备以及若干导线。

通过本次实验, 能够对季节性冻土区的路基深层温度和路基差异性沉降之间的变化状况与规律进行总结与确定, 11个测试点的各项参数见表1。

由于每一个路基截面具备不同的覆盖状况, 使得冻土呈现出不同的局部气候变化, 因此, 在路基截面的两侧边坡与中部均设置了测点, 这样能够对季节性冻土中的路基沉降与变形情况进行全面掌握。在冻土层的下限深度中, 采用分层的方式埋进沉降管, 沿着管深的方向, 每隔2m的位置设置一个分层观测点。

二、季节性冻土区中路基差异性沉降与温度分布的状况

季节性冻土区中路基的稳定性主要受到温度分布这一因素的影响, 自2012年12月开始, 至2014年1月, 对11个测试点路基断面的温度情况进行监测, 在每个断面分别设置了3个不同的监测点, 而每一个测试断面都有3个不同的测试位置, 一共设置了132个测点, 在所有的测点中, 有90个测点的温度变化范围非常小, 低于2℃;35个测点的温度变化范围为2~5℃;7个测点的温度变化范围相对来说较大, 高于5℃。温度变化范围低于5℃的测点数量为125个, 约占了总测点数量的95%, 由此可见:在冬季气候影响下, 此路段的温度变化较为温度。本文分别展示了2012年12月与2013年1月、2月三个时段中11个截面的温度折线图, 具体见图1。

由图1可看出, 这三个月的温度均低于零下10℃, 最低温度为零下16℃。由图2可看出, 路基深度为1m时的温度最高, 同施工实际最为相符。

将冻土区域内所有的路基累积沉降状况绘制成有效的散点图, 纵坐标表示路基的累积沉降值, 区间范围为-150~0mm, 横坐标则表示沿着道路方向的相关监测数据, 区间范围为0~250m, 具体见图3。

将所有的数据用统计软件matlab进行处理与分析, 其结果显示为:11个测试点的路基断面原本具有33个不同的有效位置, 但其中1个位置的监测装置出现了故障, 因而有效的测试位置为32个, 这32个位置的测试结果中, 有16个位置的累积沉降量低于50mm;有13个位置的累积沉降量范围为50~100mm;有3个位置的累积沉降量高于100mm。

三、结语

本文结合国内外对季节性冻土区中路基的差异性沉降研究现状与研究成果, 从温度的角度出发, 对季节性冻土区的道路路基在温度上的分布情况, 得出了路基沿着深度方向所呈现的温度变化状况, 与此同时, 对影响道路路基出现差异性沉降现象的主要因素展开探讨, 包括路基处理方式、冻土类型以及温度等, 得出以下三点结论:

第一, 各个路基截面测点的温度变化低于5℃的数量约占测点总数的95%, 由此可得出:在冬季气候的影响下, 该路段的整体状况较稳定。

第二, 随着大气温度的升高, 季节性冻土区内道路路基的深层温度也呈现增加趋势, 而冻土层内的路基温度所呈现的变化幅度相对来说比较小。

季节冻土区 第2篇

【关键词】冻土；冻胀率；热膨胀系数；数值模拟

1.材料的热胀冷缩与土体的冻胀

众所周知材料具有热胀冷缩的性能，在温度发生变化的情况下其体积也会随之发生改变，产生热应变。在材料的热应变受到约束时不能自由发展就会产生热应力。而冻土的冻胀变形和材料的热应变有着类似的性质，温度降低的时候，由于水分迁移和原位水的冻结而产生体积膨胀，进而发生冻结应变，当冻结产生的应变受到约束时便会产生冻胀力[1，2]。只是冻胀应变与材料本身的热胀冷缩应变趋势相反，在季节冻土区，随着温度的降低，土体与周围的水发生热交换，当土体的温度达到土中水的冻结温度时，就会产生冻结。伴随着孔隙水和迁移水分的结晶成冰，引起土体体积的增大而发生膨胀[3]。由于冰透镜的形状，进而其体积膨胀一般是各向异性的，不过就目前研究阶段，我们假设冻胀的分布是各向同性的。则相应的增量形式可以由下式给出：

式中dε是dt时间内由冻胀引起的体积膨胀应变。冻土中的冻胀由两部分组成，一部分是由于原位水冻结而引起的体积膨胀，一部分是由于迁移水冻结而引起的体积膨胀，两部分的体积膨胀可以用下式表示：

式中：dw——dt时间内冻土内未冻水含量的减少量。

dwq——dt时间内迁移到冻土内并冻结的迁移量。

温度应力和冻胀力虽然是两种不同形式的应力，各自的机理也不尽相同，但是这两种应力下，均会造成材料结构体积发生膨胀，本文考虑应用这一共性，建立起热膨胀系数α和冻胀率η之间的关系，应用ANSYS中结构温度应力模块模拟土体冻胀。

2.土体冻胀变形时冻胀率与膨胀系数关系

笔者对土体的冻胀模拟采用将土体的冻胀率η用土体负的热膨胀系数α来表示，按结构温度应力的计算方法来进行冻胀模拟，进而研究由冻胀而引起路基变形。

在弹性力学里，按位移求解温度应力的平面问题，即根据弹性体内的已知变温来决定体内的温度应力，首先要推导出热弹性力学的基本方程和边界条件。

令弹性体内个点的变温为△T，即后一瞬时的温度减去前一瞬时的温度，以升温时为正，降温时为负。由于变温T，如果不受约束，将发生线应变a△T，其中a是弹性体的线胀系数，它的量纲是。在各向同性体中，系数a不随方向而变，所以这种线应变在所有的各个方向都相同，因而就不伴随着任何切应变（否则温度应力将成为非线性问题）。这样，弹性体内各点的形变分量为：

由于弹性体所受的外在约束以及体内各部分约束，上述的变形并不能自由发生，于是就产生了应力，即所谓的温度应力。这个温度应力又将由于物体的弹性而引起附加的变形，如胡克定律所示。因此连同（2.1）的形变，总的变形分量为：

现在假定如图2.1所示的长方体模型及坐标系中，没有体力和面力作用，但是有变温的作用，而这个变温也只是平面坐标X和Y的函数，不随空间坐标Z而变化，根据平面应力及平面应变问题和几何方程—刚体位移的论证，可知这里属于平面应变问题，因而有：由（2.2）式得出如下的物理方程：

上面为针对温度应力的平面应力问题而推导出来的方程，适用于温度应力的平面应变问题。在温度应力的平面应变问题中，除了σ、σ、τ 外，还有一个应力分量σz。令（2.2）式中ε=0，就可以得到这个应力分量：

笔者考虑在平面坐标系下进行分析，因此路基模型采用平面有限元模型，土体两侧及底面均有约束。其具体约束示意图如图2.2

边界条件为：ε=0，ε=0，σ=0

将ε带入到（2.3）式中第一式，σ=0带入到（2.3）式中第二式可得：

进而可得εy与热膨胀系数a的关系，其中的εy就是本文计算中的冻胀率η。并认为冻土中未冻水含量仅是温度的函数，冰水相变只发生在一个很小温度范围内[0，-1]，由于不同土体的相变区是不同的，本文仅考虑在这个很小的温度范围内，土体冰水相变已经完成情况下对应的相变温度，取该时刻的相变温度T=-1℃，这样温度变化范围 △T=1℃，经计算η和a两者的具体关系如下：

3.应用ANSYS验证二者之间关系

为了验证上述公式（2.6）的正确性及适用性，利用ANSYS软件进行数值模拟。假设未冻土体、冻土体为均质、各向同性材料，模型简化为平面应变问题；假设土体的导热系数不随温度的变化而变化；仅考虑土体冻结过程中土骨架和介质水的热传导及冰水的相变作用，忽略冻结过程中热对流、质量迁移、水分迁移等，并认为冻土中未冻水含量仅是温度的函数，冰水相变只发生在一个很小温度范围内；土体采用开尔文流变模型并仅在重力和冻胀力作用下发生变形。具体验证步骤如下：（下转第279页）

（上接第230页）（1）建立尺寸为1×1正方形平面模型。

（2）选择单元为42号单元，确定材料的属性弹性模量E=3.6mPa，泊松比μ=0.3，参考温度为0℃，热膨胀系数α=-0.0016。

（3）假设温度降低1℃，对整个面域施加温度荷载。

（4）求解冻胀率η大小，并与理论计算值进行比较。

二者的计算结果如下：

本文推导公式（2.6）计算出的理论值：

应用ANSYS模拟出的数值解：η=0.00297（见图3ANSYS数值模拟结果）。

图 3 ANSYS数值模拟结果图

二者结果是相符合的，验证了公式（2.6）的正确性。

4.结语

本文应用弹性力学里按位移求解温度应力的平面问题的思想，推导了土体的冻胀率η与土体热膨胀系数α之间的关系式，进而按照结构温度应力的方法模拟土体的冻胀变形思想，利用ANSYS验证了二者关系。为简化模拟路基土体冻胀的变形提供了一个良好的媒介。

【参考文献】

[1]周幼吾，邱国庆，程国栋，郭东信.中国冻土.（第一版）[M].科学出版社，2000，8：1-2.

[2]H.A.崔托维奇张长庆，朱元林译.冻土力学[M].北京：科学出版社，1985，1.

季节冻土区 第3篇

某灌区位于川西北高原高寒地区, 是以灌溉为主, 兼顾农村人畜、环境用水等综合利用的中型水利工程。工程设计灌溉面积9.29万亩, 共布置3条干渠和2条支渠, 渠道总长42.90km, 各渠道引用流量0.3~1.8m3/s, 渠道分布在高程3400~3660m之间。

灌区属高山寒温带气候, 具有冬半年长、夏半年短、气温低、昼夜温差大, 降水量少、蒸发量大、日照时间长、太阳辐射强、无霜期短、气候立体变化显著等特点。灌区多年平均气温5.6℃, 主要特点为年际变化小, 昼夜温差大。11月~翌年3月为低温期, 平均温度-4.4℃;6~8月为高温期, 最热月 (7月) 平均气温14℃, 极端最低气温-28.7℃, 极端最高气温31.7℃。平均风速1.9m/s, 瞬时最大风速27.7m/s。灌区为高海拔季节冻土区, 最大冻土深度120cm。

渠道衬砌型式为厚10cm的现浇C15混凝土梯形明渠与预制厚5cm的U型槽 (每立方米混凝土加聚丙烯纤维1.2k防裂) 两种。

2010年8月, 渠道开工建设, 由于受当地气候条件限制, 施工期为每年4~10月, 到2011年10月, 共完成5条渠道渠槽混凝土浇筑及预制混凝土U型槽安砌17.48km, 占拟建渠道总长的40.63%。

2012年4月复工后, 发现部分已浇筑混凝土渠道和已安砌混凝土U型槽局部产生大小不一的裂缝, 局部甚至错开断裂。经现场查勘和统计, 产生裂缝渠道总长3.97km, 占已浇筑和安砌渠道长度约22.71%。

2 渠道变形原因分析

根据对现场各渠道所处的位置和工程地质条件, 以及对部分已浇筑渠道混凝土的变形形式和变形程度的分析, 可以判定渠道变形的主要原因是渠基土产生冻胀, 而由于前期工作对高原季节性冻土的工程地质特性认识不足, 施工中未采取相应的工程或结构处理措施造成的。

2.1 冻胀问题

渠道地基土组成物质主要为第四系的上更新统冰水堆积层 (Q3fgl) 和全新统坡积堆积层 (Q4dl) , 局部为全新统坡、洪积堆积层 (Q4dl+pl) , 其成分主要为粉质黏土、卵砾石土及块碎石土, 粒径<0.075mm的颗粒含量达21.9~31.5%, 细砂粒含量10.2~19.6%。该工程区位于高海拔寒冷地区, 进入冬季后, 昼夜温差大, 白天融化的冰雪增加了土中水的含量, 或雨季后 (9~10月) 土体的含水量增加, 故这些渠基土具备产生冻胀变形的物质条件。渠基土冻胀和融化使地表产生微变形, 造成刚性混凝土衬砌结构的破损。当渠基土为冻胀性土, 且其含水量大于起始冻胀含水量时, 在冬季负温的作用下, 渠基土中的水冻结后体积增大, 造成土体膨胀, 而使衬砌结构隆起。当冻胀变形超过衬砌结构的允许变形时, 或因冻胀而产生的冻胀力超过衬砌结构的抗裂或抗拉强度时, 衬砌结构就会开裂, 甚至折断。在春季冰雪消融时又造成渠床表土层过湿, 使土体失去强度和稳定性, 往往会导致衬砌体的滑塌。

2.2 冻融问题

由于渠堤内侧冰雪融化, 地表水下渗, 赋存于土体孔隙中, 因季节温差大, 造成渠道产生冻胀变形;对沿山涧槽地边沿缓坡或跨沟地段的渠道, 大多地下水位较高, 一般在1.0m左右或1.0m以内, 是渠道冻胀变形的主要原因。

混凝土衬砌材料内部孔隙水的冻融导致衬砌材料的变形。混凝土衬砌材料具有一定的吸水性, 又经常处在有水的环境中, 因此材料内总是含有一定的水分, 渠基土含水量过高, 当土温下降到0℃以下后, 土体孔隙中所含水分凝结成冰, 这些水分在负温下冻结成冰, 体积会发生膨胀。当这种膨胀作用引起的应力超过材料的强度时, 材料就会产生裂缝, 第二个负温周期中, 其吸水性增大, 结冰膨胀变形的作用更为剧烈, 经过多个冻融循环应力的反复作用, 最终导致衬砌材料的冻融变形。混凝土属于刚性衬砌材料, 具有较高的抗压强度, 但抗拉强度较低, 并且衬砌板厚度较薄, 适应拉伸变形或不均匀变形的能力较差。在冻胀力或热应力的作用下, 容易变形, 在冬季负温条件下, 混凝土衬砌板与渠基土冻结成一个整体, 承受着冻结力、冻胀力, 以及混凝土板本身收缩产生的拉应力等, 当这些应力值大于混凝土板在低温下的极限应力时, 板体就发生变形。混凝土衬砌板的冻胀裂缝, 多出现在尺寸较大的现浇混凝土板顺水方向, 缝位一般在渠坡坡脚以上1/4~3/4坡长范围内和渠底中部, 当缝间止水材料不能适应低温变形时, 将在分缝处发生开裂。冻胀裂缝宽度与基土的冻胀性及其不均匀程度有关。基土冻胀性弱, 裂缝小;基土冻胀性强, 裂缝宽, 而且将发展成更严重的其他形式的变形。温度裂缝和拉裂缝一般呈发射状, 但这些裂缝往往都与土的冻胀同时发生。

3 应对措施

为了处理已变形破坏渠段及对未施工渠段进行抗冻胀专门设计, 地质对渠道沿线渠基土以渠基土体物质组成为基础, 综合考虑冻前天然含水量及地下水位等因素, 采用《冻土工程地质勘察规范》 (GB50324-2001) 中季节冻土的分级标准, 对各段渠基土体进行了详细的冻胀性分级。在此基础上, 针对渠道产生冻胀破坏的原因采用结构措施和非结构措施相结合的设计方法, 对渠道采取了以下措施进行抗冻胀处理:

3.1 未建渠段

未建渠段取消预制混凝土U型渠, 衬砌型式由梯形改为矩形, 根据地质对渠基土体的冻胀分级, 对渠道分段进行针对设计。

(1) 土体冻胀级别为Ⅰ级渠段

渠道采用C20F150W6、水灰比小于0.45的混凝土现浇, 底板厚20cm, 边墙厚15cm, 盖板厚12cm。底板配置双层钢筋, 边墙配置单层钢筋, (准8@25×25) 。为增加渠身混凝土抗裂性, 均加入聚丙烯纤维, 加入量为每方混凝土1.2kg。渠道分缝宽5.0m, 针对高寒地区气候特点, 调整原填缝材料, 采用双组份聚氨酯密封胶填缝, 缝宽2cm。

为解决渠身周边地下水问题, 渠底设置排水盲沟, 采取置换砂卵石导水, 为防止该砂卵石层水体冻结, 每100.0~200.0m设置横向排水盲沟, 将水引出渠底。

(2) 土体冻胀级别为Ⅱ~Ⅲ级渠段

除采用Ⅰ级渠段抗冻措施外, 为抵抗冻胀变形, 增加渠道混凝土底部置换冻土。渠基采用40cm (Ⅱ级) ~50cm (Ⅲ级) 厚 (粒径2~8cm) 的碎石料置换冻土层。底板下设置30cm×30cm (粒径6~8cm) 碎石纵向排水盲沟。

(3) 土体冻胀级别为Ⅳ级渠段

渠道采用C20F150、水灰比小于0.45的混凝土暗渠。为抵抗冻胀变形, 渠道混凝土底部采用100cm厚 (粒径2~8cm) 的碎石料置换冻土层。过水断面采用20cm厚C20F150W6混凝土衬护防渗。配置双层钢筋 (准12@20×20) 。为增加渠身混凝土抗裂性, 均加入聚丙烯纤维, 加入量为每方混凝土1.2kg。渠道每5.0m分缝, 针对高寒地区气候特点, 调整原分缝材料, 缝宽2cm, 采用双组份聚氨酯密封胶填缝。

3.2 已成渠道加固

面板开裂小不影响自身稳定的, 采取在原衬砌混凝土上, 二次浇筑10cm厚C20F150W6混凝土封闭。底板下设置30cm×30cm (粒径6~8cm) 碎石纵向排水盲沟。表面配置抗裂钢筋网 (准6.5@20×20) 。边墙上每5.0m中间切割坡面斜向排水通带与纵向排水盲沟联通。为保证地下水通过老混凝土裂缝接触新浇筑的混凝土, 加设土工膜一层。在渠顶部浇筑盖顶进行封闭。原已成明渠分缝材料均已变形, 采用2cm厚的双组份聚氨酯重新填料, 分缝长度5.0m。

面板开裂大, 造成面板脱落已经影响自身稳定的, 采取拆除受损渠道, 按照新建渠方式处理。

4 采取抗冻措施后施工效果分析

2012年按抗冻设计后施工的渠段经过两个冬天的考验, 在2014年现场检查时除少量局部出现细小裂纹外未再发现大的冻胀破坏变形, 渠道基本完好, 取得了预期的效果, 说明抗冻设计是成功的。

5 结语

季节冻土区 第4篇

我国东北及西北等寒冷地区修建公路, 常常在路线通过的段落或路线上缘因泉涌水形成冰湖, 使地基软弱化、承载力降低、稳定性差, 引起路基边坡坍塌、基身沉陷或滑动, 严重时泉涌水漫过路面, 使路面结冰或形成冰丘, 影响道路的使用。

2 工法特点

2.1 通过在路基底部或上缘泉涌水的出水点处、冻胀线以下设置集水沟 (纵向盲沟) 、横向盲沟来汇集泉涌水, 拦截流向路基的层间水。汇集于盲沟内的地下水经保温出水口排到路基范围以外。

2.2 通过设置一定厚度的砂砾垫层, 在路基底与盲沟之间形成一定的排水面, 来疏导地下水, 阻隔毛细水, 促进土层固结, 提高地基承载力。

2.3 集水沟 (纵向盲沟) 、横向盲沟的设置改变了整个冰湖地基场的水文地质条件:降低地下水位, 切断补给水源, 加强排水能力。

2.4 能有效增强路基抵御冻胀翻浆能力、保持路基整体稳定性良好。

2.5 与传统施工方案相比:节约社会资源, 降低建设成本, 减少后期运营维护费用。

3 适用范围

本工法适用于我国东北、西北等季节性冻土地区冰湖地基的路基工程施工。

4 工艺原理

根据水文地质条件和地下排水原则, 通过“追踪寻源, 截断水流, 降低水位, 疏干土体”来改变土体中附加应力分布规律, 让砂砾垫层承受上部较大的应力, 软弱土层承受较小的应力, 甚至不增加土基的附加应力, 以满足设计对地基的要求。

5 施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程

施工准备→测量放样→开挖盲沟→基底处理→回填盲沟→砂砾垫层→分层压实→效果分析。

施工工艺流程图如图1。

5.2 操作要点

5.2.1 施工准备

制定实施性施工组织设计, 勘察施工现场, 核对设计文件;确定地基处理段落, 清理施工现场;材料和机械设备的购置、调配、试验和储存;施工现场供水、供电、便道、便桥的修建, 临时生产生活房屋的搭建, 临时排水系统的构建;全面技术交底。

5.2.2 测量放样

根据地基处理施工方案, 每一施工作业段, 用渐进法准确标定出盲沟开挖及砂砾垫层铺筑界线, 并撒上白灰。开挖作业时需随时检查, 确保开挖盲沟断面尺寸符合设计要求。

5.2.3 开挖盲沟

开挖作业用挖掘机和自卸汽车进行, 开挖前应修好便道, 配足车辆, 保证开挖连续进行。开挖时应避开雨季, 由远及近向出水点处进行。出水点处设集水沟 (横向盲沟) , 沟内积水用水泵抽走, 边挖边抽, 直至开挖回填工作完成。开挖的弃土用自卸汽车运至弃土场。开挖至设计要求的断面后, 如有非适用材料, 经确认后, 按要求继续开挖并处理。

5.2.4 基底处理

盲沟开挖达到设计要求的断面后, 要对基底进行整平、清理。保证基底纵坡满足排水要求。

5.2.5 回填盲沟

盲沟回填分层进行, 避免大小混填。沟内填砂石材料, 粒径要底层粗, 逐层向上减小。填入的砂石材料, 应筛分冲洗, 规格均匀, 不含杂物。在盲沟底部设置∮10cm透水软管, 软管距盲沟底面15cm, 周围填细砂。为防止泥砂堵塞盲沟, 在沟四周设置一层土工布。

5.2.6 砂砾垫层

垫层材料应用透水性好的级配砂砾, 厚度≮0.5m, 宽度应宽出路基坡脚0.5~1.0m, 两侧以片石护砌。砂砾垫层应用推土机分层填筑, 每层填筑厚度控制在30cm内。采用顺序推进摊铺法。

5.2.7 分层压实

每层整平后先用振动压路机静压一遍, 后振压2~4遍, 最后再静压两遍。达到要求的压实度, 同时没有明显轮迹。碾压时由内侧向外侧进退式进行, 严禁压路机在作业段上“掉头”和急刹车。对压路机无法碾压的边部、死角等用振动设备进行夯实。

5.3 施工要点

5.3.1 纵、横向盲沟设置应根据冰湖地基水文地质情况而定。盲沟设置不宜过长, 路基外一般以25m为限。断面尺寸不小于60×60cm, 沟底具有1%~2%的纵坡。盲沟出水口应高出口外最高水位20cm以上, 并做保温处理。

5.3.2 冰湖地基的处理工作宜在春融至雨季前施工, 开挖盲沟同时做好防、排水工作。构建防、排水设施以不破坏或减少破坏天然排水系统为宜。采用挡、疏、排相结合的方法, 除了在冰湖地基两侧设置排水沟外, 在上游斜坡地带要设截水沟, 在下游设排水渗沟, 在平坦、汇水不明显地段加设路基自然散水坡。

5.3.3 在盲沟和砂砾垫层施工过程中, 都应避免对地基表层的过大扰动, 以免受泥土及其他杂质污染, 影响排水效果。另外, 在铺设砂砾垫层前, 应清除地基表面的淤泥和杂物, 并做整平处理。

6 效益分析

6.1 经济效益

该工法在季节性冻土地区冰湖地基路基施工中的应用, 虽然增加盲沟开挖土方施工、砂石材料回填施工及砂砾垫层铺筑施工, 但与传统施工方案相比, 能够节约社会资源, 降低建设成本, 减少后期运营维护费用。如果改用其他方案, 如填石路基、修涵洞或桥梁等, 不仅增加建设费用, 而且增加施工难度, 不利于工程建设和资源节约。据测算:对于10延长米冰湖地基, 采用本工法进行处理所需费用不超过10万元, 而采用其他方案费用要几十万元, 甚至更多。该工法经济效益显著。

6.2 社会效益

季节性冻土路基施工期沉降量预测 第5篇

1 建立模型

选取位于北沙河特大桥小里程端的施工段作为模拟工点。线路在该施工段以填方通过,且所经地势较为平坦,设计路堤中心最大填高为5.69 m,边坡最大高度5.91 m。可影响地层共分两层,上层为黄褐色黏土,硬塑性,含有可见的铁锰质浸染物,厚度在0 m～2.8 m之间;下层为黄褐色粉质黏土,软塑性,厚度大于20 m;地下水具有硫酸盐侵蚀性。基床设计参数为:基床表层填0.4 m厚的级配碎石,以下依次为0.2 m厚的中粗砂,0.9 m厚的非冻胀土和1.2 m厚的A,B组土,中粗砂内铺设一层两布一膜不透水水工布(600 g/m2),基床以下填合格填料。

根据路基实际设计情况,建立数值分析模型(见图1),地表以上填筑材料参数完全按设计参数确定,各层参数分别为:基床表层的级配碎石0.4 m厚,中粗砂层为0.2 m厚,非冻胀土层0.9 m厚,A,B组土1.2 m厚。地表以下考虑到具体施工时采用去除部分粉质黏土然后回填黏土的情况,所以模拟过程中取黏土层5 m厚,同时考虑到应力扩散角的影响,将粉质黏土层设为15 m厚,15 m以下土体被认为超出影响范围。

模拟过程中采用库仑摩尔本构模型,模型荷载有自重和回填土体上部均匀分布的受压荷载两种。约束条件为模型底面上的点定义成铰接类型,左、右侧的节点定义为X方向的滑动类型。由于施工阶段严格控制含水量,所以定义孔隙压力为0。第一个施工阶段是施工之前的阶段,此时只有地基的单元承受自重。第二个施工阶段为回填第一部分,以后以此类推,在最后施工阶段里施加均布路面荷载。

2 确定模型输入参数

在利用MIDAS软件进行数值模拟的过程中,首先需要确定材料的弹性模量、泊松比、容重、粘聚力、摩擦角等特征值,在土体变形过程中,这些特征值是随变形进程发展而变化的,因此完全按照MIDAS程序所指明的方法输入确定的特征值,将会增大模拟结果的误差,为减小误差,需要动态输入上述特征值。要达到动态输入的目的,首先就应求出上述特征值的变化规律。我们知道,上述土体的特征值均从不同角度反映了土体结构性特征,因此可以通过前述确定的结构性参数,并结合试验分阶段确定特征值。首先将模拟过程划分为3个阶段(阶段数划分以试验曲线变化阶段为准,过少则不能模拟实际变化过程,过多会导致计算过程复杂而精度却无显著提高的情况),在不同阶段计算不同的特征值作为模拟输入参数值。在模型定义的约束条件下有:

σi=A1ln(λiε${}_i^{1/\zeta }$)+B1 (1)

其中,σi为第i阶段初始轴向应力;εi为第i阶段初始轴向应变;λi,ζ分别为受围压和含水量影响的参数,此次模拟中其值分别为-1.4和0.3;A1,B1均为受含水量影响的参数,此次模拟中其值分别为1.6和1.0。

忽略蒸发因素的影响,可以认为土体沉降过程中含水量不发生变化,则式(1)中的参数ζ,A1,B1在各模拟阶段不会发生变化,但受围压影响的λi会发生变化,第i+1阶段的λi+1可由式(1)变形得到:

$\lambda {}_{i+1}=\frac{\exp [(\sigma {}_{i+1}-B{}_1)/A{}_1]}{\epsilon {}_{i+1}^{1/\zeta }}$ (2)

其中,σi+1为第i+1阶段初始轴向应力,即第i阶段模拟结束时的轴向应力,可由模拟结果确定;εi+1为第i+1阶段初始轴向应变。第i阶段模拟结束时轴向应变可由模拟结果确定。

根据式(1)和式(2)即可求出每个模拟阶段的初始应力应变值,进而可以计算出每个阶段的弹性模量。在式(1)中,若将σi考虑为主应力差,在每个对应阶段中再另外选取一点,结合该阶段的初始状态和结束状态对应的应变,取得一个阶段中的3点应变值,然后利用式(1)即可计算出相应的3个主应力差,可以根据得到的3个主应力差绘制出库仑摩尔圆,进而通过摩尔圆的包络线确定该模拟阶段的粘聚力和内摩擦角,各阶段均按上述方法确定各自的粘聚力和内摩擦角。泊松比和容重在模拟过程中被当作常量,则各阶段输入参数值随之确定,具体计算结果见表1。

3 数值模拟结果及分析

通过三阶段模拟方法,完成了北沙河特大桥小里程端的施工段在施工期间路基沉降的数值模拟计算,最终计算结果见图2。由图2可以看出,当按上述方法施工结束后,在A,B组土与黏土层的分界面附近将发生较大的水平方向位移。模拟结果显示水平向最大位移值发生在地面附近,其值为2.47 cm。随土层深度的增加,水平位移值呈减小趋势,并出现明显的3阶段性变化:在0 m～-3.4 m范围内,水平位移值从2.47 cm快速降至1.2 cm;在-3.4 m～-5.1 m范围内,水平位移值从1.2 cm缓慢降至0.9 cm,减小速率降至前一阶段的0.5倍;在-5.1 m～-15.3 m范围内,水平位移值从0.9 cm极其缓慢降至0.1 cm,减小速率降至第1阶段的0.2倍,总的影响深度可达-16.4 m。同时还可以看出,随着深度的增加,水平位移的影响范围也呈减小趋势。

由图2还可以看出,当按上述方法施工结束后,在中粗砂、非冻胀土和A,B组土构成的土层中将发生较大的不均匀沉降。模拟结果显示最大沉降量发生在中粗砂与非冻胀土的分界面下非冻胀土中,其值为16.1 cm,接近A,B组土层时沉降量有所降低,降至14 cm,然后在A,B组土层中逐渐降至0 cm。在沉降影响区外侧小范围内土体没有发生任何竖向位移,在向外延伸的范围内土体会被抬升,最大抬升高度为0.2 cm。根据对模拟结果的分析可知,施工过程中所用的非冻胀土和A,B组土会带来较大的水平位移和沉降,为满足工程建设的“0沉降”目标,应更换透水性好、压缩性更小的材料代替非冻胀土和A,B组土。

摘要：以北沙河特大桥小里程端的施工段作为模拟工点,以实际施工过程中所用材料、结构为模拟单元,采用平面应变模型,利用MIDAS数值模拟软件,完成了施工期沉降量模拟分析,取得了满意的效果;提出了分阶段输入材料特征值的全新模拟方法,并给出施工各阶段材料特征值的计算公式;得出施工过程中所用的非冻胀土和A,B组土会带来较大的水平位移和沉降的结论。

关键词：施工期,数值模拟,材料特征值,沉降,预测

参考文献

[1]钟卫,朱明,袁文忠.高原季节性冻土路基处治的现场试验方案研究[J].路基工程,2007(1):59-60.

[2]朱明,宋珲,钟卫.季冻地区路基中的水分迁移机理及处理措施[J].路基工程,2007(1):62-63.

[3]王虹,姚相权.季冻区基础冻胀成因及防治分析[J].民营科技,2009(2):1.

[4]单炜,刘红军,杨林,等.季冻区土质路堑边坡浅层含水率变化研究[J].岩土力学,2008,29(sup):335-341.

[5]杜琦.季节性冻融期土壤入渗试验综述[J].地下水,2009(31):14-18.

季节冻土区 第6篇

关键词：路基冻害,冻害分类,冻害整治,整治效果

呼和浩特铁路局管内线路所处地区均属于季节性冻土地区, 冻结最大深度为1.4~2m, 铁路路基冻害对铁路安全行车威胁很大, 这里主要介绍路基冻害部位分类, 不同冻害采用整治方法及达到的效果。

1 季节性冻土地区铁路路基冻害部位分类

1.1 表层冻害

表层冻害特点是:一般隆起高度为10mm~40mm;在呼和浩特铁路局管内地区一般从11月上旬开始, 最晚到12月中旬停止发展, 来年4月中旬~5月上旬回落完。表层冻害危害主要表现在:可引起路肩纵向高低变形、开裂, 造成基床表层土体强度降低, 从而引起道碴沉陷, 导致轨道纵向高低变形;引起坡面隆起变形、开裂, 导致土体强度降低。

表层病害形成的主要原因:

(1) 基床填料土质不均, 致使基床强度不一, 在列车荷载作用下, 产生不均匀沉降, 引起基床面不平整, 造成降水不能及时排出, 水分渗入到基床土体内, 当土层含水量增大且超过了起始冻胀含水量时, 基床土体中的水结冰, 体积膨胀, 同时水分又向冰结封面补给, 水分比冻前增加较大, 形成冻害。

(2) 路基坡面表层为非匀质土。由于路堤填料来源不同, 且在填筑时, 土层的厚薄和夯填密实度不同, 致使填料的结构、层次等条件的不同, 在冻期经水分迁移、聚积, 其聚流量也不尽相同, 产生的冻胀量也不等, 从而形成坡面冻害。

(3) 气温对土的冻结有一定的影响。受地形、地质、日照及植被覆盖的不同, 路堤的不同部位 (阴坡、阳坡) 其热交换不同, 对土中冻结率的影响也不同。在土冻结时, 由于表层土温及冻结速率的不同, 其水分迁移的聚流量和冻胀量便不相同, 产生了冻害。

1.2 深层冻害

路基深层冻害产生的时间较晚, 在冻期的后半期产生, 呼和浩特铁路局管内地区一般在12月中旬以后, 直到冻期末冻害才能停止。深层冻害的产生大多是因地下水的关系, 如果没有地下水, 即使土质有所差异, 下部呈现脱水现象, 也无多少冻胀。

2 路基冻害的整治措施与控制

2.1 冻害日常控制

2.1.1 冻害排查

为加强冻害管理, 确保整修有据可依, 呼和工务段制定了详细的检查制度和方法。

(1) 检查周期。线路车间、班组在11月上旬到来年5月上旬期间, 对管内正线冻高大于10mm、其它正线冻高大于15mm、站线冻高大于20mm的冻害处所每旬检查不少于一次;对正线冻高大于20mm、站线冻高大于30mm的冻害处所每周检查不少于一次。在春融回落阶段每三天检查整修一遍, 同时做好记录。冻害变化频繁时期, 各线路车间、班组根据实际情况增加检查频次。

(2) 检查内容。轨道几何尺寸、10m过渡段 (平台) 长度、顺坡倍数、冻害垫板规格及层数、穿枕木数量、冻害扣件规格及数量、冻害道钉规格及数量、扣件扭矩是否符合规定。对冻起高度、垫板厚度、穿枕木根数进行确认, 并检查线路设备是否有空吊板。

(3) 信息处理。各级检查人员进行冻害检查时, 必须认真记录检查情况, 并核对“冻害登记表”内容。检查人员将检查信息通知有关车间或班组后, 由车间或班组依据信息分类等级及时安排整修。

2.1.2 冻害统计分析

(1) 工务段及车间对冻害冻起、回落情况指定专人负责, 认真统计分析, 及时采取相应对策。按规定格式和要求及时上报, 在备注内标明冻害产生原因。

(2) 正线15mm及以上冻害, 由职能科室做好统计, 认真分析产生原因, 为冻害防治提供依据。

(3) 正线25mm及以上冻害为大冻害处所, 工务段、车间、工区要全面掌握加强控制。冻害现场要认真标记起讫位置、冻起高度、延展长等, 以便采取措施有计划进行整治。

(4) 正线50mm及以上冻害处所, 安全系数大幅度降低, 应根据设备实际状况适当限速, 确保行车安全。

对于冻高不大于15mm的常规冻害, 一般采取的日常整修就可控制, 考虑到投入产出比, 不建议对常规冻害进行大规模整治, 从加强日常管理、提高整修水平和效率上完全可以保证行车安全, 目前呼和浩特铁路局尚未因发生常规冻害而引发的运输安全事故。

对于大于15mm的冻害应根据具体情况采用不同方法进行集中整治处理

2.2 冻害的集中整治

2.2.1 换填基床土

用较纯净的砂砾或中、粗砂换填季节性冻土, 是削减地基土冻害的理想方法之一, 在平面和纵断面受到限制的情况下, 如岔区路基冻害及特大桥、大桥两端的路基冻害主要采用换填整治的方法。

2012年4月份工务段对民族站岔区进行了路基换填。

民族站东岔区路基土质为砂粘土, 土体含水率高, 道床板结, 翻浆冒泥严重, 冬季产生严重冻害, 最大冻起高度达40mm, 严重危及行车安全。

在民族站东岔区成组更换混凝土道岔施工期间, 充分利用封锁施工的方案对岔区冻害予以整治, 适当延长封锁时间, 将道床下部分粉土、粉质黏土、黏土进行换填, 换填厚度约80~160cm, 以增加道床的整体排水性。换填非冻胀土并进行压实处理, 铺底碴后, 将已组装好的成组道岔推进, 整修后开通线路。

民族站换填后, 经过历年观测, 冻害已基本消除, 缺点是对运输影响大, 工程造价高, 换填的长度有限, 推广受限。

2.2.2 挖盲沟铺盐法

挖盲沟铺盐法对部分冻害严重处所进行整治, 相当于传统铺盐和整体换填整治措施的结合, 盲沟每隔3孔轨枕盒开挖一孔, 其它孔逐次开挖, 成段冻害计划利用4次集中修整治完毕, 相当于换填50%以上的路基土, 横向盲沟与路基两侧及两线间纵沟连成一体, 形成一个完整的排水系统, 起到改良土壤和改善排水的综合作用。

呼和工务段2011~2012年集中修期间对大包线1.9km重点冻害地段进行了挖盲沟铺盐法整治。

施工时在京包两正线间范围内从道床顶面向下开挖宽0.6m、深1.35m的纵向盲沟;然后垂直于线路每隔2m (每隔3孔轨枕) 开挖一条宽0.6m, 深1.5m的横向盲沟。要求纵、横向盲沟相互贯通, 路基基床内的水通过纵向盲沟从横向盲沟排向路基两侧, 盲沟底部参照每平米20kg比例均匀铺颗粒食用盐, 沟底食盐覆盖厚度为1~2cm, 最后在沟内回填清石砟 (厚0.5m~0.8m) 并捣固密实, 再铺一层食盐后回填表层石砟并捣固密实。

在两横沟间的三孔轨枕盒内开挖至枕底, 铺盐后回填 (每孔撒盐15~30kg) 。横向盲沟开挖时从纵向盲沟的连通处向路基两侧形成4%的排水坡, 把水排出路基。每300mm厚回填一层石砟并夯实, 用眼镜蛇捣固密实。开挖出的土方运出线路坡脚外并摊平。

上述1.9km重点冻害地段经挖盲沟铺盐法整治后, 经过这两年观测, 冻害已基本消除, 缺点是和换填基床土法一样, 施工时对运输影响大, 工程造价高。

2.2.3 抬道整治法

在平面和纵断面条件允许情况下, 连续冻害地段采用抬道整治法整治路基冻害, 不仅效果良好, 还可适当控制工程造价。随着大型养路机械在呼和浩特铁路局的应用, 使用大型养路机械进行抬道整治路基病害是确保行车安全, 减少废弃工程, 降低工程造价最佳选择。2005年呼和工务段管内k733公里处应用抬道法整治路基冻害及翻浆冒泥, 取得了很好的效果。

2.2.4 平排管法

平孔排水布置孔位:

(1) 平排孔按上下两排梅花形交错布置, 其中第一排钻孔位置距路肩下0.7m设置, 第二排距第一排竖向0.5m处设置。

(2) 在路基冻害段垂直线路方向间距0.5m布孔, 孔内放置特制的HDPE渗水滤管, 以利排水、通风, 消能, 干燥基床, 降低土中含水量, 减缓冻害。

2011年京包线k700+985—k701+015段路基采用平排管法进行了整治, 取得了一定效果, 2011、2012年冬季观测数据比上年同期冻高有明显下降。

平排管法施工的优点是对行车干扰少, 只需限速列车就可就进行施工, 但其缺点是工程造价高, 整治30米的双线路基造价高达130余万元, 除非在特别困难地段, 一般不适合大范围推广使用。

路基冻害与填料、水、气候密切相关, 不同地域情况不尽相同。治理冻害决不能盲目生搬硬套, 要采用科学的手段, 掌握冻害成因与发展规律, 采取综合整治的方法, 才能达到良好的整治效果。

参考文献

[1]中华人民共和国铁道部.铁路路基大修维修规则[S].中国铁道出版社, 2008.

[2]成都铁路局重庆培训基地.工务安全与应急处理[S].中国铁道出版社, 2011.

季节冻土区 第7篇

青藏铁路格尔木至拉萨段穿越550km多年冻土地段, 全线海拔高程大于4000m地段约965km, 在唐古拉山越领地段线路最高海拔为5231m, 为世界铁路海拔之最, “高原”、“冻土”和“脆弱的生态环境”便是高原冻土区施工所必须克服的三大难题。

本文阐述的项目所属富含冰量地段, 路基基底处理是本段的施工难点, 根据设计要求, 采用基底换填, 换填过程中必须开挖冻土, 如何对冻土进行有效的开挖, 如何尽量将对冻土上限的影响减小到最低, 必须制定合理的冻土爆破施工技术。

2 冻土爆破的施工原则

2.1 冻土爆破的时间选在3、4、5、9、10、11月份进行, 选在寒季进行可以起到保护冻土和延缓冻土融化速度。若由于施工工期要求, 可允许在暖季施工, 但必须遵循冻土爆破开挖快速施工的要求。

2.2 由于要求对生态环境进行保护, 冻土爆破必须严格按照开挖界限施工且必须保证开挖界限以外的植被不因爆破而受到破坏。

3 爆破施工技术

高原冻土区路基施工中的爆破开挖, 可采用用浅孔松动爆破、深孔U爆破和深孔药壶爆破, 不能采用峒室爆破。由于在冻土区路基基地换填过程中的开挖量小, 且为了减少对原冻土地质环境的外界扰动, 所以采用浅孔松动爆破。

3.1 施工前准备

3.1.1 爆破前, 先将爆破范围内的地表草皮铲下, 移植至别的地方堆积养护。挖除草皮后的地面, 采取临时遮阳保温措施, 以防止铲去草皮后的冻土融化。3.1.2高原冻土爆破使用的材料应具有防水抗冻性能, 若条件不允许, 可采用外部包裹防水套的方式进行, 一般采用与钻孔孔径大小的软皮管代替, 可避免被划破, 起不到防水效果。

3.2 钻孔

3.2.1 钻孔机具可选用钻凿30mm以上、200mm以下, 能钻凿一定垂直炮孔的中小型钻机, 根据其工作性能、效率和特点选择使用。冻土路基基地换填过程中, 最普遍使用的是煤电钻, 可起到开挖快、耗能小的作用。3.2.2在钻孔过程中对容易产生塌孔、缩孔现象采用下套管的措施进行防护。为控制因塌孔、回淤、回冻而引起钻孔深度的变化, 可采用空吸排泥管或小药包 (100~300g) 爆破法, 清除孔内的积水和淤泥, 在钻孔底部放置小药包 (100~300g) 。对钻孔成型变化显著的工点应采取钻完一孔, 立即装药的措施。定其 (1~3天) 钻孔前要进行爆破清底。3.2.3钻孔完成后, 应对成孔的个数、质量以及深度进行计录、验收并计算装药量, 以备装药。

3.3 装药

3.3.1 冻土爆破的单位耗药量与地温有关, 必要时, 应在现场进行标准爆破漏斗实验予以确定。浅孔爆破中每孔的装药量可用以下公式计算:

装药量:Q=g a b l (kg)

式中:Q-每孔装药量 (kg) ;g-单位耗药量 (kg/m3) ;a-钻空间距 (m) ;b-排距 (m) ;l-钻孔深度 (m) 。

其中:孔间距应控制在 (0.7~1.0) j, 排间距应控制在 (0.5~0.8) j, (j-为相邻钻孔的平均深度) 3.3.2爆破人员必须持证上岗, 严按火工品的操作规定执行。严禁民工接触火工品。现场使用的爆破器材, 严禁露天放置, 因青藏高原紫外线照射强、气候多变无常, 以避免雨浸淋和紫外线直接照射。现场运输和临时存放爆破器材, 采用专用汽车运输。3.3.3装药完成后应及时进行塞孔, 堵塞时采用细砂和粘土, 用炮棍 (一般为3.0m长木棍或竹竿) 捣塞密实, 严禁出现空隙, 保证堵塞质量。

3.4 爆破

在爆破过程中, 我们采用非电导爆索和导爆索网络。为提高网络的可靠性, 我们采取闭合网络, 起爆时采用爆破索进行引爆。

3.5 爆破开挖

3.5.1 爆破开挖前应将爆破后冻土的开挖设备、机具、路基隔热层的施工材料以及其他所需材料准备就绪, 并放置在爆破工地周围安全、使用方便的适当地点。3.5.2爆破开挖过程中应遵循“快速施工”的原则, 对开挖范围内的大石块立即进行二次爆破破碎。破碎大块可采用爆孔法或明炮法。

3.5.3 冻土爆破开挖后的弃土, 应弃于指定地点, 不得随意堆放。3.5.4对个别落入草原上的冻土块及时清理, 避免污染高原植被。

4 爆破施工中应注意事项

4.1 高原冻土爆破作业应遵守《中华人民共和国民用爆破物品管理条例》和《爆破安全规程》。参加爆破施工作业人员必须持有国家相关部门颁发的爆破证。

4.2 爆破作业前应制定高原冻土爆破作业安全规程, 建立由工地主要负责人为首的安全和技术岗位责任制, 爆破工作应按规格、爆破工作应按规定的信号 (预备信号、起爆信号、解除警报信号) 执行。爆破后应检查爆破效果, 如有瞎炮, 应及时处理, 解除警戒命令前, 无关人员不得进入爆破现场。

4.3 当遇有六级以上大风时, 不得进行爆破作业;当遇有雷雨或雷电预警时, 应立即停止爆破作业, 同时将所有人员撤离至爆破安全区;当遇大雪或其它高寒天气时, 应在保证施工安全的条件下进行作业。

结束语

高原冻土爆破作为一项新的课题是值得我们研究的, 但由于本文阐述项目的冻土开挖量小, 无法进行较深的研究, 故只能做以浅识的分析和总结, 本文所提及的一些爆破技术也仅供大家参考。

摘要：冻土作为青藏高原最常见的铁路地基材料直接影响铁路的稳定性, 如何处理好冻土问题, 是青藏铁路高寒冰量地基处理的关键所在, 通过青藏铁路高寒冰量地基处理的施工实践, 总结了高原冻土区爆破施工技术。

多年冻土区CFG桩受力分析 第8篇

多年冻土是冻结状态持续两年或以上的冻土层[1]。与多年冻土相比, 高纬度岛状多年冻土由于冷源较少致使其更容易受到热扰动的影响, 在冻土的冻融过程中更容易引起建筑基础的沉陷、开裂、冻拔等问题[2,3]。CFG桩处理冻土地基, 主要作用是在冻土地基中形成桩体, 并与桩间土形成复合地基, 提高地基承载力, 解决路基稳定问题。复杂的冻土性质使得冻土地区的桩土分析变得十分困难。目前桩土分析一般使用较成熟的有限元数值计算方法。但有关冻土地区CFG桩承载力研究还比较少[4,5]。本文通过多年冻土区CFG试验桩的试验数据, 对CFG桩承载力进行分析;同时应用ABAQUS有限元软件建立三维冻土地区CFG桩模型, 进行模拟计算;确定ABAQUS对冻土地区CFG桩分析的适用性, 综合分析冻土地区CFG桩承载力特性。

2 CFG试验桩受力分析

2.1 试验桩概况

本文分析的CFG试验桩位于伊绥公路K30+350~K47+500之间, 此段公路路基范围内有多处岛状多年冻土, 岛状多年冻土一般厚3 m~5 m, 最大达12 m, 冻土类型有多冰冻土、富冰冻土、饱水冻土、含土冰层等, 多年冻土主要的工程地质问题是融沉。

试验桩7 m长, 试桩直径为0.4 m, 沿桩身桩土之间按桩长每1 m设置一个埋入式混凝土应变计, 试验中同步测试桩身应力。在桩端中心处设置一个压力盒。

试验桩的地址情况如表1所示。

2.2 试验结果分析

冻土中的桩基, 其受力状态基本上与融土中桩基类似, 承载力主要由桩侧切向应力和桩底法向应力组成。沿着CFG桩身应力测点取点, 形成桩身节点路径, 在不同荷载作用下, 各测点应力随着桩的入土深度的变化如图1所示, 由图1所示的不同荷载下的CFG桩身轴力曲线可见, CFG桩的应力随着桩入土深度的增加而减小, 在桩底7 m处达到最小。但荷载增大时, 轴力值也增大。不同荷载对应的CFG桩轴力曲线的规律是基本一致的。

在各级试验荷载作用下桩底反力与荷载的比值如表2所示, 可以得出, 在试验荷载较小时, 轴向试验荷载基本由桩侧摩阻力所承担, 桩端承受较小轴向荷载, 桩底反力的发挥明显滞后于侧摩阻力的发挥。桩顶荷载—桩底反力曲线如图2所示, 由图2可看出, 虽然曲线在荷载为560 k N时出现了拐点, 但冻土区CFG桩底反力仍然随轴向试验荷载增加而线性增加, 桩底反力比例小于10%, 说明该冻土区CFG桩属于摩擦桩, 主要靠摩擦力来承受上部荷载。

3 CFG桩承载力有限元分析

3.1 建立模型

根据CFG桩试验加载过程, 将ABAQUS计算过程分为若干个载荷增量步, 每个增量步结束时, 结构处于近似平衡状态。

CFG桩所在各个土层的地质状况及桩周围的冻土对于桩承载力会有一定的作用。根据CFG试验桩位地质地层类型和状况, 有限元模型中主要材料参数如表3所示。

CFG桩长7 m, 桩直径为0.4 m, 桩身采用线弹性模型, 桩周土ABAQUS模型范围:水平方向按70×0.2=14 m, 竖直方向按7×2=14 m考虑, 冻土土体采用摩尔—库仑塑性模型。根据上述数据及施工现场情况, 应用ABAQUS建立的CFG单桩的有限元模型如图3所示。

3.2 计算结果分析

根据有限元计算模型, 当桩顶荷载加到最后一级840 k N时, 桩身应力沿桩长从桩顶向桩底逐渐减小, 且分布很均匀如图4所示, 桩身应力会向下继续传递, 且应力传递减速很快。桩底反力平均计算值为64.37 k N, 与试验值68.25 k N比较吻合, 两者相对误差约为5.7%。CFG桩沿桩身轴力的试验值与有限元计算值对比如图5所示。计算值与试验值符合良好, 说明有限元模型的计算结果是可信的。

4 结语

通过试验结果发现, 在所给地质条件下, 桩基的承载力主要由桩侧摩阻力提供, 桩端阻力占总荷载的比例小于10%, 说明试桩是典型的摩擦桩。

利用ABAQUS软件建立了桩土共同作用模型, 能反映出冻土区CFG桩的实际受力状态, 计算值与实测值吻合较好, 证明了模型建立的正确性, 可应用于今后冻土地区CFG桩—土结构的进一步分析。

桩侧摩阻力随着桩顶荷载值的增加而线性增加, 荷载从上向下传递。在最后一级试验荷载作用下, 桩端反力为68.25 k N, 桩端反力占最大试验荷载的8.13%, 说明桩端反力虽然不大, 但还没有小到可以忽略的程度, 这些也都体现了摩擦桩的特性。

摘要：以CFG桩承载力试验数据为基础, 应用ABAQUS有限元软件平台, 建立了CFG试验桩的三维仿真模型, 将模型数据与试验数据对比, 验证了模型的准确性。并对CFG桩受力进行了分析, 分析结果表明:CFG桩承载力主要由桩侧摩阻力提供, 荷载从上向下传递, 桩底反力占总荷载的比例小于10%。

关键词：多年冻土,CFG桩,摩阻力

参考文献

[1]马祖罗夫.冻土物理力学性质[M].梁惠生, 译.北京:煤炭工业出版社, 1980:8.

[2]陈国栋, 周幼吾.中国冻土学的现状和展望[D].兰州:中国科学院兰州冻土研究所, 2000.

[3]章金钊, 霍明.东北岛状多年冻土分布特点及其公路路基设计对策[J].中外公路, 2009 (12) :86-89.

[4]闫明礼, 张东刚.CFG桩复合地基技术及施工实践[M].第2版.北京:中国水利水电出版社, 2009:60-62.