湖岸強凍脹土區(qū)船臺樁基礎(chǔ)凍拔試驗研究

湖岸強凍脹土區(qū)船臺樁基礎(chǔ)凍拔試驗研究

人工湖的平臺是游客上下船只的轉(zhuǎn)世平臺，由游客和系泊電纜系統(tǒng)承擔負荷。船臺結(jié)構(gòu)形式多為現(xiàn)澆鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)沉入湖岸土層內(nèi),樁上承托梁板式鋼筋混凝土平臺(船臺)。在寒冷地區(qū),船臺樁側(cè)土凍脹產(chǎn)生向上的切向凍脹應(yīng)力作用于樁身,當船臺和樁的自重及樁下未凍土層產(chǎn)生的摩擦力不足以平衡土切向凍脹應(yīng)力時,樁即發(fā)生向上“拔起”的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象我們稱之為“凍拔”。凍拔位移值逐年累計增加,導致船臺漸漸上升,使船臺板和岸邊連接構(gòu)件變形不一致,引起連接構(gòu)件的拉裂。同時,在臺岸交接處,多年的上拔積累形成一個變化的臺階而影響使用。據(jù)工程調(diào)查,在使用期內(nèi),季節(jié)性凍土地區(qū)人工湖岸船臺樁基礎(chǔ)“凍拔”現(xiàn)象發(fā)生頻率在80%以上,且低溫環(huán)境不同,輕重程度各異。據(jù)測算,長春市各公園船臺樁基礎(chǔ)在使用期內(nèi),處理“凍拔”質(zhì)量問題每年發(fā)生實際費用接近10萬元,占樁船臺投資的1.5%。從處理費用可見三北地區(qū)針對此類問題而發(fā)生的資源浪費是較嚴重的。2005年10月,我院與長春市園林局重點工程辦工室針對湖岸構(gòu)筑物“凍害”質(zhì)量問題立項并研究?！按_凍拔質(zhì)量問題研究”是其中的一個子課題。課題組在長春市的南湖公園、長春公園建立了“凍拔”位移觀測站,進行實驗觀測,研究樁基“凍拔”位移發(fā)生及發(fā)展規(guī)律。1.1“凍拔”位移觀測實驗方法的確定“凍拔”位移觀測研究的目的:針對湖岸強凍脹土區(qū)船臺樁基受基土凍脹產(chǎn)生的上拔位移的觀測,獲得樁基礎(chǔ)“凍拔”位移數(shù)據(jù),揭示船臺樁基“凍拔”位移發(fā)展變化的自然規(guī)律,為后期解決措施的研究提供可信度高的實驗數(shù)據(jù)。“凍拔”位移值(△h,見圖1)觀測實驗方法的考慮:采用精密水準測量單測站法,于船臺上選擇對“凍拔”位移反應(yīng)敏感的部位設(shè)置凍拔位移觀測點(Di,見圖1),岸邊埋設(shè)不受凍脹影響的高程基準點(JDi,見圖1)。氣候進入不同的低溫時段,觀測出各位移觀測點與基準點的高差,推算“凍拔”位移值。以之來研究不同低溫階段“凍拔”位移的變化狀態(tài)。1.2“凍拔”位移的特征不同的低溫時段,船臺樁基土凍結(jié)產(chǎn)生的不同強度的切向凍脹應(yīng)力τ(見圖1)對樁的作用不同,即在變化的切向凍脹應(yīng)力的作用下樁的凍拔位移量大小及凍拔速度各異。足見“凍拔”位移應(yīng)在不同的低溫時段進行觀測才能反映“凍拔”位移的變化特征。即“凍拔”位移的觀測期應(yīng)從正溫下降至寒冷期的最低溫度后,至氣溫回升到常溫初期的這一溫度的變化區(qū)間。長春地區(qū)約在每年11月初土層開始凍結(jié),3月下旬至4月中旬氣溫緩慢回升,凍結(jié)土層緩慢融解,至4月下旬接近完全解凍。椐此,樁“凍拔”位移的觀測期選在2005年11月初至2006年4月下旬(即一個寒期)。測量觀察該溫度時區(qū)內(nèi)樁的凍拔位移量及其變化規(guī)律。為掌握凍拔位移的長期變化形態(tài),可將觀測期定為幾個寒期。1.3“冷凍高度”測量點的配置1.3.1南湖公園的北船臺“凍拔”位移觀測點布點方案凍拔位移觀測點位應(yīng)敏感地反應(yīng)船臺樁基凍拔特征。樁頂對應(yīng)的船臺板上表面處凍拔位移最敏感,選為實際布點位置(如圖1)。此外,為能夠反映獨立船臺不同部位產(chǎn)生的凍拔位移,凍拔觀測點的數(shù)量應(yīng)足夠,點位的設(shè)置應(yīng)兼顧于實驗儀器的通視測量和有效視距要求,且便于長期保存。點位處理平整以減少立尺測量操作時的誤差。應(yīng)做恰當?shù)木幪枠俗R。南湖公園新建西船臺群和長春公園北船臺的“凍拔”位移觀測實驗按以上要求布點。南湖公園新建西船臺群“凍拔”位移觀測點的實際布點方案如圖2所示。一個寒期觀測取得的樁基凍拔位移的準確性評估,凍拔位移觀測點布點合理。1.3.2凍拔位移檢測基準點樁的埋深“凍拔”位移觀測基準點樁是用于判別船臺樁基是否發(fā)生凍拔位移的絕對基準(見圖2,3)?；鶞庶c樁必須在整個觀測期內(nèi)保持樁頂標高不變。這樣,測量出的基準點樁與凍拔位移觀測點間的高差,即凍拔位移值才具有真實性和可靠性。重復精密水準測量儀器的前后視距應(yīng)盡量相等,便于消除視距誤差,以測得準確的數(shù)據(jù)?；谝陨弦髮⒏呔芏人疁蕛x前后視距定為50m左右,即“凍拔”位移觀測基準點樁埋設(shè)在岸邊距船臺100m的范圍之內(nèi)的適當位置?！皟霭巍蔽灰朴^測基準點樁本身埋設(shè)的防凍拔設(shè)施:長春地區(qū)標準凍土深度設(shè)計值為1.7m,現(xiàn)場凍土挖掘試驗證實凍土深度為1.3m。選定基準點樁的埋深為2.5m,即樁穿越凍層后再入未凍土層1.2m。將基準樁直徑1.5m范圍內(nèi)的凍土層全部挖掉,然后分層交替鋪設(shè)苯板、干樹葉和塑料布封閉保溫,隔離基準點樁與周圍土層間的凍脹影響。其埋設(shè)方法及保溫方法如圖3。在南湖公園、長春公園凍拔位移的實驗觀測期間,土凍脹沒有影響凍拔基準點樁的標高,使用期間標高是穩(wěn)定的,說明措施有實效。1個獨立測量區(qū)域的岸邊埋設(shè)十個凍拔位移觀測基準樁,宜在埋設(shè)穩(wěn)定后使用。1.4中“凍脹”位移的精確觀測1.4.1船臺樁凍拔位移的測量如前所述,在不同的低溫時段,由于土層凍脹導致船臺樁在相應(yīng)時段產(chǎn)生的凍拔位移值大小不等,位移的發(fā)生可能是短時的,也可能是漸變的。若要精確地量測出樁凍拔位移值,精密水準測量是有效的方法。用于國家一、二級水準測量的精密水準儀觀測數(shù)據(jù)精確,光學測微器觀測值可以精測到0.1mm,估測到0.05mm,儀器性能受溫度變化影響小。若船臺樁凍拔位移值超過1mm時,精密水準儀可觀測得到。選擇精密水準儀量測船臺凍拔位移具有可操作性。能夠保證測量出的上拔位移值的精確度和可靠性。南湖公園、長春公園船臺凍拔位移觀測實驗中,選擇了精密水準測量方案,使用儀器為德國產(chǎn)Ni004型精密水準儀及配套的精密水準尺。1.4.2船臺凍拔位移觀測方法及驗證船臺凍拔位移的觀測是在低溫下的重復精密水準測量,有時氣溫可達-20℃以下,儀器的性能和測量操作過程要經(jīng)歷持續(xù)低溫的檢驗,要采取有效的措施:每次正式觀測前,現(xiàn)場檢驗儀器各部件是否靈活;精密水準儀視準線是否水平;現(xiàn)場測量條件準備是否充分;清除凍拔位移基準點和凍拔位移觀測點上的結(jié)冰或積雪,清理至原始標高面。在觀測過程中:精密水準儀架設(shè)于凍拔位移觀測點與凍拔位移基準點的中間位置,保證“通視”且保持前后視距基本等距;選擇單測站同一儀器高,正向和逆向兩測回制的觀測方法;讀數(shù)時,必需保證水準儀精平水平,管內(nèi)氣泡居中;每個觀測點觀測2次讀數(shù);密切關(guān)注當?shù)貧庀笈_站預報的觀測期間氣溫變化,及時補充觀測次數(shù);觀測結(jié)束后,凍拔位移基準點樁頂及其周圍一定范圍內(nèi)的地表面要采取嚴密的覆蓋保溫、保護措施,保持封閉,以防止基準點樁位置和頂標高發(fā)生變化。凍拔位移值的計算:凍拔位移值△h(m)=實際觀測的凍拔位移觀測點高程(m)-實際觀測的凍拔位移基準點高程(m)-基期高差(m)基期高差(m)=結(jié)凍前凍拔位移觀測點高程(m)-結(jié)凍前凍拔位移基準點高程(m)(以上計算結(jié)果均精確到0.0001)凍拔位移測量值驗收的中誤差取≤2(其中n為測站數(shù),即n=1時,中誤差限值為2mm)。觀測期內(nèi)7次凍拔位移值的觀測值,中誤差均滿足≤2,表明實驗觀測的船臺凍拔位移值準確度可靠。凍拔精密水準測量手簿(即實驗觀測記錄)內(nèi)容:如表1所示。2“凍拔”位移觀測基準點樁的布點凍拔位移觀測實驗場之一為南湖公園西船臺群的4座新建獨立船臺。結(jié)構(gòu)型式為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)承托梁板式鋼筋混凝土船臺板。樁基入土深度為10m,樁徑為Φ350。地下水埋藏在二、三層粘性土層中的孔隙水,屬弱透水層,受大氣降水和湖水補給,水位隨季節(jié)變化,勘察期間鉆孔內(nèi)水位與湖水連通,穩(wěn)定水位為地表下0.5—2.8m,標高為211.80—212.43m。土層為強凍脹性地基土?！皟霭巍蔽灰朴^測點及“凍拔”位移觀測基準點樁的布點如圖4和圖2。在一個觀測期(一個寒期)的各低溫時段至升溫期,進行了7次凍拔位移實驗觀測。對測得的凍拔位移值數(shù)據(jù)成果的分析觀察表明:“凍拔”現(xiàn)象是真實存在,呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。對觀測實驗數(shù)據(jù)計算處理后,各階段船臺樁凍拔位移值觀測實驗成果見表2:3凍拔位移值分析據(jù)南湖公園西船臺群樁基凍拔位移值觀測成果(表2),繪制的各低溫時段相應(yīng)的凍拔位移變化曲線,如圖4:各低溫時段的凍拔位移變化曲線表現(xiàn)出如下規(guī)律:在一個觀測期內(nèi)(一個寒期內(nèi)),各船臺樁基礎(chǔ)發(fā)生的凍拔位移變化總體趨同,均呈上升和下降2階段變化;在觀測期末凍拔位移趨于穩(wěn)定,相應(yīng)的凍拔位移值我們定義為穩(wěn)定值——即為一個寒期的凍拔位移值,就是年度的“凍拔”量。對應(yīng)于凍拔位移曲線的上升段,此時,土層為淺層凍結(jié),凍結(jié)速率低,但凍結(jié)充分,產(chǎn)生的凍脹量大,相應(yīng)作用于樁上的有效切向凍脹應(yīng)力增大,引起樁在該低溫區(qū)段快速上拔,上拔曲線較陡且接近于直線變化而達到凍拔位移的最大值(如:曲線峰值處,即最大凍拔位移值為81mm)。此時土層接近最大,凍結(jié)深度。位移曲線下降段較平緩,位移減小的過程近似于直線變化,表明在后期的持續(xù)低溫作用下,土層在達到最大凍結(jié)深度后期的較長時間內(nèi),樁的凍拔位移量反而緩慢回落。說明凍結(jié)土層受晝夜溫差引起的熱脹冷縮作用,在熱脹冷縮影響深度區(qū)域內(nèi),土層與樁基的接觸切向凍脹應(yīng)力變?nèi)趸蛳麥p,則在全部凍深內(nèi)作用于樁基上的有效切向凍脹應(yīng)力變小。此時,在自重作用下樁基將下沉,直至樁基自重與土層內(nèi)有效切向凍脹應(yīng)力接近平衡時,樁基下沉減緩。升溫后土層全部融解后,切向凍脹應(yīng)力消除,樁基自