季节冻土区桩基础抗冻拔稳定性研究

建筑设计

甘肃科技纵横季节冻土区桩基础抗冻拔稳定性研究

刘丽红

（梨树县华兴房屋拆迁有限公司，吉林梨树

摘要：本文对季节冻土区桩基础的破坏形式及受力情况进行了分析，为实现对其抗冻拔稳定性的验算，和对其抗冻拔稳定条件中各变量的计算方法进行了讨论。同时，归纳总结了桩基础的抗冻拔措施，即：一般在弱冻胀或中等冻胀地基上修建允许变形的小建筑物时，可采用单一措施，但如果在强冻胀地区并且建筑物对变形要求很高时，往往单一措施难以达到防冻害的目的时，而且经济上也不合理时，就要采用综合措施。

关键词：季节冻土区桩基础抗冻拔

136500）

0引言

结构物的外部约束、体系特点及验算要求等多种因素的影响。件、

在一个较大的地区范围内，同一类别土在不同冻深处其单位切向冻胀力一般表现为：冻深较大，其值较小些；冻深较小，其值反而较大些。作用在桩上的总切向冻胀力一般按下面公式计算：

T=uτl（3）

u为桩在冻土层内的平均周长；l式中:τ为单位切向冻胀力；

为最大冻深或工程设计冻深。1.2摩阻力的计算

对于季节冻土区桩基础抗冻拨稳定性验算时，总摩阻力一般仅考虑桩在融土层的摩阻力，按下面公式进行计算：

F=Σuifili

（4）

在季节冻土区，建筑物采用桩基结构也有很多优点，可使建

经常由于地筑物免受季节活动层的影响。季节冻土区的桩基础，

基土的冻胀作用遭到破坏，很多情况下桩基础的稳定性是由其抗冻拔能力所控制的，例如，在桥梁工程中桩柱冻拔造成的“罗锅桥”到处可见，而承载力不够桩基下沉造成的“反拱桥”却很少发【1】

对于季节冻土区桩基础抗冻拔稳定性及其抗冻拔措生。因此，

施的研究是非常必要的。

1桩基础破坏形式及抗冻拔稳定性验算

在季节冻土区的桩基础一般必须穿过一定厚度的冻土层。桩周土在冻结过程中由于与桩体表面冻结在一起而发生冻胀作用，在桩体表面产生切向冻胀力，由于这种冻胀力一般较大会对桩体产生破坏作用，产生冻拔破坏。季节冻土区桩基础冻拔破坏有两

【1】

种基本形式：①桩基础整体上拔。每年冬季来临地表开始冻结，切向冻胀力产生。随着冻深加大，切向冻胀力逐渐增加，当切向冻胀力大于恒载、桩自重和融土层的摩阻力时，桩柱失去稳定，整体上拔。②桩基础强度不够局部拔断。对于埋入较深或扩大头较大的钢筋混凝土桩，由于在融土层锚固力较大，在较大切向冻胀力作用下，桩柱整体不能上拔，但由于桩体本身的抗拉强度不够而被拉断。

通过以上对桩基础冻拔破坏及其受力情况的分析（如图1），为确保上部建筑物的稳定，桩基础在冻结过程中应同时满足以下

【2-4】

抗冻拔稳定条件：

P+G+F≥KdT（1）fyKlT-P-G-F≤≤≤（2）

A式中：P为作用在桩顶的恒载；G为桩身自重；F为桩在冻结

Kd为锋面以下融土的摩阻力；

抗冻拔稳定安全系数；T为冻结层对桩的切向冻胀力之和；Gi为验算截面以上桩身的自重；Fi为验算截面至冻结锋面之间桩与融土层的摩阻力；A为验算截面的面积，对于钢筋混凝土结构，为纵向受力钢筋截面积之和；fy为验算截面桩体材料的设计抗拉强度，对于钢筋混凝土结构，则为受力钢筋的设计抗拉强度。

下面对于式（1）-（2）中各图1季节冻土区桩基础受力示意图变量的计算方法进行讨论：1.1切向冻胀力的计算

切向冻胀力的形成和作用机理极其复杂，受到各种自然条

式中:ui为桩在各融土层内的平均周长；li为桩周各融土层厚度；fi为桩侧融土层单位设计摩阻力。

桩与地基土之间的摩阻力是桩基抗冻拔稳定的锚固力，其数值与土质类别、性状、桩体的材质及表面粗糙度等因素有关。一般承受轴向压力的桩，桩的位移对桩周土的作用是使其产生挤密变形，而承受轴向拉力的桩，则由于桩在轴向拉力的作用下，产生向上的位移而带动地表以下一定深度土层向上隆起松动，使之与受压桩的摩阻力相比降低很多。但一般认为，桩基础冻拔时融土区

作用性状和摩阻力分布规律，均与一般段桩土的相互作用机理、

条件下的轴向受压桩一致，所以对其摩阻力计算可取受压桩的摩

【5】

阻力值。

1.3桩身自重及外载的计算

在进行桩基础抗冻拔稳定验算时，一般需要对桩身自重和上

【2】

部恒载进行计算，桩基础水下部分的自重应取浮重度。1.4验算截面位置的确定

桩基础抗冻拔验算时，桩身材料抗拉强度验算截面位置一般根据受力和配筋情况试算确定，选择最薄弱部位作为验算截面。

2桩基础抗冻拔措施

≥ii

≥为了防止和消除由于切向冻胀力的作用对桩基础产生的冻

【1，6-12】

拔破坏，根据相关研究和工程实践，一般采取的工程措施归纳总结如下：

（1）桩侧换填非冻胀性材料。一般在桩侧活动层范围内以粗砂、卵石、炉渣等非冻胀粗颗粒材料换填效果较好，但要注意排水，使桩周土体含水量不要过高。

（2）桩周涂刷隔离剂。该方法一般是在桩周可能发生切向冻胀力的部位涂抹沥青、渣油等油脂涂料，起到对桩周土与桩体间的润滑作用，从而减小桩周切向冻胀力。

（3）桩外加套管。这是一种在活动层范围内桩外加套管的方法，套管多由铁或混凝土制作，在其内壁与桩间填充润滑材料，同时为防止套管的上拔，套管底部应做成向外凸的扩大环。

（4）隔热保温或加热采暖。该方法为通过减少冻深来销减切向冻胀力，一般应用于房屋的桩基础中。

（5）采用扩底桩。这种桩基础在冻土层中的截面尺寸较小，可减少切向冻胀力的作用，而扩大头既有较高的支撑力，又有较大的锚固力，是冻胀土中较好的桩基础结构形式。

（6）采用打入预制桩。预制打入桩具有较高的承载力，由于其表面光滑可减少切向冻胀力，如预先在桩表面涂有润滑剂，基本可消除切向冻胀力。

总的说来，在季节冻土区桩基工程中，应采用（下转110页）

107

甘肃科技纵横建筑设计

2009年（第38卷）第3期

首先在混凝土入口短管上开15个Ф10mm孔，5个一组，分

布在短管的三个不同横断面上，然后在每个孔口上焊接一个螺母，要保证螺母与小孔同心，每个螺母配个螺杆，螺杆长度要大于短管外径，相应螺杆能够上到管内部（如图2）。另外，准备一些木楔。施工时，在灌注管内混凝土时，螺杆只要求拧到螺母上即可，保证混凝土不从螺母孔中流出就可以。在混凝土灌注完成后，控

然后把15个螺杆全部拧进到短管内，要求螺制泵压3min左右，

杆全部顶到管壁。然后拆除泵管，这时可能有少量水泥浆流出，但不会由大量混凝土流出，抓紧把准备好的木楔打入短管管口，就不会发生混凝土倒流。

正常工作。

（7）严格控制混凝土塌落度，对于塌落度达不到要求的混凝土坚决不能灌注。

6混凝土倒注施工安全防护措施

图2止流装置示意图

5.4钢管混凝土施工注意事项

）要认真做好拱内垃圾清理，因为在拱内吊杆处有钢筋，如（1

果管内垃圾清理不彻底，可能会导致管内混凝土的灌注失败。

（2）在灌注混凝土前，必须对管压入清水进行洗管、润管，减小混凝土灌注时管壁吸水量和管壁摩擦。

（3）同一个拱腔灌注必须从两端同时开始。而且，混凝土灌注速度必须相等。保证拱受力对称。当拱顶溢流口大量流出混凝土，且没有出气现象时，停止混凝土灌注，说明该拱腔混凝土灌注完成。

（4）施工中需要派专人指挥两端混凝土灌注，必须保证两端灌注达到同步、一致。

（5）拱内混凝土灌注时间有非常严的时间限制，施工中要保证混凝土搅拌站混凝土的供应满足施工要求，最好联系好另外一家搅拌站备用，保证混凝土供应。

（6）施工现场，需要备用发电机。保证停电后能够保证两台泵（上接107页）哪种防冻拔措施，需要根据建筑物的等级、要求、地

一般在弱冻胀或中等冻胀质条件以及当地材料等综合加以确定。

地基上修建允许变形的小建筑物时，可采用单一措施，但如果在强冻胀地区并且建筑物对变形要求很高时，往往单一措施难以达到防冻害的目的时，而且经济上也不合理时，就要采用综合措施，这样往往会取得较好的效果。

（1）高速公路上方必须全部搭设安全防护网，防护网要求全封闭，防止由于混凝土等物跌落到公路上造成事故。

（2）拱内混凝土倒注施工中，大部分为高空作业，所有施工人员要严格按照安全操作规程进行施工。

（3）高速公路上要设专人进行防护，必要时采取该区段限速。保证施工中桥下高速公路运营安全。

（4）泵送倒注混凝土的工作压力较大，极易发生爆管、脱管等事情。派专人进行安全检查，发现问题及时解决。

（5）钢管拱桥拱为受力结构，一般拱内钢管直径较大，拱内混凝土量大，施工中在不同阶段拱的应力变化较大，所以，为防止拱变形过大，在倒注施工中派专门技术人员对钢管拱的线形进行不间断观测。

（6）每个拱腔灌注完成后，及时派人把拱外表面的混凝土进行清理，这样不但极易清理，而且防止由于以后单独清理造成危险。

7结束语

钢管拱桥梁是我国这几年桥梁发展的趋势，拱内混凝土的灌注也就相应成为了重要施工内容之一。我们施工的该钢管拱桥梁已于2008年竣工，通过采取以上措施，整个拱内混凝土灌注顺利，安全质量达到设计和规范要求。

参考文献：

【1】TB10201-2005铁路混凝土与砌体工程施工规范【2】GB50119-2003混凝土外加剂应用技术规范【3】JGJ/T10-95混凝土泵送施工技术规程

【4】赵巨海等.钢管混凝土柱泵送顶升混凝土施工技术.建筑技术，2001（2）：89.

222222222222222222222222222222222222222222222222【4】SL23-2006.渠系工程抗冻胀设计规范.北京：中国水利水电出版社，2007.【5】盛洪飞.季冻区桥梁基桩抗冻拔验算几个问题的探讨【J】.冰川冻土，1989，11（1）：44-52.【6】童长江，王雅卿，刘景寿.涂料法防冻胀的效果【C】.青藏冻土研究论文集,1983:139-142.【7】周长庆.切向冻胀力及其防治措施【J】.抗冻技术情报，1982，2：9-19.【8】丁靖康，张鲁新，叶成等.减小切向冻胀力的物理化学方法【C】.冰川冻

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【9】朱强，谢荫琦.我国寒区水利工程冻胀防治研究现状及展望【A】.第五届全国冰川冻土学大会论文集【C】.兰州：甘肃文化出版社，1996：852-862.【10】王振科.桩的抗拔稳定性分析与研究【J】.山西建筑,2008,34(2):110-111.【11】黄骏恒，许正海，葛焕友等.松永涝区扩大式桩基桥抗冻设计与应用【J】.冰川冻土,1993,15(2):387-393【12】张军伟，王大雁，马巍.寒区桩基负摩阻力计算理论分析【J】.路基工程,2007,2:7-9.

3结束语

通过以上的分析与研究，我们发现季节冻土区的桩基础极易受到土层冻胀作用而造成冻拔破坏，从而影响上部建筑物的安全

因此，对其抗冻拔稳定性验算是必不可少的，并根据计算结稳定。

果和工程实际选择合理的抗冻拔措施，进而确保工程的稳定。

参考文献:【1】王经环，齐淑珍，孙成霞.季节冻土区桩基础抗冻拔稳定计算的探讨【J】.黑龙江水专学报,2001,28(4):63-64.【2】JGJ94-2008.建筑桩基技术规范.北京：中国建筑工业出版社，2008.【3】SL211-2006.水工建筑物抗冰冻设计规范.北京：中国水利水电出版社，2007.

222222222222222222222222222222222222222222222222（上接42页）见表2：

表2压缩机油封泄漏改进对比运行周期

(月)26

故障次数(次/半年)

122

漏油量(公斤/天)

100.1

泄漏率（‰）0.680.02

员工的劳动强度，维修费用也大大降低，达到了预期目的。

参考文献：【1】徐灏.机械设计手册（第4卷）【M】.北京：机械工业出版社,1991【2】顾永泉.流体动密封【M】.北京：石油大学出版社，1991【3】马胜利,沈沛.重整氢气压缩机液压联接体及油封改造【J】.石油化工应用,2007(04)【4】邵建雄.大型往复氢压机的故障分析与整治【J】.压缩机技术，2004（04）

改造前

改造后

通过我们的共同努力，该设备的运行周期明显增加，减小了110