多年冻土地区青藏铁路的力学特性与应用

多年冻土地区青藏铁路的力学特性与应用

1青藏铁路的重要性1.1多年冻土铁路的性质在地球上，每年的冷冻土、季节制土和立即制冻土面积约占土壤面积的50%，其中每年的冷冻土面积占土壤面积的25%。中国是继俄罗斯、加拿大之后的世界第三大冻土国家。我国多年冻土面积占国土面积的22.4%。在这广阔的多年冻土地区,蕴藏着丰富的矿藏,森林和土地资源。由于资源开发的需要,多年冻土地区已成为人类生产和生活的场所。由于冻土中冰的存在决定了寒区工程建设独有的特点,如不采取与一般条件不同的特殊措施和方法,则既可能引起多年冻土地区工程建筑物运行遭受冻害威胁,也可能造成严重的经浪费。随着国民经济的发展和国家经济建设重心向西部倾斜,多年冻土区的大规模开发已势在必行。在国外,冻土学首先在俄罗斯发展成为独立的科学。M.B.罗门诺索夫在1757年曾发表“冻土地”的科学综述,对“冻土地”的形成及其与气候、地形的关系提出看法。19世纪上半叶,已初步获得西伯利亚冻土层的温度、厚度、埋藏条件和分布情况等资料。国际上在多年冻土区修筑铁路已经有了——百多年的发展史,世界上第一条横贯西伯利冻土区的铁路,自1092年开始兴建,到1905年日俄战争期间,莫斯科与符拉迪沃斯托克(海参威)之间已经开行了直通列车,至今已运营了近百年。目前俄罗斯的铁路网中已有7000km铁路穿越整个西伯利亚冻土区。美国、俄罗斯、加拿大、北欧等国由于多年冻土地区工程建设的需要,在20世纪40年代以后对冻土性质、分布、冻土与建筑物的关系等进行了大量的研究,并成功地在多年冻土地区建成了一批重要建筑物,诸如输油管道、铁路、公路、矿山、水电站、房屋建筑等。美国陆军部寒区研究与工程实验室、俄罗斯运输工程研究院、莫斯科大学、阿拉斯加大学、卡尔加利大学、瑞典岩土工程研究所、日本低温研究所、俄罗斯科学院西伯利亚冻土研究所等科研院所是国外冻土研究的主要力量。这些在高纬度冻土区修筑的铁路有成功的经验,也有失败的教训,但都在不同程度上推动了人们对冻土问题的研究,加深了人们对冻土性质的认识。应该指出的是这些高纬度冻土与高原冻土在性质上还有一定的区别。在我国,20世纪50年代中就大体确认了东北地区多年冻土分布的南北区间。针对青藏公路的高原冻土问题,中科院冰川冻土所、交通部第一公路勘察设计院及青海省公路设计院等单位从60年代起就进行了一系列的研究。70年代初,随着西藏经济发展的需求,以及青藏高原特殊地理环境条件给道路工程所带来的不良因素,开始了青藏公路的砂石路面改为黑色沥青路面的改建工程建设,对青藏公路沿线的多年冻土开展了试验研究,针对在多年冻土地区修筑高级路面的青藏公路所急需解决的技术难题,进行了路基、路面、桥涵及房建等与冻土之间相互作用的研究,特别是水热和力学过程、各类工程建筑物基础的稳定性和各种适应高原寒冷环境条件的路面、路基结构等的研究更加深入。在90年代主要研究重点为以下方面:路基下多年冻土的融化深度、多年冻土顶板埋深、路基下高含冰量冻土、厚层地下冰在垂直与水平方向的分布规律、冻土岛与融区的准确分布界限、路基下的温度场分布以及其变化趋势、不同冻土类型与路基之间的相互作用以及适应性等等。在这些方面的研究,不论是广度、深度和精度的要求都比以前有较大提高。1.2青藏铁路冻土地区的自然条件针对青藏铁路的高原冻土问题,铁道部于1960年成立了青藏高原铁路科学技术研究所(西北分院冻土研究室前身),对冻土铁路工程技术开展了全面、系统的研究工作,经过路内外有关科研、设计部门的共同努力,取得了一定的研究成果。青藏铁路的科研工作从1960年开始,由中科院冰川所、铁道部高原所和路内有关高等院校联合对昆仑山至唐古拉山青藏公路沿线多年冻土区的自然环境和冻土特征进行了全面考察,并由铁道部高原所在风火山地区建立了冻土定位观测站,为开展冻土工程系统深入的研究打下了基础。在1963年至1972年的10年间,铁道部科学研究西北研究所、铁道部第一勘测设汁院和中科院冰川冻土所紧密合作,开展了高原气象、多年冻土地温场、冻土热学、冻土力学等冻土基本性质和参数的试验研究.在风火山大东沟坡地修建了试验路堑、地下冰地段自埋式挡墙等试验工程,联合开展了冻土地区路基、桥涵、房屋基础、隧道、给排水等工程项目研究,取得了一定的成果。青藏高原是世界上面积最大、海拔最高的高原,地理位置独特,自然环境恶劣,地质条件复杂,素有“世界屋脊”和“地球第三极”之称。青藏铁路格位段将穿越约550Km多年冻土地段,九度地震区超过100Km,全线海拔高程大于4000m的地段约965Km,在唐古拉山越岭地段,线路最高海拔为5072m,为世界铁路之最。高原、冻土和环保问题是青藏铁路建设的三大难题,其特殊性和复杂性在世界铁路史上独一无二。青藏铁路格拉段北起青海省格尔木市,南至西藏自治区首府拉萨,全长1100多公里,近百分之九十的区段均在海拔4000m以上。其中,北起西大滩,南至安多,长约550Km的铁路线均位于高原多年冻土地区,全区海拔4500m以上,宏观属高准平原地貌。除昆仑山北坡地势较险外,其余山系相对高差一般均小于300m。见图1。铁路穿过的高原地区气候寒冷,绝对最高气温23℃左右,绝对最低气温在-34℃-41℃,年平均气温在-2℃～-7℃之间,结冰期一年内长达七八个月;气压低,约为560～600毫巴;多年冻土年平均地温大部分在-1.0℃～5.0℃左右。降水以固体为主,多集中在6、7、8月,年总降水量一般在400mm左右。由南向北逐渐减少。全区内多年冻土异常发育(最大厚度可达200m左右)。区内厚层地下冰广泛分布,冰锥、冰丘、沼泽化湿地、热融滑坍和热融湖(塘)等不良冻土现象大量存在。除地表水发育的少数地区外,植被分布稀疏,呈荒漠草原景观。高山寒冻风化作用明显,对工程的冻害和融沉破坏程度,非一般季节冻土地区所及。青藏铁路由于地处高原的特定环境,高海拔是它的显著特点,使得与之相联系的高原地质地理、水文地质、大气物理等状况均有着其特殊的发生、发展及其变化过程,这些过程共同制约着这一高海拔的多年冻土地区。沿着青藏高原主要山系的走向发育着规模巨大的断裂带,高原构造活动强烈,呈现山地、断陷盆地及谷地交互分布的地貌。青藏铁路多年冻土区段穿越了青藏高原昆仑山系、唐古拉山系等主要山系,即从西大滩开始,翻越昆仑山垭口,通过楚玛尔河高平原、可可西山区、秀水河和北麓河盆地、风火山山地、乌丽山地、沱沱河盆地、开心岭山地、温泉断陷谷地、最后翻越唐古拉山垭口、经头二九山至安多。其间既有河漫滩地、高平原、也有山地、断陷盆地及谷地,地形地貌千姿百态。全线最高点在唐古拉山公路垭口西侧35Km处,海拔5072m。在青藏高原多年冻土地区建设铁路毕竟是从未实践过的新的技术领域,随着几十年来自然条件和气候的变化、科学技术的飞速发展、科研成果和工程实践经验的积累,我们对自然和冻土的认识也在不断的加深,七十年代以前我们认为高原冻土是发育的,而目前现状是随着全球气温升高,高原冻土呈退缩趋势;七十年代以前研究重点侧重于冻土腹部地带的高含冰量冻土,但青藏公路整治的情况表明,冻土区边缘地带即高温冻土地带各类工程病害多于低温冻土地带;过去确定一个路基临界高度来涵盖全线,现在看来必须按不同地温分区和土质及气候条件来考虑路基合理高度;现代科学技术水平的发展及新材料、新工艺的不断出现,为防治各类工程冻害提供了新的手段,有必要对其进行应用研究。所以青藏铁路格拉段的修建仍带有很强的探索性、科研性;为了将青藏铁路格拉段建成“快速、高质量、高可靠、世界一流的高原铁路”,尽快取得高原多年冻土区铁路设计、施工经验,先行试验段的建设具有不可替代的重要意义。青藏铁路作为中国21世纪初“四大工程”之一,纵贯西部青海、西藏两省区,跨越青藏高原,是一条具有重要战略意义的铁路。这一特殊的寒区环境和工程冻土地质条件给该地区铁路路基的设计和施工增加了很大的难度,同时高海拔条件对运营期间路基的养护维修也将提出极大的挑战。及时地对这些问题进行研究并提出对策是非常必要的。2高原多年冻土地区土工设计的基本原则近年来随着全球气候变暖和人类工程活动的加剧,改变了土体与大气的热交换条件,从而使得地一气相互作用的产物——冻土的温度场发生变化,导致多年冻土的冰一水、地温等平衡状态发生变化,多年冻土退化问题逐渐引起人们的重视,冻土环境与工程环境间的相互作用成为目前研究工作的主流。在全球气候变暖,多年冻土受到影响、退化日趋严重的背景下,如何更经济地修筑高原多年冻土区的铁路和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。高原多年冻土地区的土工设计,应结合地形、地貌、不良地质现象、气温、地温、上限埋深、潜水赋存等因素来选择。综合考虑应遵循以下三项原则:即在使用年限内,始终保持人为上限以下的多年冻土处于冻结状态。即在使用年限内,控制多年冻土逐渐融化或局部融化,使变形及融化深度均在允许范围内。即在使用年限内,预先融化或清除多年冻土,并将融化后的水分疏干。正确选择设计原则,是为了确保土工结构的整体稳定。而土工结构稳定的核心是其热稳定性。衡量多年冻土热稳定性最重要的能量指标是多年冻土的年平均地温Tcp,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。其次,要对冻土进行分带或分区以确定设计适用原则。第三,由上述前提确定需要解决的关键技术问题。这里将主要讨论关键技术问题。2.1青藏铁路病害根源青藏铁路建设中高原冻土路基工程技术的关键问题是解决路基的冻胀、融沉以及长期稳定问题。作为建筑物,在青藏高原这种特定的环境地质条件下,不可避免的长期处于大气一活动层一多年冻土系统的水热相互作用之中,加之高原日温差大和气候巨变的特点,使得水、热、力的共同作用不断变化着,这正是冻胀与融沉等路基病害的根源。长期的工程实践表明,青藏铁路成败在关键在路基工程,而路基工程的关键是冻土问题。路基工程是青藏铁路格拉段数量最大的工程,已建成的冻土区铁路、公路工程都表明,路基处理不当,会产生大量的病害,比较突出的是融化下沉,路堤纵裂,冻胀隆起等,严重的危及行车安全,总结国内的冻土区路基工程的实践经验,控制高原多年冻土区路基的融沉,消除冻胀,关键技术问题在于以下几个方面。2.1.1路基高度的确定高原多年冻土区路堤合理高度与路堤填料性质及断面形式、边坡朝向、地表面性质,基底天然地层的物理、热物理性质及当地的气温、地温等诸多因素有关,根据不同的地层、不同的填料、地温研究确定路基的合理高度,达到既满足路基工程的安全可靠,又使工程造价合理的目的。2.1.2冻土温度及水分特性路基沉降的预测是至关重要的设计指标,冻土区路基的沉降受各种因素的制约。工程建筑物稳定性的最终表现,实际上是建筑物的变形问题,而控制冻土的温度和水分特征,使其不受环境和人类活动的影响,最终保持工程建筑物的稳定性,是控制变形的核心。通过观测不同冻土土质、含水量和填料的路基在不同时期的沉降量(含地基融沉),得到路基变形的时空变化并研究变形(沉降)的计算方法非常必要的。2.1.3主要的工程措施多年冻土天然热状况和地下冰及其工程影响是影响路基稳定性的最为重要的因素,选用何种路基结构、以保护冻土不致退化是工程设计的主导原则。如能找到冷却地基的方法,即采取各种主动的保护多年冻土的措施,尽量使得路基下伏多年冻土上限不下降将是非常有意义的·根据热稳定调控原理,其中主要的工程措施有:1)调控对流,即通过路基结构形式强制土体产生对流效应,有效利用自然冷能资源来保护多年冻土。如通风管、抛石护坡和块碎石互层通风路基等。2)改变土体热传导过程。如热桩(棒)、路基铺设保温材料、改变路基高度等。3)调控辐射方式。如改变路基表面颜、在路基顶部和路基边坡铺设遮阳棚和遮阳板等,以减少到达地面的太阳辐射。2.1.4结构的特性分析考虑到多年冻土冻胀融沉的固有属性,为适用土体在冻胀过程中的力学特性,利用挡护结构轻型、柔性和拼装的特点,从理论上来说,可以起到很好的防护效果。首先,其柔性变形的卸载特点适应于冻胀融沉的交替变形过程;其次,其轻型预制拼装化特点适应降低劳动强度、减少对冻土的热干扰的需要:第三,由于结构是预制拼装的,其所需场地较小,对施工现场周边环境的影响程度也就较小,植被破坏的可能性也不会很大。因此,这种结构的应用,对于环境保护具有重要的现实意义。针对高原多年冻土区,设计出轻型、柔性、拼装化挡护结构,以取得技术先进、经济合理和降低施工劳动强度的效果,满足机械化施工的要求。如L型挡墙、加筋土护坡等。2.1.5相结合材料在岩土工程领域的研究近年来,新型的保温材料、土工合成材料和改良土体技术不断应用在岩土工程领域,研究这些材料在青藏高原多年冻土地区路基中的适应性以及在保温、防水、防渗,隔断及保证高路基稳定性等方面的效果和相应的横断面结构形式是必要的。2.1.6结构形式及受力情况“跳桥”问题的解决路桥过渡段的纵向平顺过渡问题在一般铁路中就很突出,冻土区受冻融影响,路基、路堑过渡带和“跳桥”问题更严重,有必要对路基、路堑过渡带和路、桥过渡带的结构形式及受力情况尤其是动载荷的情况下的变形状况进行研究。通过对低路堤及零断面处新型保温材料的应用试验及桥路、涵路过渡带的路基填料、保温材料和土工合成材料的试验研究,寻求减小路基冻融变形的工程措施。2.1.7爆破质量测试冻土爆破开挖存在钻孔难、成孔难、留孔难等问题。通过研究爆破快速施工方案、施工程序、钻孔技术、装药技术、爆破技术和防冻、防水技术,选择合适的炸药品种、起爆器材。2.1.8路基填土和夯实的研究研究路堑快速开挖季节、支护技术、回填和夯实季节以及方法;研究路堤填土和夯实季节以及方法;试验研究利用冻土作路基填料的可行性,以及取土位置的选择;研究路基施工质量控制要求、机械选型、机种配套和快速施工的技术。,从而提高效率。保证质量和降低成本。2.2桥台冻胀倾斜,但表面仍严重不足多年冻土区桥涵工程经多年实践,病害区已大大减轻,但桥台冻胀倾斜,锥体冻胀破坏,涵洞融沉塌腰的现象在公路、铁路工程仍大量存在。针对上述问题的关键技术可概括为以下方面。2.2.1应用试验研究金属波纹管涵自重轻、施工简单、对地基热扰动小,适应变形力强,在国外多年冻土区应用较多,有必要对其在青藏高原的适应性和施工技术进行应用性研究。主要试验研究内容包括:金属波纹管圆涵材料的选用;圆涵周边荷载压力的试验研究;圆涵基础形式及材料的试验研究;最大、最小填土高度的试验研究,试验填土级配、密实度等参数对涵管受力和变形的影响;结构防腐,防磨蚀的试验研究;主要施工方法及机具设备的应用试验;工程沉降、变形观测。2.2.2施工强度试验研究研究涵洞的拼装化设计,施工技术,以加快施工速度、减少对冻土的扰动、减少涵洞冻融病害和降低施工劳动强度。主要试验研究内容包括:拼装式基础应用试验;基础埋深的试验研究;框架箱涵钢筋绑扎、混凝上浇筑的试验研究;沉降缝材料防水、防冻胀性的研究;各类涵洞沉降、变形观测;研究冰塞对涵洞类型、孔径的影响;试验研究出入口结构形式及构造防冻措施:研究各类涵洞的适应性。2.2.3主要试验研究内容桩基具有较高的水平和垂直承载能力,受地质影响小,施工机械化程度高,对地基热扰动小,扰动时间短,很适合于多年冻土区,但也存在地温混凝土问题、钻孔颈缩和孔壁滑塌问题、以及施工季节问题。主要试验研究内容包括:钻孔机具设备的应用试验;灌注和插入桩侧表面冻结力的测定;灌注和插入桩承载力的测定和计算方法确定;钻孔过程及混凝土硬化过程对地基土的热扰动和回冻时间的测定;混凝土灌注方法的研究;插入桩侧回填材料选用试验研究和回填冻结力的测定;不同地基条件下钻孔灌注桩和插入桩的适应性试验及施工方法的确定。2.2.4洞穴门冻胀破坏的试验研究多年冻土区涵洞工程经多年实践,病害区已大大减轻,但洞门冻胀破坏的现象在公路、铁路工程仍大量存在。主要试验研究内容包括:研究不同地温下保温材料的选用及施工方法;小桥涵出入口变形观测及保温效果评定。2.2.5试验研究内容针对高原施工期较短的特点,开展低湿条件下早强、防腐、阻锈,耐久混凝土及添加剂的研究。主要试验研究内容包括:在不同地温下根据侵蚀指标及混凝土标号确定添加剂材料以及配比;混凝土强度及抗冻融指标试验:混凝土硬化工程中的水化热测定:混凝土耐腐蚀及抗冻融试验;钢筋混凝土中钢筋的阻锈试验;低温早强、防腐阻锈和耐久混凝土施工中的保温、保湿技术和施工工艺。2.2.6冻土地区结构的地震反应冻土区桥梁结构的抗震问题过去研究的还很少,随着青藏铁路的建设,这个问题受到了人们的关注。冻土地区结构的地震反应分析,关键在于如何确定冻土的动力学参数。其次,通过计算融土场地和冻土场地条件下结构的反应,研究不同高度的桥墩和不同冻土厚度条件下桥墩自由场地的应力分布的一般性规律以及桥墩在不同条件下的应力和位移状态。2.3隧道关键技术研究我国的在高原冻土区隧道工程实践较少,据嫩林线、牙林线冻土区隧道工程运营现状调查,主要病害为寒季漏水挂冰、冰漫道床,冰楔作用造成衬砌开裂破坏,隧道排水工程寒季冻结,给运营和养护维修造成困难,高原地区隧道施工更加困难,目前青藏线格拉段隧道工点的高程均为国内之最,因此确定关键技术并解决是非常必要的。2.3.1新型洞门结构的研究隧道洞口往往是产生病害的薄弱环节,尤其当洞口工程位于冻土现象发育地段时,受冻融影响最大,会产生一系列热融滑坍,影响施工和运营安全。为确保洞口稳定,防止洞门开裂,需进行洞口边仰坡热稳定分析和防护措施的研究,并结合洞口冻土保护措施进行新型洞门结构的研究。同时观测洞口工程的变形、温度和冻融的变化规律。2.3.2冻融圈结构的测量多年冻土地区隧道在建成后,由于气温等外界条件的影响,衬砌背后的多年冻土会形成一个冻融交替的融化圈,使衬砌结构处在冻胀力往复作用的不利环境中。往往造成衬砌严重开裂甚至破坏。因此.需对冻融圈的动态变化、冻胀力的大小进行测试分析,以确定合理的结构设计参数及断面形式。同时,开挖面暴露后,冻土易发生热融失稳,造成围岩剥落、滑坍,为适应冻土的这种特点,需要研究相应支护形式和措施。2.3.3防排水体系不完善隧道防排水和防冻害是多年冻土地区修建隧道遇到的难题之一,我国在多年冻土地区及严寒地区较为普遍地存在着衬砌冻胀开裂、酥碎、剥落、水沟冻堵和隧底冒水、道床冻害等病害,严重威胁行车安全。固此,多年冻土地区隧道应有完整的、有效的防排水体系,避免冻害发生。同时观测结构和防排水系统结构的变形、渗水情况,评价其抗冻、防水效果。2.3.4专用风机的研制现有隧道通风是以长隧道通风方式为基础,全压高、功率大,仅用于隧道施工中的排烟、降尘。在空气稀薄的高原及严寒条件下,常规通风系统会造成风机启动困难、故障多和效率低等问题。应针对青藏高原高寒的特点,制定适合的通风方式和使用合适的通风系统,研究专用风机;同时展开加温预热进风系统、洞内施工防寒保温系统及洞内施工供氧系统的试验研究。2.4青藏铁路生态保护重点保护的生态环境作为“世界第三级”的青藏高原多年冻土地区的环境演变必然影响到全球环境。目前的人类工程活动已影响到青藏高原冻土环境和生态环境。青藏高原独特的生态环境和高原冻土区冻土环境和生态环境的相互依附关系,构成了青藏铁路建设环境保护问题的特殊性和重要性。主要保护内容包括生态环境保护、冻土环境保护和与生态环境和冻土环境紧密相关的水土保持。根据上述内容,比如开展高原多年冻土区植被营造技术试验研究、高原太阳能房屋结构和模块拼装化房屋试验研究等工作都是非常有意义的。3工程试验研究在铁道部科技司、铁道第一勘测设计院的领导下,在青藏公司、总指和工程单位的大力配合下,兰州交通大学参加了青藏现已开工的四个试验段涉及桥涵、隧道、路基等10余项试验课题工作。包括青藏线常用跨度桥梁抗震性能分析研究;昆仑山和风火山隧道低温早强耐久混凝土技术应用研究;清水河试验段桥梁桩基的应用试验研究(涵盖钻孔灌注桩、插入桩和抗拔桩);清水河拼装式涵洞应用试验研究;清水河小桥涵出入口铺砌保温材料的试验研究;北麓河L型挡墙试验研究;北麓河加筋土路基边坡柔性防护试验研究;沱沱河段桥梁钻孔灌注桩试验研究;沱沱河土工格室路基边坡柔性防护试验研究;冻土区砼灌注桩桩周地基土回冻时间和承载力形成规律的研究;青藏铁路多年冻土路基沉降变形特点的试验研究;青藏铁路安多冻土沼泽化湿地地基处理试验研究等。这里主要简介我们参加项目的相关力学问题,仅供各位代表参考。3.1结构-地基土一体化在考虑结构-地基相互作用问题时,应注意到天然地基是无限延伸的,地基能量将向无穷远处逸散。在数值计算中如何正确有效地模拟无限地基的能量辐射作用,是决定能否更精确的模拟地下结构地震反应的关键技术之一,即在数值分析中如何模拟分析体系的边界条件。建筑在不同场地的桥墩结构的地震反应分析,主要有在模型外边界施加各种人工透射边界解决能量向无限远辐射的波动分析方法;以结构为主体,地基的作用通过相互作用力求解的相互作用分析方法;以及在外边界施加不同边界条件的惯性力方法。考虑多年冻土的土层性质和场地条件,可应用粘-弹性边界模拟波向无穷远辐射的结构-地基土一体化计算方法。同时,采用将输入地震动转化为作用于人工边界上的等效荷载的方法来实现波动输入。这种一体化模型实际上考虑了结构-土相互作用对结构地震反应的影响,可以求解竖向和横向介质力学性质不均匀平面内波动问题,简称二维波动法。分别计算融土场地和冻土场地条件下结构的反应,通过比较便可分析冻土层对桥墩结构的影响。对各种冻土情况,采用子空间迭代法对自由场地进行了自振特性分析,得到自由场地的基本周期。基岩地震动可选取El-centro、Kobe加速度以及青藏铁路线上50年超越概率10%当曲河特大桥(简称DQHQ10,见图1)、朗布曲河大桥(简称LBQHQ10)场地基岩地震动时程。通过分析计算可以得到如下结论:1)由于冻土层的存在,自由场地表面的加速度峰值趋于减小。2)与融土情况相比,冻土层的存在,使桥墩的地震反应有减小的情况,也有增大的情况,这与输入波和桥墩的特性有关。但总的趋势是冻土层的存在,使桥墩的地震反应趋于减小。3)对于冻土地震区的普通桥梁,由于不考虑冻土层一般是偏于安全的,故可以不考虑冻土层的影响。而对于重要桥梁,为了保证其抗震安全性,应考虑冻土层的影响。3.2抗拔桩的长期抗剪强度根据抗拔桩桩身截面形式的不同,可以将其分为两类:等截面抗拔桩和扩底抗拔桩。抗拔承载力都是由桩周土体的抗剪强度来提供的。在多年冻土地区冻土的抗剪强度与许多因素有关(例如土体的负温、外压力与荷载的作用时间等)。冻土的负温越高,抗剪强度也越高。在荷载的长期作用下,由于冻土的“蠕变”特性,其抗剪强度降低很多,一般长期抗剪强度仅为瞬时抗剪强度的1/10—1/15。在工程设计中我们应使用其长期抗剪强度。在抗拔桩的设计计算中一般均先假设好剪切破裂体(面)的形状,然后依据不同的破坏形状就可以计算出各自所对应的极限抗拔承载力。其实,对于一定条件下抗拔桩,不可能同时存在多个破裂面。因此,如何确定给定问题的破裂面就成为研究抗拔桩问题的关键,确定了破裂面形状也就决定了抗拔桩的极限承载力。至于传力机理,等截面桩有着明显的摩擦桩的性质,即在拉拔荷载较小时,桩顶的附近处的冻结力最先发挥作用,在其达到最大值后,荷载开始向下传递直至桩底。在此过程中,桩顶附近桩土的冻结力由于裂缝的发展和桩土间相对位移的增大而逐渐降低。与等截面桩不同,扩底桩上拔时的桩侧摩阻力之发挥与桩端扩大头顶上地基土受挤压变位而引起的土抗力之发挥是远非同步的。通常桩侧摩阻力先达到它的极限值,而此时扩大头上方的土抗力尚只达到其极限值的很小一部分。特别桩长较长者更是如此。此外,在扩大头顶部以上一段桩身侧壁上,因扩大头的顶住而不能发挥出桩一土的相对位移,从而该段上侧摩阻力的发挥也受到了限制,设计中通常忽略该段上的侧摩阻力。总体来说,两种类型桩的传力机理和破坏形式有着明显的不同,扩底桩基础的破坏形态更加复杂多变且受很多因素的影响,但如果设计得当其抗拔承载力较等截面桩会有很大的提高且材料的用量增加很少3.3基桩回冻规律新建青藏铁路格拉段穿越多年冻土区长达550km,沿线遇到不同类型的多年冻土,修建了大量的桥梁工程,为保证桥梁工程的安全,多年冻土区的桥梁基础大多采用了钻孔灌注桩的形式。在过去近3年的时间中,结合工程的建设,选择了有代表性的多年冻土区(段)进行了现场试验及理论研究,就多年冻土区钻孔灌注桩的施工方法、冻土层在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问题展开研究。下面做一简述:(1)同类型冻土区(段)大直径钻孔灌注桩的回冻规律问题。多年冻土区大直径钻孔灌注桩的回冻与承载力密切相关。不同类型冻土区中的钻孔灌注桩的回冻规律呈现出不同的特点。由于地下水的作用、施工扰动及桩身混凝土浇筑后输入的大量水化热对桩周土体产生影响。在不同的冻土区桩周土层的地温在桩身混凝土浇筑后34天内急剧升高,造成桩周土体的融化,但其后的回冻规律又呈现出不同的特点。如低温冻土区(年平均地温小于-3.0℃)钻孔灌注桩在桩身混凝土浇筑7天后即出现负温(即使在夏季),而且地温下降梯度很大,及桩身混凝土达到设计强度时(28天),桩壁地温已接近天然地温。融区与多年冻土区过渡带段,混凝土浇筑后110天基桩周围地基土不能回冻,该段多年冻土在局部区域内冻土不复存在,同时也说明融区和多年冻土过渡带段冻土层较为脆弱,施工对该地区冻土层的赋存环境影响是很大的,基桩的回冻成为不可逆的过程。桥梁基础群桩施工中,由于桩间距较小,造成局部区域的地温升高,而且工程桩与试桩相互影响,造成回冻过程缓慢。(2)区与多年冻土区过渡带夏季、冬季不同地温条件,下大直径钻孔灌注桩的承载性质问题。通过融区与多年冻土区过渡带冬季和夏季两次现场试验,桩侧摩阻与地温呈现显著的相关性,比较试桩的分段侧摩阻值可知,多冰冻土层的桩侧冻结强度发挥值相差近1倍,其它地层的桩侧摩阻夏季较冬季相差20%～50%。(3)高温细颗粒不稳定区基桩未回冻条件下大直径钻孔灌注桩的承载性质问题。夏季进行大直径钻孔灌注桩(桩径为1.25m、桩长为14.7m)的施工并进行现场基桩试验,当桩身混凝土达到设计强度时,荷载试验表明此时基桩的承载力很低,残余变形量较大。第二次加载试验至4800kN时的平均侧摩阻值为68.9kPa,桩端阻为735.3kPa。说明随着桩周土及桩底土地温的降低桩侧阻及桩端阻有较大的发挥,但此时相应的沉降量为13.92mm,残余沉降量为9.90mm,已不能满足工程的要求。说明高温细颗粒不稳定区进行大直径钻孔灌注桩的施工,待基桩回冻前不宜使基桩承受荷载,即不宜进行后续施工,桩土体系在未回冻时承载力是较小的。(4)地下厚层冰段大直径钻孔灌注桩的承载力与变形性质问题。现场试验表明,桩侧摩阻的发挥随桩周土层的风化程度及地温状态呈现出迥异的特征:随着泥灰岩风化程度的减弱,桩侧摩阻值增大。如深度为10-11m的桩段,风化泥灰岩在桩顶荷载为6000kN时的桩侧摩阻值为407.19kPa;该值当然也与地温状态有关。(5)大直径钻孔灌注桩的水平承载性质问题。地基系数值与桩的刚度、土性、位移值的大小、荷载大小等许多因素有关。在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均较为合理,得到的m值介于19600kPa/m2～29000kPa/m2之间,处于设计规范的取值范围。3.4桩的承载力和桩土厚度钻孔插入桩的承载力受回填材料和工艺的影响很大。桩周回填粘土砂浆回冻过程由于水份向桩表面迁移形成冰膜降低桩的承载能力,用砂回填捣固不密实也会使承载能力降低,而振动充填砂浆,可提高冻结强度50%,由于受孔底条件影响,使桩尖支承力不能发挥,而孔底的清理往往因地下水发育或坍孔不能抽干,泥浆沉孔底,或者打桩时将松土挤入孔底。因此桩的承载力比钻孔打入桩、钻孔灌注桩低20～30%。此外,冻土对桩的冻结强度和桩尖处的冻土的承载力与土的颗粒组成冻土的含冰状态有关。并随冻土温度降低而增高。这和冻土的抗剪抗压强度一样。从实测分析中可以看出,当荷载较小时荷载主要由桩上部冻结力承担,桩底反力占荷载比例很小。随荷载增加桩底反力所占比例逐渐增加。荷载接近极限时冻土上限附近发生应力松驰,桩侧下部剪应力与桩侧壁阻力的共同作用状态取决于荷载的大小和作用时间,也与桩周桩底土的变形特性及沉桩方法有关。在极限荷载作用下桩底反力占荷载3～27%。3.5墙后土压力考虑到多年冻土冻胀融沉的固有属性,为适用土体在冻胀过程中的力学特性,利用L型支挡结构轻型、柔性的特点,从理论上来说,可以起到很好的防护效果。首先,其柔性变形的卸载特点适应于冻胀融沉的交替变形过程;其次,其轻型预制拼装化特点适应降低劳动强度、减少对冻土的热干扰的需要;第三,L型挡土墙是预制拼装的,其所需场地较小,对施工现场周边环境的影响程度也就较小,植被破坏的可能性也不会很大。因此,这种结构的应用,对于环境保护具有重要的现实意义。在多年冻土地区设计挡土墙的截面尺寸,关键是确定设计荷载,而这里的设计荷载主要就是定量的确定土压力或是冻胀力。20年来,无论是公路还是铁路,有关多年冻土地区的支挡结构资料都非常少,尤其是实际工程的土压力实测资料。为了全面了解墙后土压力的分布特性,结合青藏铁路格拉段北麓河试验段目前唯一的支挡结构措施,对墙背及假想墙背处的土压力进行了测定。和常规库仑理论的不同分析模式(假想墙背、第二破裂面和能量守恒模式等)计算值相比,墙背与假想墙背处的一个冻融循环周期的实测土压力远大于理论土压力。也大于《规范》水平冻胀力值,见表1。经过前述理论分析及实测结果分析,可以发现,在多年冻土区,如果借用一般库仑土压力理论分析设计挡土