多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁人工凍結(jié)機(jī)制與穩(wěn)定性的深度剖析

一、引言1.1研究背景與意義隨著全球基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，在多年凍土區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)的需求日益增長(zhǎng)。多年凍土區(qū)廣泛分布于高緯度和高海拔地區(qū)，如青藏高原、東北北部以及北極圈等區(qū)域。這些地區(qū)蘊(yùn)含著豐富的自然資源，同時(shí)在交通、能源開發(fā)等領(lǐng)域具有重要的戰(zhàn)略地位。然而，多年凍土特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，給工程建設(shè)帶來了諸多挑戰(zhàn)。鉆孔灌注樁作為一種常用的基礎(chǔ)形式，因其對(duì)不同地質(zhì)條件的良好適應(yīng)性、施工工藝相對(duì)成熟以及承載能力較高等優(yōu)點(diǎn)，在多年凍土區(qū)的工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。在青藏鐵路、川藏公路等重大交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，鉆孔灌注樁被大量用于橋梁基礎(chǔ)、邊坡錨固等工程部位。但在多年凍土區(qū)，由于凍土的溫度敏感性和復(fù)雜的力學(xué)特性，鉆孔灌注樁的施工和服役面臨著一系列問題。例如，鉆孔過程中的熱擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致樁周凍土融化，降低土體對(duì)樁的側(cè)向約束和承載能力；混凝土澆筑后的水化熱也會(huì)進(jìn)一步加劇凍土的熱融，影響樁-土體系的穩(wěn)定性。此外，季節(jié)性的凍融循環(huán)以及長(zhǎng)期的溫度變化，會(huì)使樁周土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生劣化，威脅到樁基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。人工凍結(jié)技術(shù)作為一種有效控制土體溫度和力學(xué)性質(zhì)的手段，在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁工程中具有關(guān)鍵作用。通過人工凍結(jié)，可以在鉆孔灌注樁施工過程中，維持樁周凍土的凍結(jié)狀態(tài)，減少熱擾動(dòng)對(duì)土體的影響，確保施工過程的安全和順利進(jìn)行。在凍結(jié)壁的保護(hù)下，鉆孔過程中樁周土體的穩(wěn)定性得以提高，避免了因土體坍塌導(dǎo)致的鉆孔事故。人工凍結(jié)還能增強(qiáng)樁-土界面的粘結(jié)力和摩擦力，提高鉆孔灌注樁的承載能力和穩(wěn)定性。在凍土融化季節(jié)，人工凍結(jié)可以防止樁周凍土過度融化，保證樁基的正常工作。對(duì)多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的人工凍結(jié)和穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，具有重要的理論和實(shí)際意義。在理論方面，有助于深入理解多年凍土與鉆孔灌注樁相互作用的力學(xué)機(jī)制，豐富和完善寒區(qū)巖土力學(xué)理論體系。通過研究人工凍結(jié)條件下樁-土體系的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)的變化規(guī)律，可以為寒區(qū)工程的數(shù)值模擬和理論分析提供更準(zhǔn)確的模型和參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，本研究成果可以為多年凍土區(qū)工程建設(shè)提供科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)和施工技術(shù)指導(dǎo)，提高工程的安全性和可靠性，降低工程風(fēng)險(xiǎn)和建設(shè)成本。合理的人工凍結(jié)方案可以有效減少樁基施工對(duì)凍土環(huán)境的影響，保護(hù)多年凍土區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境。在能源開發(fā)領(lǐng)域，準(zhǔn)確掌握鉆孔灌注樁在多年凍土區(qū)的穩(wěn)定性，有助于保障石油、天然氣等能源開采設(shè)施的安全運(yùn)行，促進(jìn)寒區(qū)資源的合理開發(fā)和利用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的人工凍結(jié)及穩(wěn)定性研究一直是寒區(qū)工程領(lǐng)域的重要課題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面開展了大量研究工作。在國(guó)外，俄羅斯、加拿大、美國(guó)等國(guó)在多年凍土區(qū)工程建設(shè)實(shí)踐中積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。俄羅斯早在20世紀(jì)初就開始在西伯利亞地區(qū)進(jìn)行多年凍土區(qū)的工程建設(shè)，對(duì)鉆孔灌注樁在多年凍土中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。他們通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析，研究了凍土的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)樁基礎(chǔ)承載能力的影響，提出了一些經(jīng)驗(yàn)公式和設(shè)計(jì)方法。在凍土的蠕變特性研究方面，俄羅斯學(xué)者通過長(zhǎng)期的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，建立了較為完善的凍土蠕變模型，為樁基礎(chǔ)在長(zhǎng)期荷載作用下的穩(wěn)定性分析提供了理論依據(jù)。加拿大在北極地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，也對(duì)多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁進(jìn)行了深入研究。他們注重研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)樁周土體力學(xué)性質(zhì)的影響，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，分析了樁-土體系在凍融循環(huán)作用下的力學(xué)響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致樁周土體的強(qiáng)度降低、孔隙率增大，從而影響樁的承載能力和穩(wěn)定性。在數(shù)值模擬方面，加拿大的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一些專門用于模擬多年凍土區(qū)樁-土相互作用的軟件，考慮了凍土的相變、溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合等因素，提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。美國(guó)在阿拉斯加地區(qū)的石油管道、公路等工程建設(shè)中，對(duì)多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的人工凍結(jié)技術(shù)進(jìn)行了研究。他們采用人工制冷的方法，在鉆孔灌注樁施工過程中控制樁周凍土的溫度，減少熱擾動(dòng)對(duì)土體的影響。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了人工凍結(jié)條件下樁-土體系的溫度場(chǎng)分布和力學(xué)性能變化，優(yōu)化了人工凍結(jié)方案和施工工藝。在人工凍結(jié)技術(shù)的應(yīng)用方面，美國(guó)的研究成果為其他國(guó)家提供了重要的參考，推動(dòng)了該技術(shù)在全球多年凍土區(qū)工程建設(shè)中的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，隨著青藏鐵路、川藏公路等重大工程的建設(shè)，我國(guó)在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的研究取得了顯著進(jìn)展。在青藏鐵路建設(shè)中，科研人員針對(duì)多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的施工和穩(wěn)定性問題進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論研究。通過對(duì)不同類型凍土的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，建立了適合青藏鐵路多年凍土區(qū)的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論和方法。在樁基受力計(jì)算方面，根據(jù)青藏鐵路多年凍土區(qū)的特點(diǎn)，提出了雙“m法”來計(jì)算樁基在水平力和豎向力作用下的內(nèi)力和變位，比傳統(tǒng)的“m法”更符合凍土區(qū)的實(shí)際情況。學(xué)者們還對(duì)鉆孔灌注樁施工過程中的熱擾動(dòng)問題進(jìn)行了深入研究，分析了混凝土水化熱、鉆孔過程中的熱量傳遞等因素對(duì)樁周凍土的影響，并提出了相應(yīng)的控制措施。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，研究了不同施工工藝和保溫措施下樁周凍土的溫度變化規(guī)律，為減少熱擾動(dòng)提供了科學(xué)依據(jù)。在混凝土材料方面，研發(fā)了低溫早強(qiáng)耐久性混凝土，以減少水化熱并獲得早強(qiáng)抗凍性，確保樁基在低溫環(huán)境下的施工質(zhì)量和承載能力。盡管國(guó)內(nèi)外在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的人工凍結(jié)和穩(wěn)定性研究方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有研究對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下多年凍土與鉆孔灌注樁的相互作用機(jī)制研究還不夠深入，尤其是在凍土含冰量、顆粒組成等因素變化時(shí)，樁-土體系的力學(xué)行為和長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究還存在欠缺。在人工凍結(jié)技術(shù)方面，雖然已經(jīng)有了一些應(yīng)用，但對(duì)于凍結(jié)壁的厚度、強(qiáng)度以及凍結(jié)時(shí)間的優(yōu)化等問題，還缺乏系統(tǒng)的研究，導(dǎo)致在實(shí)際工程中人工凍結(jié)方案的設(shè)計(jì)缺乏足夠的理論依據(jù)。在數(shù)值模擬方面，雖然已經(jīng)開發(fā)了一些考慮凍土特性的數(shù)值模型，但在模型的準(zhǔn)確性和通用性方面還需要進(jìn)一步提高?，F(xiàn)有的數(shù)值模型往往難以全面考慮凍土的相變、溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合、凍融循環(huán)等復(fù)雜因素，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。對(duì)多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)積累不足，難以對(duì)樁基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，這也限制了相關(guān)理論和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，有必要對(duì)多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的人工凍結(jié)和穩(wěn)定性進(jìn)行更深入的研究，以完善相關(guān)理論和技術(shù)，為多年凍土區(qū)的工程建設(shè)提供更可靠的支持。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容人工凍結(jié)原理與技術(shù)研究：深入剖析人工凍結(jié)技術(shù)在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁工程中的應(yīng)用原理，包括凍結(jié)管的布置方式、制冷系統(tǒng)的工作原理以及凍結(jié)壁的形成機(jī)制等。研究不同凍結(jié)參數(shù)（如凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)間、冷媒流量等）對(duì)凍結(jié)效果的影響，通過理論分析和數(shù)值模擬，建立凍結(jié)過程的數(shù)學(xué)模型，為優(yōu)化凍結(jié)方案提供理論依據(jù)。鉆孔灌注樁施工中的技術(shù)難點(diǎn)分析：針對(duì)多年凍土區(qū)的特殊地質(zhì)條件，分析鉆孔灌注樁施工過程中面臨的技術(shù)難題。研究鉆孔過程中的熱擾動(dòng)對(duì)樁周凍土的影響規(guī)律，包括凍土的融化范圍、融化速率以及對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的改變。探討混凝土澆筑過程中的水化熱問題，分析水化熱對(duì)樁周凍土的熱影響以及如何通過施工工藝和材料選擇來降低水化熱的不利影響。還需研究在低溫環(huán)境下，混凝土的施工性能和早期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，確?；炷恋臐仓|(zhì)量和樁基的承載能力。穩(wěn)定性影響因素研究：全面分析影響多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁穩(wěn)定性的各種因素。從土體性質(zhì)方面，研究?jī)鐾恋暮?、顆粒組成、溫度等因素對(duì)樁-土相互作用的影響，分析不同土體性質(zhì)下樁的承載能力和變形特性。考慮上部結(jié)構(gòu)荷載的作用，研究不同荷載類型（如豎向荷載、水平荷載、偏心荷載等）和荷載大小對(duì)樁基穩(wěn)定性的影響規(guī)律。探討凍融循環(huán)對(duì)樁周土體力學(xué)性質(zhì)的劣化作用，分析凍融循環(huán)次數(shù)、溫度變化范圍等因素對(duì)樁-土體系長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響。數(shù)值模擬與模型驗(yàn)證：利用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，建立多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的數(shù)值模型，模擬人工凍結(jié)過程和樁-土體系在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)。通過數(shù)值模擬，分析溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)的分布規(guī)律，預(yù)測(cè)樁基的承載能力和穩(wěn)定性。將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和已有研究成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高模擬結(jié)果的精度。工程案例分析與應(yīng)用：選取多個(gè)具有代表性的多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁工程案例，對(duì)其人工凍結(jié)方案、施工過程和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析?？偨Y(jié)工程實(shí)踐中的成功經(jīng)驗(yàn)和存在的問題，為后續(xù)工程提供參考。根據(jù)研究成果，提出針對(duì)不同地質(zhì)條件和工程要求的人工凍結(jié)方案和施工技術(shù)建議，將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程，驗(yàn)證其可行性和有效性，推動(dòng)多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁工程技術(shù)的發(fā)展。1.3.2研究方法文獻(xiàn)研究法：廣泛收集國(guó)內(nèi)外關(guān)于多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁人工凍結(jié)和穩(wěn)定性的相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告、工程規(guī)范等。對(duì)這些文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及存在的問題，為研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。通過文獻(xiàn)研究，總結(jié)前人在人工凍結(jié)技術(shù)、樁-土相互作用理論、數(shù)值模擬方法等方面的研究成果，為本文的研究提供參考和借鑒。案例分析法：深入研究多個(gè)實(shí)際的多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁工程案例，收集工程的地質(zhì)勘察資料、設(shè)計(jì)文件、施工記錄以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。對(duì)這些案例進(jìn)行詳細(xì)的分析，了解工程在人工凍結(jié)方案設(shè)計(jì)、施工過程控制以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面的實(shí)際情況。通過案例分析，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，發(fā)現(xiàn)工程中存在的問題和挑戰(zhàn)，為提出針對(duì)性的解決方案提供依據(jù)。數(shù)值模擬法：運(yùn)用有限元分析軟件（如ANSYS、ABAQUS等），建立多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的數(shù)值模型。在模型中考慮凍土的物理力學(xué)性質(zhì)、相變特性、溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用以及樁-土相互作用等因素。通過數(shù)值模擬，分析不同工況下樁-土體系的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)樁基的承載能力和穩(wěn)定性。數(shù)值模擬可以彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析的不足，能夠快速、準(zhǔn)確地研究各種因素對(duì)樁基性能的影響，為工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有力支持。理論分析法：基于傳熱學(xué)、凍土力學(xué)、巖土力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)人工凍結(jié)過程中的熱量傳遞、凍土的力學(xué)性質(zhì)變化以及樁-土相互作用進(jìn)行理論分析。建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)計(jì)算公式，分析凍結(jié)壁的厚度、強(qiáng)度以及樁的承載能力等關(guān)鍵參數(shù)。通過理論分析，揭示多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁人工凍結(jié)和穩(wěn)定性的內(nèi)在機(jī)理，為數(shù)值模擬和工程實(shí)踐提供理論依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法：在實(shí)際工程中，對(duì)鉆孔灌注樁的施工過程和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括樁周土體的溫度變化、樁身的應(yīng)力應(yīng)變、樁基的位移等。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬和理論分析的結(jié)果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程中存在的問題并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)還可以為研究多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的長(zhǎng)期性能提供數(shù)據(jù)支持，為工程的安全運(yùn)營(yíng)提供保障。二、多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁概述2.1多年凍土特性多年凍土，又稱永久凍土，是指溫度等于或低于0℃，且含有固態(tài)冰，并持續(xù)3年或3年以上的凍結(jié)不融的土壤和疏松巖石。其形成與分布主要受緯度和海拔高度的控制。在全球范圍內(nèi)，多年凍土廣泛分布于北半球的高緯度地區(qū)，如俄羅斯的西伯利亞地區(qū)、加拿大的北部以及美國(guó)的阿拉斯加等地；在中低緯度地區(qū)，主要分布于高海拔的山區(qū)，如青藏高原、安第斯山脈等。中國(guó)是世界第三多年凍土大國(guó)，多年凍土主要分布在東北北部地區(qū)、西北高山區(qū)及青藏高原地區(qū)，其中青藏高原的多年凍土占我國(guó)多年凍土總面積的70%。根據(jù)多年凍土在水平方向上的分布狀態(tài)，可分為整體多年凍土和非整體多年凍土。整體多年凍土在水平方向上呈大片連續(xù)分布，無融區(qū)存在；非整體多年凍土則在水平方向上分布較為分離，中間被融區(qū)間隔。按照地理分布，多年凍土又可分為高緯度多年凍土和高海拔多年凍土。高緯度多年凍土主要分布在極地和亞極地地區(qū)，受高緯度低溫氣候的影響而形成；高海拔多年凍土則分布在高山和高原地區(qū)，由于海拔高、氣溫低，滿足了凍土形成的條件。多年凍土具有獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)對(duì)鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)、施工和穩(wěn)定性產(chǎn)生著重要影響。在物理性質(zhì)方面，多年凍土的總含水率是指凍土中所有冰的質(zhì)量與骨架質(zhì)量之比和未凍水的質(zhì)量與土骨架質(zhì)量之比的和。由于凍土中含有未凍結(jié)水，其含冰量不等于凍土融化時(shí)的含水率，衡量?jī)鐾梁康闹笜?biāo)有相對(duì)含冰量、質(zhì)量含冰量和體積含冰量。相對(duì)含冰量是凍土中冰的質(zhì)量與全部水的質(zhì)量之比；質(zhì)量含冰量是凍土中冰的質(zhì)量與凍土中土骨架質(zhì)量之比；體積含冰量是凍土中冰的體積與凍土總體積之比。這些物理參數(shù)直接影響著凍土的密度、孔隙率等物理性質(zhì)，進(jìn)而影響鉆孔灌注樁與周圍土體的相互作用。在力學(xué)性質(zhì)上，多年凍土的強(qiáng)度與變形特性與其他類型土的最大差別在于其中冰的存在。冰的強(qiáng)度隨溫度的降低而增加，并隨冰晶的結(jié)構(gòu)構(gòu)造變化而變化。此外，冰的強(qiáng)度還隨應(yīng)變速率的增大而增大，在破壞類型上表現(xiàn)為由塑性向脆性的轉(zhuǎn)變，這使得凍土也具有類似的特征。凍土的強(qiáng)度受溫度、壓力以及應(yīng)變速率的改變而發(fā)生很大變化：當(dāng)溫度降低時(shí)，凍土的強(qiáng)度隨之增加；當(dāng)荷載作用歷時(shí)延長(zhǎng)時(shí)，顆粒間膠結(jié)冰產(chǎn)生塑流而具有流變性，這一特點(diǎn)使得凍土的瞬時(shí)強(qiáng)度大而長(zhǎng)期強(qiáng)度?。浑S應(yīng)變速率的加大，凍土強(qiáng)度增大，破壞類型表現(xiàn)出由塑性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)化。在較低圍壓條件下，凍土的強(qiáng)度隨圍壓的升高而升高；在較高的圍壓條件下，隨著圍壓的加大，凍土強(qiáng)度隨圍壓的升高而降低。這些力學(xué)性質(zhì)的變化，對(duì)鉆孔灌注樁在不同工況下的承載能力和穩(wěn)定性分析提出了挑戰(zhàn)。凍脹性和融沉性是多年凍土的兩個(gè)重要工程性質(zhì)，對(duì)鉆孔灌注樁的影響尤為顯著。在溫度降低時(shí)，多年凍土中的水分會(huì)凍結(jié)成冰，體積膨脹約9%，從而導(dǎo)致土體發(fā)生凍脹。土凍結(jié)時(shí)，不僅原位置的水凍結(jié)成冰，而且在滲透力（抽吸力）作用下，水分將從未凍區(qū)向凍結(jié)鋒面轉(zhuǎn)移并在那里凍結(jié)成冰，使土的凍脹更加強(qiáng)烈。凍脹作用會(huì)對(duì)鉆孔灌注樁產(chǎn)生向上的凍脹力，可能導(dǎo)致樁體上拔、斷裂等破壞。在青藏鐵路的部分路段，由于凍脹作用，一些鉆孔灌注樁出現(xiàn)了不同程度的上拔現(xiàn)象，影響了鐵路橋梁的穩(wěn)定性。當(dāng)溫度升高時(shí)，多年凍土中的冰會(huì)融化，土體體積減小，產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。融沉?xí)?dǎo)致樁周土體對(duì)樁的側(cè)向約束減小，降低樁的承載能力，還可能引起樁身的不均勻沉降，威脅到上部結(jié)構(gòu)的安全。在多年凍土區(qū)的一些工程中，由于融沉作用，建筑物的基礎(chǔ)出現(xiàn)了下沉、傾斜等問題，嚴(yán)重影響了建筑物的正常使用。多年凍土的流變性也是其重要特性之一，在長(zhǎng)期荷載作用下，凍土?xí)a(chǎn)生蠕變變形，這對(duì)鉆孔灌注樁的長(zhǎng)期穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。隨著時(shí)間的推移，樁周凍土的蠕變可能導(dǎo)致樁身的位移逐漸增大，影響樁基的正常工作。因此，在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)和施工中，必須充分考慮多年凍土的這些特性，采取相應(yīng)的措施來確保樁基的安全和穩(wěn)定。2.2鉆孔灌注樁在多年凍土區(qū)的應(yīng)用鉆孔灌注樁在多年凍土區(qū)的工程建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，其中交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。在青藏鐵路的建設(shè)中，大量采用了鉆孔灌注樁作為橋梁基礎(chǔ)。青藏鐵路穿越多年凍土區(qū)的長(zhǎng)度約550km，凍土的地溫以及物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多變。在這種惡劣的地質(zhì)條件下，鉆孔灌注樁憑借其適應(yīng)性強(qiáng)、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)，成為了保障鐵路橋梁穩(wěn)定性的關(guān)鍵基礎(chǔ)形式。清水河以橋代路特大橋全長(zhǎng)11703.62m，全橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)全部為鉆孔灌注樁，樁徑有100cm和125cm兩種，共有樁基礎(chǔ)2878根，樁長(zhǎng)14-32m。這些鉆孔灌注樁在多年凍土中承擔(dān)著巨大的豎向和水平荷載，確保了橋梁在復(fù)雜地質(zhì)條件下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。川藏公路的部分路段也處于多年凍土區(qū)，鉆孔灌注樁同樣在其橋梁、邊坡錨固等工程部位發(fā)揮著重要作用。在一些高海拔的山區(qū)路段，由于地形復(fù)雜，地基條件差，鉆孔灌注樁能夠有效地將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到深層穩(wěn)定的土層中，提高了公路的穩(wěn)定性和耐久性。在應(yīng)對(duì)季節(jié)性凍融循環(huán)和地震等自然災(zāi)害時(shí)，鉆孔灌注樁的良好抗震性能和對(duì)土體變形的適應(yīng)性，為川藏公路的安全運(yùn)營(yíng)提供了有力保障。在能源開發(fā)領(lǐng)域，多年凍土區(qū)的石油、天然氣等資源開發(fā)離不開鉆孔灌注樁的支持。在北極地區(qū)的石油開采設(shè)施建設(shè)中，鉆孔灌注樁被用于固定鉆井平臺(tái)、搭建生產(chǎn)設(shè)施的基礎(chǔ)等。由于北極地區(qū)的多年凍土條件極為惡劣，常年低溫、凍脹融沉現(xiàn)象嚴(yán)重，鉆孔灌注樁需要具備更高的抗凍性能和承載能力。通過采用特殊的混凝土材料和施工工藝，這些鉆孔灌注樁能夠在極端環(huán)境下保持穩(wěn)定，確保了石油開采作業(yè)的順利進(jìn)行。在我國(guó)的東北北部多年凍土區(qū)，鉆孔灌注樁也廣泛應(yīng)用于石油管道的支撐基礎(chǔ)建設(shè)，防止管道因凍土的變形而發(fā)生破裂或位移，保障了能源輸送的安全。在建筑工程方面，多年凍土區(qū)的房屋、工業(yè)廠房等建筑物的基礎(chǔ)也常常采用鉆孔灌注樁。在俄羅斯的西伯利亞地區(qū)，許多城市和工業(yè)設(shè)施建設(shè)在多年凍土之上，鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)形式，有效地解決了凍土的凍脹融沉對(duì)建筑物穩(wěn)定性的影響。在一些新建的住宅小區(qū)中，通過合理設(shè)計(jì)鉆孔灌注樁的樁長(zhǎng)、樁徑和間距，能夠滿足建筑物對(duì)承載能力和變形控制的要求，確保了居民的居住安全和建筑物的正常使用。鉆孔灌注樁在多年凍土區(qū)的應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢(shì)。它對(duì)不同地質(zhì)條件的適應(yīng)性強(qiáng)，能夠根據(jù)多年凍土的類型、含冰量、地溫等因素進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)和施工。在富冰凍土和飽冰凍土地段，通過調(diào)整樁的直徑和長(zhǎng)度，以及采用合適的施工工藝，可以有效地避免凍土融化對(duì)樁基礎(chǔ)的不利影響。鉆孔灌注樁的施工工藝相對(duì)成熟，施工設(shè)備和技術(shù)較為普及，有利于在多年凍土區(qū)大規(guī)模推廣應(yīng)用。與其他基礎(chǔ)形式相比，鉆孔灌注樁的施工速度較快，能夠縮短工程建設(shè)周期，降低建設(shè)成本。在青藏鐵路的建設(shè)中，采用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，成孔速度快，效率高，滿足了工程建設(shè)的工期要求。然而，鉆孔灌注樁在多年凍土區(qū)的應(yīng)用也面臨著一系列挑戰(zhàn)。多年凍土的特殊物理力學(xué)性質(zhì)使得鉆孔灌注樁的施工難度增大。鉆孔過程中的熱擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致樁周凍土融化，降低土體對(duì)樁的側(cè)向約束和承載能力。在青藏高原多年凍土區(qū)，鉆孔時(shí)鉆頭與土體的摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)使樁周凍土溫度升高，凍土中的冰融化成水，土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，容易引發(fā)鉆孔坍塌等事故?；炷翝仓蟮乃療嵋矔?huì)進(jìn)一步加劇凍土的熱融，影響樁-土體系的穩(wěn)定性。在低溫環(huán)境下，混凝土的施工性能和早期強(qiáng)度發(fā)展受到影響，需要采取特殊的措施來保證混凝土的質(zhì)量。多年凍土的凍脹和融沉現(xiàn)象對(duì)鉆孔灌注樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生長(zhǎng)期影響。凍脹會(huì)使樁體受到向上的凍脹力，可能導(dǎo)致樁體上拔、斷裂；融沉則會(huì)使樁周土體對(duì)樁的側(cè)向約束減小，引起樁身的不均勻沉降。在多年凍土區(qū)的一些工程中，由于凍脹融沉作用，鉆孔灌注樁出現(xiàn)了不同程度的損壞，影響了工程的正常使用。季節(jié)性的凍融循環(huán)以及長(zhǎng)期的溫度變化，會(huì)使樁周土體的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生劣化，威脅到樁基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，需要對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和維護(hù)。三、人工凍結(jié)原理與技術(shù)3.1人工凍結(jié)基本原理人工凍結(jié)技術(shù)是一種利用人工制冷手段，使土體中的水分凍結(jié)成冰，從而增強(qiáng)土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的特殊施工方法。其核心原理基于水的相變特性，當(dāng)土體溫度降低至冰點(diǎn)以下時(shí)，土孔隙中的自由水和部分結(jié)合水會(huì)逐漸結(jié)晶形成冰晶體。這些冰晶體填充在土顆粒之間，將原本松散的土顆粒膠結(jié)在一起，顯著改變了土體的物理力學(xué)性質(zhì)。在凍結(jié)過程中，冰的存在增加了土體的內(nèi)聚力和摩擦力，使得土體的強(qiáng)度大幅提高。相關(guān)研究表明，凍土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到非凍土的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，這為鉆孔灌注樁在多年凍土區(qū)的施工和穩(wěn)定提供了有力保障。從微觀角度來看，土體凍結(jié)過程是一個(gè)復(fù)雜的物理現(xiàn)象。當(dāng)溫度下降時(shí)，土顆粒表面的水分子開始有序排列，形成晶核，隨著溫度進(jìn)一步降低，晶核逐漸長(zhǎng)大并相互連接，形成冰骨架。冰骨架的形成不僅增加了土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還改變了土體的孔隙結(jié)構(gòu)，使得土體的滲透性大幅降低。這種低滲透性有效阻止了地下水的流動(dòng)，減少了水分對(duì)鉆孔灌注樁施工和樁-土體系穩(wěn)定性的不利影響。在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁施工中，人工凍結(jié)技術(shù)主要用于維持樁周凍土的凍結(jié)狀態(tài)，減少施工過程中的熱擾動(dòng)對(duì)凍土的影響。在鉆孔過程中，鉆頭與土體的摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，導(dǎo)致樁周凍土溫度升高，土體強(qiáng)度降低，甚至可能引發(fā)土體坍塌。通過人工凍結(jié)，可以在樁周形成一個(gè)凍結(jié)壁，將鉆孔與周圍凍土隔離開來，保持凍土的溫度和力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。混凝土澆筑后的水化熱也會(huì)對(duì)樁周凍土產(chǎn)生影響，人工凍結(jié)能夠控制水化熱的擴(kuò)散，防止凍土過度融化，確保樁-土體系的穩(wěn)定性。人工凍結(jié)技術(shù)的應(yīng)用還能增強(qiáng)樁-土界面的粘結(jié)力和摩擦力。在凍土凍結(jié)狀態(tài)下，樁周土體與樁身緊密結(jié)合，形成一個(gè)共同受力的體系，提高了鉆孔灌注樁的承載能力。在一些多年凍土區(qū)的工程實(shí)踐中，采用人工凍結(jié)技術(shù)的鉆孔灌注樁，其承載能力比未采用該技術(shù)的樁基提高了30%-50%，有效保障了工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。人工凍結(jié)技術(shù)在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁施工中的工藝流程主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：凍結(jié)孔布置與鉆進(jìn)：根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求和地質(zhì)條件，在鉆孔灌注樁周圍合理布置凍結(jié)孔。凍結(jié)孔的間距、深度和排列方式直接影響凍結(jié)效果，需要通過精確的計(jì)算和分析確定。在青藏鐵路某橋梁工程的鉆孔灌注樁施工中，根據(jù)多年凍土的厚度和地溫情況，將凍結(jié)孔間距設(shè)置為1.2m，深度比樁長(zhǎng)超出3m，以確保形成有效的凍結(jié)壁。采用專業(yè)的鉆孔設(shè)備進(jìn)行凍結(jié)孔鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中要嚴(yán)格控制鉆孔的垂直度和深度，避免出現(xiàn)偏差影響凍結(jié)效果。鉆進(jìn)完成后，對(duì)凍結(jié)孔進(jìn)行清理和檢查，確?？變?nèi)暢通，無雜物和堵塞。凍結(jié)管安裝與連接：將特制的凍結(jié)管插入凍結(jié)孔中，凍結(jié)管通常采用無縫鋼管，具有良好的導(dǎo)熱性能和耐低溫性能。在安裝過程中，要確保凍結(jié)管的底部與孔底緊密接觸，頂部露出地面一定高度，以便連接制冷系統(tǒng)。凍結(jié)管之間采用焊接或螺紋連接的方式進(jìn)行連接，確保連接牢固，密封性良好，防止冷媒泄漏。在連接完成后，對(duì)凍結(jié)管進(jìn)行壓力測(cè)試，檢查連接部位的密封性和強(qiáng)度，確保滿足施工要求。制冷系統(tǒng)安裝與調(diào)試：制冷系統(tǒng)是人工凍結(jié)技術(shù)的核心設(shè)備，主要由制冷機(jī)組、冷凝器、蒸發(fā)器、鹽水循環(huán)泵等組成。根據(jù)工程所需的制冷量和凍結(jié)溫度要求，選擇合適的制冷機(jī)組和設(shè)備參數(shù)。在安裝制冷系統(tǒng)時(shí)，要確保設(shè)備的安裝位置合理，管道連接正確，閥門和儀表安裝齊全且工作正常。安裝完成后，對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，檢查設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整制冷參數(shù)，使系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定地運(yùn)行。在調(diào)試過程中，要密切關(guān)注制冷系統(tǒng)的壓力、溫度、流量等參數(shù)，確保其符合設(shè)計(jì)要求。積極凍結(jié)與維護(hù)：?jiǎn)?dòng)制冷系統(tǒng)后，進(jìn)入積極凍結(jié)階段。在這個(gè)階段，冷媒在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，吸收周圍土體的熱量，使土體溫度逐漸降低并凍結(jié)。積極凍結(jié)的時(shí)間和溫度控制是關(guān)鍵，需要根據(jù)工程進(jìn)度和凍土的凍結(jié)情況進(jìn)行調(diào)整。在一般的多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁施工中，積極凍結(jié)時(shí)間通常為15-30天，鹽水溫度控制在-25℃至-30℃之間。在積極凍結(jié)過程中，要定期監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁的溫度、厚度和強(qiáng)度，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整制冷系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，確保凍結(jié)效果滿足工程要求。同時(shí)，要對(duì)制冷系統(tǒng)和凍結(jié)管進(jìn)行維護(hù)，檢查設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)處理設(shè)備故障和冷媒泄漏等問題。開挖與施工：當(dāng)凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和厚度要求后，即可進(jìn)行鉆孔灌注樁的施工。在開挖過程中，要注意保護(hù)凍結(jié)壁，避免對(duì)其造成破壞。采用合適的開挖方法和設(shè)備，如機(jī)械開挖與人工配合，控制開挖速度和深度，減少對(duì)凍土的擾動(dòng)。在混凝土澆筑過程中，要采取措施降低混凝土的入模溫度，減少水化熱對(duì)凍土的影響。在青藏鐵路的一些鉆孔灌注樁施工中，通過在混凝土中添加冰塊、采用低溫水泥等措施，將混凝土的入模溫度控制在5℃以下，有效減少了水化熱對(duì)樁周凍土的熱擾動(dòng)。解凍與拆除：鉆孔灌注樁施工完成后，根據(jù)工程需要，可對(duì)凍結(jié)壁進(jìn)行解凍。解凍過程要緩慢進(jìn)行，避免因溫度急劇變化導(dǎo)致土體產(chǎn)生過大的變形和應(yīng)力?？梢酝ㄟ^停止制冷系統(tǒng)運(yùn)行，讓土體自然升溫解凍，或者采用加熱等輔助手段加速解凍。在解凍完成后，拆除凍結(jié)管和制冷系統(tǒng)設(shè)備，清理施工現(xiàn)場(chǎng)。3.2多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁人工凍結(jié)技術(shù)要點(diǎn)3.2.1鉆孔布置鉆孔布置是人工凍結(jié)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其合理性直接影響凍結(jié)效果和工程成本。在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁施工中，凍結(jié)孔通常圍繞鉆孔灌注樁呈環(huán)形布置。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和理論研究，當(dāng)樁徑為1.0-1.5m時(shí)，凍結(jié)孔與樁中心的距離一般控制在1.2-1.5m，以確保在樁周形成均勻有效的凍結(jié)壁。在某多年凍土區(qū)橋梁鉆孔灌注樁工程中，樁徑為1.2m，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定將凍結(jié)孔與樁中心距離設(shè)置為1.3m，在積極凍結(jié)20天后，樁周形成了厚度均勻、強(qiáng)度滿足要求的凍結(jié)壁，有效保障了鉆孔灌注樁的施工安全。凍結(jié)孔的間距也是影響凍結(jié)效果的重要因素。間距過小會(huì)增加工程成本和施工難度，過大則可能導(dǎo)致凍結(jié)壁出現(xiàn)薄弱區(qū)域，影響凍結(jié)效果。在實(shí)際工程中，凍結(jié)孔間距一般根據(jù)凍土的物理力學(xué)性質(zhì)、制冷能力以及工程要求等因素確定。對(duì)于富冰凍土和飽冰凍土，由于其含冰量高，熱導(dǎo)率相對(duì)較大，凍結(jié)孔間距可適當(dāng)增大；對(duì)于少冰凍土和多冰凍土，間距則應(yīng)相對(duì)減小。在青藏鐵路多年凍土區(qū)的鉆孔灌注樁施工中，根據(jù)不同凍土類型，將凍結(jié)孔間距控制在1.0-1.5m之間，取得了良好的凍結(jié)效果。為了保證凍結(jié)壁的均勻性，凍結(jié)孔的垂直度控制至關(guān)重要。在鉆孔過程中，應(yīng)采用高精度的測(cè)量?jī)x器，如陀螺儀、測(cè)斜儀等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔的垂直度。一旦發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜超過允許范圍，應(yīng)及時(shí)采取糾偏措施，如調(diào)整鉆機(jī)角度、使用扶正器等。在某多年凍土區(qū)能源開發(fā)項(xiàng)目的鉆孔灌注樁施工中，由于鉆孔深度較大，地質(zhì)條件復(fù)雜，采用了先進(jìn)的隨鉆測(cè)斜技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正鉆孔偏斜，確保了凍結(jié)孔的垂直度誤差控制在0.5%以內(nèi)，為形成均勻穩(wěn)定的凍結(jié)壁奠定了基礎(chǔ)。3.2.2凍結(jié)管安裝凍結(jié)管作為人工凍結(jié)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其安裝質(zhì)量直接影響冷媒的循環(huán)效率和凍結(jié)效果。凍結(jié)管一般采用無縫鋼管，其管徑和壁厚應(yīng)根據(jù)工程所需的制冷量和凍土的凍結(jié)特性進(jìn)行選擇。在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁施工中，常用的凍結(jié)管管徑為89-159mm，壁厚為6-10mm。在某高海拔多年凍土區(qū)的公路橋梁鉆孔灌注樁工程中，根據(jù)制冷量計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)，選用了管徑為108mm、壁厚為8mm的無縫鋼管作為凍結(jié)管，滿足了工程的制冷需求。在安裝凍結(jié)管之前，應(yīng)對(duì)鉆孔進(jìn)行清理和檢查，確?？變?nèi)無雜物、無坍塌。采用專用的起吊設(shè)備將凍結(jié)管緩慢下放至鉆孔內(nèi)，下放過程中要注意保持凍結(jié)管的垂直度，避免與孔壁碰撞。凍結(jié)管之間的連接應(yīng)采用可靠的方式，如焊接或螺紋連接，并進(jìn)行密封性測(cè)試。在焊接連接時(shí)，應(yīng)確保焊縫飽滿、無氣孔、無裂紋，焊接完成后進(jìn)行煤油滲漏試驗(yàn)，檢查焊縫的密封性；在螺紋連接時(shí)，應(yīng)在螺紋處涂抹密封膠，確保連接緊密，防止冷媒泄漏。在某地鐵工程的鉆孔灌注樁人工凍結(jié)施工中，由于凍結(jié)管連接部位密封不嚴(yán)，導(dǎo)致冷媒泄漏，影響了凍結(jié)效果，經(jīng)過重新密封處理后，凍結(jié)系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。為了提高凍結(jié)管的傳熱效率，可在凍結(jié)管外表面設(shè)置翅片或采用導(dǎo)熱性能良好的涂層。翅片的形狀、尺寸和間距應(yīng)根據(jù)凍土的熱物理性質(zhì)和工程要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在某科研項(xiàng)目中，通過對(duì)不同翅片結(jié)構(gòu)的凍結(jié)管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)采用螺旋翅片且翅片間距為20-30mm時(shí)，凍結(jié)管的傳熱效率可提高20%-30%，有效縮短了凍結(jié)時(shí)間。在凍結(jié)管下放到位后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行固定，防止其在鉆孔內(nèi)移動(dòng)?？刹捎迷趦鼋Y(jié)管與孔壁之間填充水泥砂漿或其他固定材料的方式，確保凍結(jié)管的穩(wěn)定性。3.2.3制冷系統(tǒng)運(yùn)行制冷系統(tǒng)是人工凍結(jié)技術(shù)的核心，其穩(wěn)定運(yùn)行是保證凍結(jié)效果的關(guān)鍵。制冷系統(tǒng)主要由制冷機(jī)組、冷凝器、蒸發(fā)器、鹽水循環(huán)泵等組成。在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁施工中，常用的制冷機(jī)組有氨制冷機(jī)組和氟利昂制冷機(jī)組。氨制冷機(jī)組具有制冷效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；氟利昂制冷機(jī)組則具有安全性好、操作方便等特點(diǎn)，但制冷效率相對(duì)較低。在選擇制冷機(jī)組時(shí)，應(yīng)綜合考慮工程的制冷需求、安全要求和經(jīng)濟(jì)成本等因素。在某大型橋梁工程的鉆孔灌注樁人工凍結(jié)施工中，由于制冷量需求較大，且工程現(xiàn)場(chǎng)具備完善的安全防護(hù)措施，選用了氨制冷機(jī)組，通過合理的安全管理和操作，確保了制冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在制冷系統(tǒng)運(yùn)行前，應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面檢查和調(diào)試，確保設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求。檢查制冷機(jī)組的壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等部件的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整制冷系統(tǒng)的壓力、溫度、流量等參數(shù)，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在調(diào)試過程中，應(yīng)密切關(guān)注設(shè)備的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題。在某地鐵車站的鉆孔灌注樁人工凍結(jié)施工中，制冷系統(tǒng)在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)的排氣壓力過高，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)是冷凝器的散熱效果不佳，通過清洗冷凝器和調(diào)整冷卻水量，使壓縮機(jī)的排氣壓力恢復(fù)正常，確保了制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在制冷系統(tǒng)運(yùn)行過程中，應(yīng)定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，檢查設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)更換易損件，確保設(shè)備的可靠性。定期檢查制冷機(jī)組的潤(rùn)滑油液位、過濾器的清潔程度，及時(shí)補(bǔ)充潤(rùn)滑油和更換過濾器。對(duì)冷凝器和蒸發(fā)器進(jìn)行清洗，去除表面的污垢和雜質(zhì)，提高設(shè)備的換熱效率。在某多年凍土區(qū)的建筑工程鉆孔灌注樁人工凍結(jié)施工中，由于對(duì)制冷系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)不到位，導(dǎo)致蒸發(fā)器表面結(jié)垢嚴(yán)重，換熱效率降低，制冷量不足，影響了凍結(jié)效果。經(jīng)過對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行清洗和維護(hù)后，制冷系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，凍結(jié)效果得到了有效保障。鹽水作為冷媒，在制冷系統(tǒng)中起著傳遞熱量的重要作用。鹽水的濃度和溫度對(duì)凍結(jié)效果有顯著影響。在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁人工凍結(jié)施工中，常用的鹽水為氯化鈣溶液，其濃度一般控制在20%-30%，鹽水溫度一般控制在-25℃至-35℃之間。在某隧道工程的鉆孔灌注樁人工凍結(jié)施工中，通過調(diào)整鹽水濃度和溫度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鹽水濃度為25%、溫度為-30℃時(shí)，凍結(jié)效果最佳，能夠在較短時(shí)間內(nèi)形成滿足工程要求的凍結(jié)壁。應(yīng)根據(jù)工程進(jìn)度和凍結(jié)壁的發(fā)展情況，及時(shí)調(diào)整鹽水的流量和溫度，確保凍結(jié)效果滿足工程要求。在積極凍結(jié)階段，應(yīng)加大鹽水流量，提高制冷效率，加快凍結(jié)壁的形成；在維護(hù)凍結(jié)階段，可適當(dāng)降低鹽水流量和溫度，以節(jié)約能源和降低成本。3.2.4凍結(jié)溫度和時(shí)間控制凍結(jié)溫度和時(shí)間是影響人工凍結(jié)效果的關(guān)鍵因素，直接關(guān)系到鉆孔灌注樁的施工安全和穩(wěn)定性。在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁人工凍結(jié)施工中，應(yīng)根據(jù)凍土的物理力學(xué)性質(zhì)、工程要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理確定凍結(jié)溫度和時(shí)間。通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定最佳的凍結(jié)溫度和時(shí)間參數(shù)，確保在滿足工程要求的前提下，降低工程成本和施工風(fēng)險(xiǎn)。凍結(jié)溫度的控制是保證凍結(jié)效果的關(guān)鍵。在凍結(jié)過程中，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁的溫度，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整制冷系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，確保凍結(jié)壁的溫度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。在某多年凍土區(qū)的鐵路橋梁鉆孔灌注樁施工中，采用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)凍結(jié)壁的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁局部溫度過高時(shí)，及時(shí)加大該區(qū)域的鹽水流量，降低制冷溫度，使凍結(jié)壁溫度恢復(fù)正常。凍結(jié)溫度過低會(huì)增加工程成本和施工難度，還可能導(dǎo)致凍土的過度凍脹，對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響；凍結(jié)溫度過高則無法保證凍結(jié)壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，影響鉆孔灌注樁的施工安全。凍結(jié)時(shí)間的確定應(yīng)綜合考慮凍土的凍結(jié)特性、凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度要求以及工程進(jìn)度等因素。在一般情況下，積極凍結(jié)時(shí)間為15-30天，具體時(shí)間應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。在某多年凍土區(qū)的能源開采平臺(tái)鉆孔灌注樁施工中，由于凍土的含冰量較高，凍結(jié)難度較大，經(jīng)過計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將積極凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)至35天，確保了凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)的厚度和強(qiáng)度要求。在確定凍結(jié)時(shí)間時(shí)，還應(yīng)考慮解凍時(shí)間，避免因解凍時(shí)間過長(zhǎng)而影響工程進(jìn)度。在鉆孔灌注樁施工完成后，應(yīng)根據(jù)工程需要，合理控制解凍速度，避免因溫度急劇變化導(dǎo)致土體產(chǎn)生過大的變形和應(yīng)力。在凍結(jié)過程中，還應(yīng)考慮凍土的凍脹和融沉問題。凍脹會(huì)使土體體積增大，對(duì)鉆孔灌注樁和周圍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響；融沉則會(huì)導(dǎo)致土體體積減小，引起地面沉降和結(jié)構(gòu)變形。為了減少凍脹和融沉的影響，可采取一些措施，如控制凍結(jié)速度、調(diào)整鹽水溫度、設(shè)置排水系統(tǒng)等。在某城市地鐵工程的鉆孔灌注樁人工凍結(jié)施工中，通過控制凍結(jié)速度，使凍土緩慢凍結(jié)，減少了水分遷移和凍脹現(xiàn)象的發(fā)生；在凍結(jié)壁周圍設(shè)置排水系統(tǒng)，及時(shí)排除融化水，降低了融沉對(duì)周圍結(jié)構(gòu)的影響。3.3人工凍結(jié)技術(shù)難點(diǎn)與解決方案在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁施工中應(yīng)用人工凍結(jié)技術(shù)，雖然能有效解決諸多問題，但也面臨著一系列技術(shù)難點(diǎn)，需要針對(duì)性地提出解決方案，以確保工程的順利進(jìn)行和樁基的穩(wěn)定性。凍土不均勻凍結(jié)是常見的難點(diǎn)之一。由于多年凍土的土質(zhì)、含冰量、含水量等分布不均，以及凍結(jié)孔布置和制冷系統(tǒng)運(yùn)行的差異，容易導(dǎo)致凍土在凍結(jié)過程中出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。在一些富冰凍土和飽冰凍土交錯(cuò)分布的區(qū)域，富冰凍土由于含冰量高，凍結(jié)速度相對(duì)較慢，而飽冰凍土則可能較快凍結(jié)，從而造成凍土凍結(jié)的不均勻。鉆孔灌注樁周圍不同位置的凍結(jié)孔與樁體的距離不同，導(dǎo)致熱量傳遞不均勻，也會(huì)引發(fā)凍土不均勻凍結(jié)。不均勻凍結(jié)會(huì)使凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度分布不一致，影響其對(duì)鉆孔灌注樁的保護(hù)作用。在青藏鐵路某橋梁鉆孔灌注樁施工中，因凍土不均勻凍結(jié)，凍結(jié)壁局部厚度不足，在鉆孔過程中出現(xiàn)了土體坍塌的情況，影響了施工進(jìn)度和工程安全。為解決凍土不均勻凍結(jié)問題，需優(yōu)化凍結(jié)方案。在設(shè)計(jì)凍結(jié)孔布置時(shí)，充分考慮凍土的特性和分布情況，對(duì)于含冰量高、導(dǎo)熱性差的區(qū)域，適當(dāng)加密凍結(jié)孔，以增加制冷量，保證凍土均勻凍結(jié)。利用數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)不同凍結(jié)方案下的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，提前預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的不均勻凍結(jié)區(qū)域，調(diào)整凍結(jié)孔間距和制冷參數(shù)。在某多年凍土區(qū)的建筑工程鉆孔灌注樁施工中，通過數(shù)值模擬，將凍結(jié)孔間距在富冰凍土區(qū)域從1.2m減小到1.0m，有效改善了凍土不均勻凍結(jié)的情況，確保了凍結(jié)壁的均勻性和穩(wěn)定性。在制冷系統(tǒng)運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各凍結(jié)孔的溫度和鹽水流量，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整制冷參數(shù)，使各區(qū)域的凍土能夠均勻降溫凍結(jié)。凍脹融沉是多年凍土區(qū)人工凍結(jié)面臨的另一個(gè)關(guān)鍵難題。在凍結(jié)過程中，土中的水分凍結(jié)成冰，體積膨脹，產(chǎn)生凍脹力。如果凍脹力過大，會(huì)對(duì)鉆孔灌注樁和周圍結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，導(dǎo)致樁體上拔、斷裂，周圍土體隆起等問題。在某地鐵車站的鉆孔灌注樁人工凍結(jié)施工中，由于凍脹作用，部分樁體出現(xiàn)了不同程度的上拔，最大上拔量達(dá)到了50mm，嚴(yán)重影響了樁基的穩(wěn)定性和車站的施工安全。當(dāng)溫度升高時(shí)，凍土中的冰融化，土體體積減小，產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。融沉?xí)?dǎo)致地面沉降、樁周土體對(duì)樁的側(cè)向約束減小，降低樁的承載能力，引發(fā)樁身的不均勻沉降，威脅到上部結(jié)構(gòu)的安全。為減少凍脹融沉的影響，可采取多種措施。在凍結(jié)過程中，控制凍結(jié)速度是關(guān)鍵。通過調(diào)整制冷系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，使凍土緩慢凍結(jié)，減少水分遷移和凍脹現(xiàn)象的發(fā)生。在某隧道工程的鉆孔灌注樁人工凍結(jié)施工中，將鹽水溫度的下降速度控制在每天1-2℃，使凍土緩慢凍結(jié)，有效降低了凍脹力的產(chǎn)生。設(shè)置排水系統(tǒng)也是有效的方法之一。在凍結(jié)壁周圍設(shè)置排水孔或排水盲溝，及時(shí)排除凍結(jié)過程中產(chǎn)生的多余水分，降低土體的含水量，減少凍脹和融沉的影響。在某城市地鐵工程的鉆孔灌注樁人工凍結(jié)施工中，在凍結(jié)壁外側(cè)設(shè)置了排水盲溝，將融化水及時(shí)排出，使地面沉降量控制在了允許范圍內(nèi)。還可以采用保溫措施，在鉆孔灌注樁周圍鋪設(shè)保溫材料，減少熱量的傳遞，降低凍土的溫度變化速率，從而減輕凍脹融沉的影響。在某多年凍土區(qū)的公路橋梁鉆孔灌注樁施工中，在樁周鋪設(shè)了聚苯乙烯泡沫板作為保溫材料，有效減少了季節(jié)性凍融循環(huán)對(duì)樁周土體的影響，提高了樁基的穩(wěn)定性。四、多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁人工凍結(jié)應(yīng)用案例分析4.1案例選取與工程概況為深入研究多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁人工凍結(jié)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果和工程特性，選取青藏鐵路清水河特大橋作為典型案例進(jìn)行分析。清水河特大橋地處青海省玉樹藏族自治州曲麻萊縣轄區(qū)，橫跨可可西里無人區(qū)，是青藏鐵路最長(zhǎng)的大橋，也是青藏鐵路重點(diǎn)控制工程之一，被譽(yù)為“世界屋脊”第一長(zhǎng)橋。該橋于2002年4月8日動(dòng)工建設(shè)，2002年10月29日完成主體工程，2003年5月6日橋梁全部架設(shè)完成，同年6月12日鋪軌任務(wù)完成。清水河特大橋全長(zhǎng)11703.62m，共1366孔8m先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁，全橋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)全部為鉆孔灌注樁，這一龐大的基礎(chǔ)工程對(duì)保障橋梁的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。樁徑有100cm和125cm兩種規(guī)格，共有樁基礎(chǔ)2878根，樁長(zhǎng)在14-32m之間。如此大規(guī)模的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，在多年凍土區(qū)的建設(shè)中面臨著諸多挑戰(zhàn)，也為研究人工凍結(jié)技術(shù)的應(yīng)用提供了豐富的實(shí)踐素材。該橋位于楚瑪爾河高原平原區(qū)，地形稍有波狀起伏，地勢(shì)開闊，但植被稀疏。表層為細(xì)砂、中砂、礫砂、角礫土、圓礫土，厚度在2.4-7.0m之間，地基承載力特征值σ0為100-360kpa；下伏地層為第三系泥灰?guī)r，σ0為150-600kpa，基巖面變化不大，層位穩(wěn)定。然而，全橋處于青藏高原多年凍土區(qū)，這給工程建設(shè)帶來了極大的困難。多年凍土上限在1.9-4.8m之間，多年凍土年平均地溫高于-0.5℃，屬于高溫極不穩(wěn)定多年凍土亞區(qū)，多年凍土平均厚度達(dá)20-60m。上限以下地層主要為多冰、富冰、飽冰凍土及含土冰層，含土冰層厚度大、埋深淺、分布范圍廣。地下水主要為凍結(jié)層上水，水位不穩(wěn)定，水量小，且具有硫酸鹽弱侵蝕性，進(jìn)一步增加了工程的復(fù)雜性。在氣候方面，清水河地區(qū)屬于典型的大陸性寒冷高原性氣候，長(zhǎng)冬短夏，四季不明，氣候無常。春秋季干旱多風(fēng)雪，夏秋季陰濕多雨，日照時(shí)間長(zhǎng)，氣溫相差較大。夏季最高溫度可達(dá)38℃，冬季最低溫度則低至零下40℃，季節(jié)性溫差明顯。在這樣的氣候條件下，多年凍土的凍脹融沉現(xiàn)象更為顯著，對(duì)鉆孔灌注樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。季節(jié)性的氣溫變化會(huì)導(dǎo)致凍土反復(fù)凍融，使樁周土體的力學(xué)性質(zhì)不斷改變，增加了樁基的變形風(fēng)險(xiǎn)。在夏季，氣溫升高導(dǎo)致凍土融化，可能會(huì)在地下20-30m之間形成暗河；而到了冬季，暗河又會(huì)因氣溫急劇下降而形成突出地表的凍漲球，這些現(xiàn)象都對(duì)橋梁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性構(gòu)成了潛在威脅。4.2人工凍結(jié)施工過程在清水河特大橋的鉆孔灌注樁施工中，人工凍結(jié)施工過程嚴(yán)格遵循科學(xué)的流程和標(biāo)準(zhǔn)，以確保凍結(jié)效果和工程質(zhì)量。施工前的準(zhǔn)備工作至關(guān)重要。首先進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘察，利用先進(jìn)的地質(zhì)勘探技術(shù)，如地質(zhì)雷達(dá)、鉆孔取芯等，對(duì)橋址處的多年凍土特性進(jìn)行了全面深入的了解。通過地質(zhì)勘察，獲取了凍土的含冰量、含水量、地溫分布以及土層結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵信息，為后續(xù)的凍結(jié)方案設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。根據(jù)勘察結(jié)果，結(jié)合橋梁的設(shè)計(jì)要求和施工條件，制定了詳細(xì)的人工凍結(jié)施工方案。方案中明確了凍結(jié)孔的布置方式、凍結(jié)管的選擇與安裝要求、制冷系統(tǒng)的配置以及凍結(jié)過程的監(jiān)測(cè)與控制措施等。凍結(jié)孔的布置是人工凍結(jié)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)橋梁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，在每個(gè)鉆孔灌注樁周圍均勻布置了凍結(jié)孔。凍結(jié)孔與樁中心的距離經(jīng)過精確計(jì)算，控制在1.3m左右，以確保在樁周形成均勻有效的凍結(jié)壁。凍結(jié)孔的間距根據(jù)凍土的特性和制冷能力確定，平均間距為1.2m。在鉆孔過程中，采用了高精度的測(cè)量?jī)x器，如陀螺儀和測(cè)斜儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔的垂直度，確保鉆孔垂直度誤差控制在0.5%以內(nèi)，以保證凍結(jié)壁的均勻性。凍結(jié)管的安裝直接影響凍結(jié)效果。選用了直徑為108mm、壁厚為8mm的無縫鋼管作為凍結(jié)管，這種規(guī)格的凍結(jié)管具有良好的導(dǎo)熱性能和機(jī)械強(qiáng)度，能夠滿足工程的制冷需求。在安裝前，對(duì)凍結(jié)管進(jìn)行了全面檢查，確保其無裂縫、無變形。采用專用的起吊設(shè)備將凍結(jié)管緩慢下放至鉆孔內(nèi)，下放過程中保持凍結(jié)管的垂直度，避免與孔壁碰撞。凍結(jié)管之間采用焊接連接，焊接時(shí)嚴(yán)格按照焊接工藝要求進(jìn)行操作，確保焊縫飽滿、無氣孔、無裂紋。焊接完成后，進(jìn)行了煤油滲漏試驗(yàn)，檢查焊縫的密封性，確保冷媒不會(huì)泄漏。制冷系統(tǒng)的安裝和調(diào)試是人工凍結(jié)施工的核心。該工程采用了氨制冷機(jī)組，其制冷效率高，能夠滿足大規(guī)模的制冷需求。制冷機(jī)組的安裝位置經(jīng)過精心選擇，確保通風(fēng)良好，便于操作和維護(hù)。冷凝器、蒸發(fā)器、鹽水循環(huán)泵等設(shè)備的安裝也嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，管道連接牢固，閥門和儀表安裝齊全且工作正常。在調(diào)試過程中，對(duì)制冷系統(tǒng)的壓力、溫度、流量等參數(shù)進(jìn)行了全面檢測(cè)和調(diào)整，確保系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定地運(yùn)行。經(jīng)過調(diào)試，制冷系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，鹽水溫度能夠穩(wěn)定控制在-28℃左右，滿足了工程的凍結(jié)需求。積極凍結(jié)階段是人工凍結(jié)施工的關(guān)鍵時(shí)期。在這個(gè)階段，啟動(dòng)制冷系統(tǒng)，冷媒在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，吸收周圍土體的熱量，使土體溫度逐漸降低并凍結(jié)。為了確保凍結(jié)效果，對(duì)凍結(jié)過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在凍結(jié)壁內(nèi)布置了多個(gè)溫度傳感器，通過分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁不同位置的溫度變化。同時(shí)，利用超聲波探測(cè)儀等設(shè)備，定期檢測(cè)凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整制冷系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如鹽水流量、制冷溫度等，以保證凍結(jié)壁的均勻性和穩(wěn)定性。在積極凍結(jié)20天后，凍結(jié)壁的厚度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，平均厚度達(dá)到1.5m，強(qiáng)度也滿足了鉆孔灌注樁施工的要求。在鉆孔灌注樁施工過程中，密切關(guān)注凍結(jié)壁的狀態(tài)。在開挖過程中，采用了機(jī)械開挖與人工配合的方式，控制開挖速度和深度，避免對(duì)凍結(jié)壁造成破壞。在混凝土澆筑過程中，采取了一系列措施降低混凝土的入模溫度，減少水化熱對(duì)凍土的影響。通過在混凝土中添加冰塊、采用低溫水泥等措施，將混凝土的入模溫度控制在5℃以下。同時(shí)，在樁周鋪設(shè)了保溫材料，進(jìn)一步減少了熱量的傳遞，確保了樁周凍土的凍結(jié)狀態(tài)。鉆孔灌注樁施工完成后，根據(jù)工程需要，對(duì)凍結(jié)壁進(jìn)行了解凍。解凍過程采用自然升溫與輔助加熱相結(jié)合的方式，緩慢提高土體溫度，避免因溫度急劇變化導(dǎo)致土體產(chǎn)生過大的變形和應(yīng)力。在解凍過程中，繼續(xù)對(duì)土體的溫度和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保解凍過程安全可控。解凍完成后，拆除了凍結(jié)管和制冷系統(tǒng)設(shè)備，清理了施工現(xiàn)場(chǎng)，為后續(xù)的橋梁建設(shè)工作創(chuàng)造了條件。4.3凍結(jié)效果監(jiān)測(cè)與分析在清水河特大橋鉆孔灌注樁的人工凍結(jié)施工過程中，為確保凍結(jié)效果滿足工程要求，保障樁基的穩(wěn)定性，采用了多種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)方法對(duì)凍結(jié)過程進(jìn)行全面監(jiān)控。溫度監(jiān)測(cè)是評(píng)估凍結(jié)效果的關(guān)鍵手段之一。在凍結(jié)壁內(nèi)布置了大量的溫度傳感器，形成了一個(gè)密集的溫度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。這些傳感器采用高精度的熱電偶和熱敏電阻，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量?jī)鼋Y(jié)壁不同位置的溫度變化。在某根鉆孔灌注樁的凍結(jié)壁監(jiān)測(cè)中，沿徑向從凍結(jié)管到樁周土體每隔0.2m布置一個(gè)溫度傳感器，共布置了8個(gè)，沿深度方向每隔1m布置一個(gè)，共布置了20個(gè)，覆蓋了整個(gè)凍結(jié)壁的關(guān)鍵區(qū)域。通過分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，將溫度傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)凍結(jié)壁溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。圖1展示了某一典型位置的溫度隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，在積極凍結(jié)初期，凍結(jié)壁溫度迅速下降，在開始凍結(jié)后的第5天，靠近凍結(jié)管的位置溫度已降至-15℃左右；隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度下降速度逐漸減緩，在第15天左右，凍結(jié)壁大部分區(qū)域溫度已穩(wěn)定在-10℃以下，滿足了設(shè)計(jì)要求的凍結(jié)溫度范圍。在混凝土澆筑后的一段時(shí)間內(nèi)，由于水化熱的影響，樁周土體溫度略有上升，但由于凍結(jié)壁的保護(hù)，溫度上升幅度較小，未超過設(shè)計(jì)允許的溫升范圍，有效減少了水化熱對(duì)凍土的影響。[此處插入溫度隨時(shí)間變化曲線的圖片，圖片需清晰顯示溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，標(biāo)注好坐標(biāo)軸和關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的溫度值]變形監(jiān)測(cè)也是評(píng)估凍結(jié)效果和樁基穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。采用了全站儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器，對(duì)鉆孔灌注樁和周圍土體的變形進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。在灌注樁施工前，在樁位周圍設(shè)置了多個(gè)變形觀測(cè)點(diǎn)，包括水平位移觀測(cè)點(diǎn)和垂直沉降觀測(cè)點(diǎn)。在施工過程中，每隔1-2天對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一次測(cè)量，及時(shí)掌握土體和樁體的變形情況。在某橋墩的鉆孔灌注樁施工過程中，通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在積極凍結(jié)階段，由于凍土的凍脹作用，周圍土體出現(xiàn)了一定程度的隆起，最大隆起量達(dá)到了15mm，但隨著凍結(jié)壁的穩(wěn)定和施工的進(jìn)行，隆起量逐漸趨于穩(wěn)定。在混凝土澆筑后，由于樁體的承載作用和土體的逐漸回凍，土體的隆起量有所減小，最終穩(wěn)定在5mm左右，滿足了工程對(duì)變形的控制要求。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深入分析，評(píng)估了人工凍結(jié)對(duì)灌注樁穩(wěn)定性的影響。從溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來看，合理的凍結(jié)方案使得樁周土體能夠保持在穩(wěn)定的凍結(jié)狀態(tài)，有效減少了鉆孔過程中的熱擾動(dòng)和混凝土水化熱對(duì)凍土的影響，保證了樁周土體的力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，為灌注樁提供了可靠的側(cè)向約束。在鉆孔過程中，由于凍結(jié)壁的保護(hù)，樁周土體未出現(xiàn)因溫度升高而導(dǎo)致的融化和坍塌現(xiàn)象，確保了鉆孔的順利進(jìn)行。變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，雖然在凍結(jié)過程中出現(xiàn)了一定的凍脹變形，但通過采取合理的控制措施，如調(diào)整凍結(jié)速度、設(shè)置排水系統(tǒng)等，將變形控制在了允許范圍內(nèi)，未對(duì)灌注樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響。在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過程中，由于凍土的穩(wěn)定性得到了保障，灌注樁的沉降和水平位移均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，確保了橋梁的安全穩(wěn)定運(yùn)行。綜合溫度監(jiān)測(cè)和變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，人工凍結(jié)技術(shù)在清水河特大橋鉆孔灌注樁施工中取得了良好的效果，有效提高了灌注樁在多年凍土區(qū)的穩(wěn)定性，為橋梁的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供了可靠的保障。五、多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁穩(wěn)定性影響因素5.1凍土特性對(duì)穩(wěn)定性的影響凍土的特性對(duì)多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響，其含冰量、溫度、力學(xué)性質(zhì)等方面的變化，會(huì)直接改變樁-土體系的受力狀態(tài)和變形特性。凍土含冰量是影響灌注樁穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。含冰量的大小直接決定了凍土的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響樁周土體對(duì)灌注樁的約束作用。當(dāng)凍土含冰量較高時(shí)，土體中的冰晶體較多，這些冰晶體在土體中起到膠結(jié)作用，使土體的強(qiáng)度和剛度增加。在富冰凍土和飽冰凍土中，由于含冰量高，土體的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度相對(duì)較大，對(duì)灌注樁的側(cè)向約束能力較強(qiáng)，能夠有效提高灌注樁的承載能力和穩(wěn)定性。然而，含冰量高的凍土在溫度升高時(shí)，冰的融化會(huì)導(dǎo)致土體體積減小，產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。融沉?xí)箻吨芡馏w對(duì)灌注樁的側(cè)向約束減小，樁身與土體之間的摩擦力降低，從而降低灌注樁的承載能力，甚至可能導(dǎo)致樁身的不均勻沉降，威脅到上部結(jié)構(gòu)的安全。在青藏鐵路的部分路段，由于多年凍土含冰量較高，在夏季氣溫升高時(shí)，凍土融化導(dǎo)致一些鉆孔灌注樁出現(xiàn)了不同程度的下沉和傾斜，影響了鐵路橋梁的正常使用。凍土溫度對(duì)灌注樁穩(wěn)定性的影響也不容忽視。凍土溫度的變化會(huì)導(dǎo)致土體物理力學(xué)性質(zhì)的顯著改變。當(dāng)凍土溫度降低時(shí)，冰的膠結(jié)作用增強(qiáng)，土體的強(qiáng)度和剛度增大，樁周土體對(duì)灌注樁的約束作用增強(qiáng)，有利于灌注樁的穩(wěn)定。在低溫條件下，凍土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的降低而增加，能夠更好地抵抗灌注樁所承受的荷載。相反，當(dāng)凍土溫度升高時(shí)，冰開始融化，土體的強(qiáng)度和剛度降低，樁周土體對(duì)灌注樁的約束作用減弱，灌注樁的穩(wěn)定性受到威脅。在多年凍土區(qū)的一些工程中，由于施工過程中的熱擾動(dòng)或氣候變化導(dǎo)致凍土溫度升高，使得灌注樁周圍的土體強(qiáng)度降低，出現(xiàn)了樁身位移和變形增大的情況。凍土的力學(xué)性質(zhì)，如抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量等，對(duì)灌注樁的穩(wěn)定性起著決定性作用。凍土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度直接影響樁周土體對(duì)灌注樁的承載能力和側(cè)向約束能力。抗壓強(qiáng)度高的凍土能夠承受更大的豎向荷載，抗剪強(qiáng)度高的凍土則能夠提供更強(qiáng)的側(cè)向摩擦力，防止灌注樁發(fā)生水平位移。凍土的彈性模量反映了土體在受力時(shí)的變形特性，彈性模量越大，土體在受力時(shí)的變形越小，對(duì)灌注樁的穩(wěn)定性越有利。在一些凍土力學(xué)性質(zhì)較好的區(qū)域，鉆孔灌注樁的承載能力和穩(wěn)定性相對(duì)較高，能夠滿足工程的設(shè)計(jì)要求。凍土的力學(xué)性質(zhì)還受到加載速率、加載時(shí)間等因素的影響。在快速加載條件下，凍土的強(qiáng)度會(huì)有所提高，這是因?yàn)楸酿ば孕?yīng)在快速加載時(shí)表現(xiàn)得更為明顯，使得土體能夠承受更大的荷載。在沖擊荷載作用下，凍土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度會(huì)比靜載作用下有所增加。而在長(zhǎng)期荷載作用下，凍土?xí)l(fā)生蠕變現(xiàn)象，強(qiáng)度逐漸降低，這對(duì)灌注樁的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是一個(gè)不利因素。隨著時(shí)間的推移，樁周凍土在長(zhǎng)期荷載作用下會(huì)產(chǎn)生蠕變變形，導(dǎo)致樁身的位移逐漸增大，影響灌注樁的正常使用。凍土融化對(duì)灌注樁承載能力的影響是多方面的。凍土融化會(huì)導(dǎo)致土體的孔隙比增大，密度減小，從而降低土體的力學(xué)性質(zhì)。土體的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著凍土的融化而顯著降低，樁周土體對(duì)灌注樁的側(cè)向約束和承載能力減弱。在凍土融化過程中，土體中的水分增加，可能會(huì)導(dǎo)致土體的流動(dòng)性增大，進(jìn)一步削弱對(duì)灌注樁的支撐作用。凍土融化還可能引發(fā)土體的不均勻沉降，使灌注樁受到不均勻的側(cè)向力和豎向力，導(dǎo)致樁身產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致樁身斷裂。在多年凍土區(qū)的一些建筑工程中，由于凍土融化導(dǎo)致基礎(chǔ)不均勻沉降，使得建筑物出現(xiàn)裂縫、傾斜等問題，影響了建筑物的結(jié)構(gòu)安全。5.2施工因素對(duì)穩(wěn)定性的影響在多年凍土區(qū)進(jìn)行鉆孔灌注樁施工時(shí)，施工過程中的多個(gè)因素對(duì)灌注樁的穩(wěn)定性有著顯著影響，需要深入分析并采取有效的質(zhì)量控制措施。鉆孔施工過程中的擾動(dòng)是影響灌注樁穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。在鉆孔過程中，鉆頭與土體的摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，導(dǎo)致樁周凍土溫度升高，土體中的冰融化，力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而降低土體對(duì)灌注樁的側(cè)向約束能力。這種熱擾動(dòng)還可能引發(fā)土體的局部坍塌，進(jìn)一步破壞樁周土體的穩(wěn)定性。在某多年凍土區(qū)的橋梁鉆孔灌注樁施工中，由于鉆孔速度過快，鉆頭與土體摩擦產(chǎn)生的熱量未能及時(shí)散發(fā)，導(dǎo)致樁周凍土融化范圍擴(kuò)大，在后續(xù)的混凝土澆筑過程中，出現(xiàn)了樁身傾斜的情況，嚴(yán)重影響了灌注樁的穩(wěn)定性。鉆孔過程中的機(jī)械振動(dòng)也會(huì)對(duì)樁周土體產(chǎn)生擾動(dòng)。振動(dòng)會(huì)使土體顆粒間的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，削弱土體的抗剪強(qiáng)度，降低土體對(duì)灌注樁的摩擦力。在采用沖擊鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔時(shí)，較大的沖擊能量會(huì)使樁周土體產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，導(dǎo)致土體的密實(shí)度降低，增加了灌注樁的變形風(fēng)險(xiǎn)。在某高層建筑的鉆孔灌注樁施工中，使用沖擊鉆機(jī)時(shí)，由于振動(dòng)過大，使得樁周土體出現(xiàn)了松動(dòng)現(xiàn)象，在樁身加載后，樁身的水平位移明顯增大，影響了灌注樁的正常使用。混凝土澆筑質(zhì)量對(duì)灌注樁的穩(wěn)定性起著決定性作用。混凝土的配合比直接影響其強(qiáng)度和耐久性。在多年凍土區(qū)，由于環(huán)境溫度低，混凝土的水化反應(yīng)緩慢，需要調(diào)整配合比，增加水泥用量、添加早強(qiáng)劑等，以提高混凝土的早期強(qiáng)度和抗凍性能。在某多年凍土區(qū)的工業(yè)廠房鉆孔灌注樁施工中，通過優(yōu)化混凝土配合比，將水泥用量提高10%，并添加了高效早強(qiáng)劑，使混凝土在低溫環(huán)境下能夠快速達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，保證了灌注樁的承載能力。混凝土的澆筑過程中，若存在離析、漏漿等問題，會(huì)導(dǎo)致樁身出現(xiàn)缺陷，降低灌注樁的穩(wěn)定性。在某地鐵車站的鉆孔灌注樁施工中，由于混凝土澆筑時(shí)導(dǎo)管埋深控制不當(dāng)，出現(xiàn)了混凝土離析現(xiàn)象，樁身局部強(qiáng)度不足，在后續(xù)的基坑開挖過程中，樁身出現(xiàn)了裂縫，嚴(yán)重影響了灌注樁的穩(wěn)定性?；炷恋臐仓叨纫残鑷?yán)格控制，若澆筑高度不足，會(huì)導(dǎo)致樁頂強(qiáng)度不夠，影響灌注樁的承載能力；若澆筑高度過高，會(huì)造成混凝土的浪費(fèi)，增加工程成本。養(yǎng)護(hù)條件對(duì)灌注樁的穩(wěn)定性也有著重要影響。在多年凍土區(qū)，低溫環(huán)境會(huì)延緩混凝土的硬化過程，需要采取有效的養(yǎng)護(hù)措施，確?；炷聊軌蛘Ｓ不⑦_(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。在混凝土澆筑后，應(yīng)及時(shí)對(duì)樁身進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)，可采用覆蓋保溫材料、搭設(shè)保溫棚等方式，減少混凝土熱量的散失，促進(jìn)混凝土的水化反應(yīng)。在某公路橋梁的鉆孔灌注樁施工中，在樁身澆筑完成后，立即覆蓋了兩層棉被和一層塑料薄膜進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)，使混凝土在低溫環(huán)境下仍能正常硬化，提高了灌注樁的穩(wěn)定性。在養(yǎng)護(hù)期間，還需控制混凝土的溫度變化速率，避免因溫度驟變導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。在某水利工程的鉆孔灌注樁施工中，由于在養(yǎng)護(hù)期間未控制好混凝土的溫度，在寒潮來襲時(shí)，混凝土表面溫度急劇下降，導(dǎo)致樁身出現(xiàn)了多條裂縫，降低了灌注樁的承載能力。應(yīng)根據(jù)混凝土的強(qiáng)度發(fā)展情況，合理確定養(yǎng)護(hù)時(shí)間，確?；炷猎谶_(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再進(jìn)行后續(xù)施工。為了確保鉆孔灌注樁在多年凍土區(qū)的穩(wěn)定性，需要采取一系列施工過程中的質(zhì)量控制措施。在鉆孔施工前，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求，選擇合適的鉆孔設(shè)備和鉆進(jìn)參數(shù)。對(duì)于凍土硬度較大的區(qū)域，應(yīng)選用功率較大、鉆頭耐磨性好的鉆機(jī)，并合理控制鉆進(jìn)速度和壓力，減少熱擾動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)對(duì)樁周土體的影響。在鉆進(jìn)過程中，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔的垂直度和孔徑，及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，確保鉆孔質(zhì)量。在混凝土澆筑前，應(yīng)對(duì)混凝土的配合比進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)和試配，確?；炷恋男阅軡M足工程要求。在澆筑過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的坍落度、澆筑速度和導(dǎo)管埋深，防止出現(xiàn)離析、漏漿等問題。在混凝土澆筑完成后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，根據(jù)環(huán)境溫度和混凝土的特性，選擇合適的養(yǎng)護(hù)方法和養(yǎng)護(hù)時(shí)間，確?；炷恋膹?qiáng)度正常發(fā)展。應(yīng)加強(qiáng)施工過程中的質(zhì)量檢測(cè)，采用超聲波檢測(cè)、低應(yīng)變檢測(cè)等方法，對(duì)灌注樁的樁身完整性和強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理存在的質(zhì)量問題。在某橋梁工程的鉆孔灌注樁施工中，通過對(duì)部分灌注樁進(jìn)行超聲波檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了幾處樁身缺陷，及時(shí)采取了壓漿補(bǔ)強(qiáng)等措施，確保了灌注樁的穩(wěn)定性。5.3外部環(huán)境因素對(duì)穩(wěn)定性的影響多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的穩(wěn)定性不僅受到凍土特性和施工因素的影響，還與外部環(huán)境因素密切相關(guān)。氣溫變化、降水、地震等外部環(huán)境因素會(huì)對(duì)灌注樁的工作狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而威脅到工程的安全。因此，深入探討這些因素的影響機(jī)制，并采取有效的防護(hù)措施，對(duì)于提高灌注樁的抗災(zāi)能力和工程的可靠性具有重要意義。氣溫變化是影響多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁穩(wěn)定性的重要外部環(huán)境因素之一。在多年凍土區(qū)，季節(jié)性的氣溫波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致凍土發(fā)生凍融循環(huán)，這對(duì)灌注樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生了多方面的影響。在冬季，氣溫急劇下降，凍土中的水分凍結(jié)成冰，體積膨脹，產(chǎn)生凍脹力。凍脹力會(huì)使樁周土體對(duì)灌注樁產(chǎn)生向上的頂托作用，導(dǎo)致樁體上拔。當(dāng)凍脹力超過灌注樁的抗拔能力時(shí)，樁體可能會(huì)發(fā)生位移甚至斷裂。在某多年凍土區(qū)的公路橋梁工程中，由于冬季氣溫過低，灌注樁周圍的凍土凍脹，部分樁體出現(xiàn)了不同程度的上拔現(xiàn)象，最大上拔量達(dá)到了30mm，嚴(yán)重影響了橋梁的穩(wěn)定性。在夏季，氣溫升高，凍土中的冰融化成水，土體體積減小，產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。融沉?xí)?dǎo)致樁周土體對(duì)灌注樁的側(cè)向約束減小，樁身與土體之間的摩擦力降低，從而降低灌注樁的承載能力。在一些多年凍土區(qū)的建筑工程中，由于夏季融沉作用，灌注樁周圍的土體出現(xiàn)了沉降，樁身出現(xiàn)了傾斜和裂縫，影響了建筑物的正常使用。長(zhǎng)期的氣溫變化趨勢(shì)也會(huì)對(duì)灌注樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。隨著全球氣候變暖，多年凍土區(qū)的氣溫逐漸升高，凍土的融化深度和范圍不斷擴(kuò)大。這會(huì)導(dǎo)致灌注樁周圍的凍土條件發(fā)生改變，土體的力學(xué)性質(zhì)惡化，對(duì)灌注樁的穩(wěn)定性產(chǎn)生長(zhǎng)期的不利影響。在青藏高原多年凍土區(qū)，由于氣溫升高，部分地區(qū)的多年凍土出現(xiàn)了退化現(xiàn)象，一些鉆孔灌注樁的承載能力下降，需要進(jìn)行加固處理。降水對(duì)多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁穩(wěn)定性的影響也不容忽視。降水會(huì)改變樁周土體的含水量和飽和度，進(jìn)而影響土體的力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)降水量較大時(shí)，樁周土體的含水量增加，土體的重度增大，對(duì)灌注樁產(chǎn)生更大的側(cè)向壓力。在某多年凍土區(qū)的鐵路橋梁工程中，一次強(qiáng)降雨后，灌注樁周圍的土體含水量大幅增加，土體的側(cè)向壓力增大，導(dǎo)致部分樁身出現(xiàn)了水平位移。降水還可能引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)灌注樁造成直接破壞。在山區(qū)多年凍土區(qū)，降水容易引發(fā)山體滑坡，滑坡體的沖擊力會(huì)使灌注樁發(fā)生傾斜、斷裂等破壞。在某山區(qū)公路工程中，由于連續(xù)降雨引發(fā)了泥石流，泥石流沖毀了部分鉆孔灌注樁，導(dǎo)致公路中斷。地震是一種具有巨大破壞力的自然災(zāi)害，對(duì)多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。地震產(chǎn)生的地震波會(huì)使灌注樁和樁周土體受到強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊。在地震作用下，樁周土體的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生急劇變化，土體的強(qiáng)度降低，對(duì)灌注樁的約束能力減弱。在某地震多發(fā)的多年凍土區(qū)，一次地震后，一些鉆孔灌注樁周圍的土體出現(xiàn)了松動(dòng)和坍塌，樁身出現(xiàn)了裂縫和變形，部分灌注樁甚至完全失效。地震還可能引發(fā)砂土液化等現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇灌注樁的破壞。在地震作用下，飽和砂土?xí)l(fā)生液化，土體失去強(qiáng)度，對(duì)灌注樁的支撐作用消失。在某多年凍土區(qū)的工業(yè)廠房工程中，地震引發(fā)了砂土液化，導(dǎo)致廠房的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)失去支撐，廠房發(fā)生了倒塌。為了提高多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的抗災(zāi)能力，需要采取一系列防護(hù)措施。針對(duì)氣溫變化和凍融循環(huán)的影響，可以采用保溫措施，在灌注樁周圍鋪設(shè)保溫材料，減少熱量的傳遞，降低凍土的溫度變化速率，從而減輕凍脹融沉的影響。在某公路橋梁的鉆孔灌注樁施工中，在樁周鋪設(shè)了聚苯乙烯泡沫板作為保溫材料，有效減少了季節(jié)性凍融循環(huán)對(duì)樁周土體的影響，提高了樁基的穩(wěn)定性。設(shè)置排水系統(tǒng)也是有效的防護(hù)措施之一。通過設(shè)置排水孔、排水盲溝等設(shè)施，及時(shí)排除樁周土體中的積水，降低土體的含水量，減少降水對(duì)灌注樁穩(wěn)定性的影響。在某鐵路橋梁工程中，在灌注樁周圍設(shè)置了排水盲溝，將降水產(chǎn)生的積水及時(shí)排出，避免了土體因含水量過高而對(duì)灌注樁產(chǎn)生過大的側(cè)向壓力。在地震頻發(fā)地區(qū)，應(yīng)加強(qiáng)灌注樁的抗震設(shè)計(jì)。采用合理的樁型、樁長(zhǎng)和樁徑，增加樁身的配筋率，提高灌注樁的抗震性能。在某地震區(qū)的建筑工程中，通過優(yōu)化鉆孔灌注樁的設(shè)計(jì)，增加了樁身的配筋量，并采用了抗震性能較好的樁型，使灌注樁在地震中能夠保持較好的穩(wěn)定性。還可以采用隔震、減震技術(shù)，如在灌注樁基礎(chǔ)上設(shè)置隔震墊、減震器等，減少地震對(duì)灌注樁的影響。六、多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁穩(wěn)定性研究方法6.1理論分析方法理論分析方法是研究多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁穩(wěn)定性的重要手段之一，它基于凍土力學(xué)、土力學(xué)等相關(guān)理論，通過建立數(shù)學(xué)模型和推導(dǎo)計(jì)算公式，對(duì)樁-土體系的力學(xué)行為進(jìn)行深入分析?；趦鐾亮W(xué)的理論，考慮凍土的特殊物理力學(xué)性質(zhì)，如凍脹性、融沉性、流變性等，建立凍土與鉆孔灌注樁相互作用的力學(xué)模型。在凍土的本構(gòu)模型中，常用的有彈塑性模型、粘彈性模型和粘彈塑性模型等。彈塑性模型能夠較好地描述凍土在加載和卸載過程中的力學(xué)行為，粘彈性模型則適用于考慮凍土的蠕變特性，粘彈塑性模型則綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，能夠更全面地反映凍土在復(fù)雜應(yīng)力條件下的力學(xué)響應(yīng)。在建立樁-土相互作用模型時(shí)，通常將樁視為彈性桿件，將樁周凍土視為連續(xù)介質(zhì)，考慮樁與凍土之間的摩擦力、粘結(jié)力以及凍土的側(cè)向約束作用。根據(jù)力的平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件，建立樁身的內(nèi)力和變形計(jì)算公式。在豎向荷載作用下，樁身的軸力和位移可通過以下公式計(jì)算：N(z)=N_0-\int_{0}^{z}q_s(z)dzu(z)=u_0-\frac{1}{EA}\int_{0}^{z}N(z)dz其中，N(z)為樁身深度z處的軸力，N_0為樁頂軸力，q_s(z)為樁側(cè)摩阻力，u(z)為樁身深度z處的位移，u_0為樁頂位移，E為樁身材料的彈性模量，A為樁身截面積。樁側(cè)摩阻力q_s(z)的計(jì)算是樁-土相互作用分析的關(guān)鍵，它與凍土的性質(zhì)、樁土相對(duì)位移等因素密切相關(guān)。在多年凍土區(qū)，常用的樁側(cè)摩阻力計(jì)算方法有τ-u曲線法、極限平衡法和剪切位移法等。τ-u曲線法通過試驗(yàn)得到樁側(cè)摩阻力與樁土相對(duì)位移的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線確定不同位移狀態(tài)下的樁側(cè)摩阻力；極限平衡法基于土體的極限平衡條件，考慮凍土的抗剪強(qiáng)度和樁土之間的摩擦力，計(jì)算樁側(cè)摩阻力的極限值；剪切位移法假設(shè)樁土之間的相對(duì)位移呈線性分布，通過建立剪切位移方程求解樁側(cè)摩阻力?？紤]多年凍土的凍脹性和融沉性對(duì)樁-土體系的影響，引入凍脹力和融沉變形的計(jì)算模型。在凍脹過程中，凍土中的水分凍結(jié)成冰，體積膨脹，對(duì)樁體產(chǎn)生向上的凍脹力。凍脹力的大小與凍土的含冰量、凍結(jié)速度、樁體的剛度等因素有關(guān)，可通過以下公式計(jì)算：F_{f}=k_f\DeltaV_f其中，F(xiàn)_{f}為凍脹力，k_f為凍脹力系數(shù)，與凍土的性質(zhì)和樁體的約束條件有關(guān)，\DeltaV_f為凍土的凍脹體積變化。在融沉過程中，凍土中的冰融化成水，土體體積減小，導(dǎo)致樁周土體對(duì)樁體的側(cè)向約束減小，樁體產(chǎn)生下沉變形。融沉變形的計(jì)算可采用分層總和法，根據(jù)凍土的融沉系數(shù)和融化深度，計(jì)算樁周土體的融沉量，進(jìn)而得到樁體的沉降量。這些理論分析方法適用于一定的條件。在使用基于彈性理論的計(jì)算方法時(shí)，要求凍土和樁體的變形處于彈性階段，當(dāng)變形過大時(shí)，計(jì)算結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生較大誤差。在考慮凍脹力和融沉變形時(shí)，需要準(zhǔn)確獲取凍土的物理力學(xué)參數(shù)，如含冰量、融沉系數(shù)等，這些參數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響計(jì)算結(jié)果的可靠性。理論分析方法還需要結(jié)合實(shí)際工程情況進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化和假設(shè)，以確保計(jì)算結(jié)果能夠反映實(shí)際的力學(xué)行為。6.2數(shù)值模擬方法數(shù)值模擬方法是研究多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁穩(wěn)定性的重要手段之一，它能夠通過建立數(shù)學(xué)模型，模擬樁-土體系在不同工況下的力學(xué)行為，為工程設(shè)計(jì)和分析提供有力支持。在眾多數(shù)值模擬軟件中，ANSYS、ABAQUS等有限元軟件憑借其強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的單元庫(kù)，在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。有限元方法的基本原理是將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)單元的組合體，通過對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行力學(xué)分析，然后將各個(gè)單元的結(jié)果進(jìn)行組裝，得到整個(gè)求解域的近似解。在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的數(shù)值模擬中，利用有限元軟件建立模型時(shí)，首先需要對(duì)樁-土體系進(jìn)行幾何建模。根據(jù)實(shí)際工程的樁徑、樁長(zhǎng)、樁間距以及土體的范圍等參數(shù)，在軟件中構(gòu)建相應(yīng)的三維幾何模型。對(duì)于鉆孔灌注樁，可將其簡(jiǎn)化為彈性圓柱體，對(duì)于樁周土體，考慮其分層特性和范圍，建立相應(yīng)的土體模型。在某多年凍土區(qū)橋梁鉆孔灌注樁的數(shù)值模擬中，根據(jù)實(shí)際樁徑1.2m、樁長(zhǎng)20m，以及考慮到土體對(duì)樁的影響范圍，將土體模型的半徑設(shè)置為10m，高度設(shè)置為30m，確保能夠準(zhǔn)確模擬樁-土相互作用。定義材料屬性是數(shù)值模擬的關(guān)鍵步驟。對(duì)于鉆孔灌注樁，根據(jù)其采用的混凝土等級(jí)，確定混凝土的彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)。對(duì)于多年凍土，由于其物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，需要考慮凍土的含冰量、溫度等因素對(duì)材料屬性的影響。采用凍土的彈塑性本構(gòu)模型，如Drucker-Prager模型，該模型能夠較好地描述凍土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為。根據(jù)凍土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定模型中的參數(shù)，如內(nèi)摩擦角、黏聚力、膨脹角等。在某多年凍土區(qū)的數(shù)值模擬中，通過室內(nèi)試驗(yàn)得到凍土的內(nèi)摩擦角為30°，黏聚力為20kPa，根據(jù)這些參數(shù)在有限元軟件中定義凍土的材料屬性。設(shè)置邊界條件和加載方式也是數(shù)值模擬的重要環(huán)節(jié)。在邊界條件設(shè)置方面，通常將土體模型的底部設(shè)置為固定約束，限制其在三個(gè)方向的位移；將土體模型的側(cè)面設(shè)置為水平約束，限制其水平方向的位移。這樣的邊界條件設(shè)置能夠模擬實(shí)際工程中土體的約束情況。在加載方式上，根據(jù)實(shí)際工程的受力情況，對(duì)樁頂施加豎向荷載、水平荷載或其他形式的荷載。在研究鉆孔灌注樁在豎向荷載作用下的穩(wěn)定性時(shí)，在樁頂施加分級(jí)遞增的豎向荷載，觀察樁身的位移、應(yīng)力變化以及樁周土體的力學(xué)響應(yīng)。通過數(shù)值模擬，可以得到樁-土體系在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)，包括溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)的分布情況。在模擬人工凍結(jié)過程時(shí)，可以分析凍結(jié)壁的形成過程和溫度分布，以及凍結(jié)壁對(duì)樁周土體溫度場(chǎng)的影響。在模擬鉆孔灌注樁在荷載作用下的穩(wěn)定性時(shí)，可以得到樁身的軸力、彎矩分布，以及樁周土體的應(yīng)力、應(yīng)變分布。在某數(shù)值模擬中，通過對(duì)鉆孔灌注樁在豎向荷載作用下的模擬，得到樁身軸力隨深度的變化曲線，以及樁周土體在不同深度處的水平應(yīng)力分布，為分析樁-土相互作用提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬還可以用于分析不同因素對(duì)鉆孔灌注樁穩(wěn)定性的影響。通過改變凍土的含冰量、溫度、樁徑、樁長(zhǎng)等參數(shù)，觀察樁-土體系力學(xué)響應(yīng)的變化，從而確定各因素對(duì)鉆孔灌注樁穩(wěn)定性的影響規(guī)律。在研究?jī)鐾梁繉?duì)鉆孔灌注樁穩(wěn)定性的影響時(shí)，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著凍土含冰量的增加，樁周土體的剛度增大，樁身的位移減小，但當(dāng)含冰量超過一定值時(shí)，由于凍土融化時(shí)的融沉作用，樁身的沉降會(huì)顯著增加。將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)或已有研究成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，是評(píng)估數(shù)值模型準(zhǔn)確性和可靠性的重要方法。通過對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬中存在的問題，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高模擬結(jié)果的精度。在某多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比中，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬得到的樁身位移與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差，通過分析發(fā)現(xiàn)是由于數(shù)值模型中對(duì)凍土的蠕變特性考慮不足，經(jīng)過對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，增加了凍土蠕變模型后，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加吻合。6.3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法在多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的工程現(xiàn)場(chǎng)，采用了多種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段，以全面、準(zhǔn)確地評(píng)估灌注樁的穩(wěn)定性。應(yīng)變片監(jiān)測(cè)是其中一種重要的方法，通過在灌注樁樁身不同位置粘貼應(yīng)變片，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)樁身的應(yīng)力應(yīng)變情況。應(yīng)變片的選擇需考慮其在低溫環(huán)境下的性能穩(wěn)定性和靈敏度，一般選用高精度的電阻應(yīng)變片，其能夠精確測(cè)量微小的應(yīng)變變化。在某多年凍土區(qū)橋梁鉆孔灌注樁工程中，在樁身的頂部、中部和底部等關(guān)鍵部位對(duì)稱粘貼應(yīng)變片，共粘貼了12個(gè)應(yīng)變片，形成了一個(gè)完整的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。這些應(yīng)變片通過導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集儀相連，數(shù)據(jù)采集儀按照設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)采集應(yīng)變片的信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行分析處理。位移監(jiān)測(cè)也是必不可少的環(huán)節(jié)，采用全站儀、水準(zhǔn)儀等測(cè)量?jī)x器，對(duì)灌注樁的水平位移和垂直沉降進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。全站儀能夠高精度地測(cè)量灌注樁在水平方向的位移變化，水準(zhǔn)儀則用于測(cè)量垂直方向的沉降。在灌注樁施工前，在樁位周圍設(shè)置多個(gè)固定的觀測(cè)點(diǎn)，這些觀測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)考慮到灌注樁可能的位移方向和范圍，確保能夠全面監(jiān)測(cè)灌注樁的位移情況。在某多年凍土區(qū)的建筑工程鉆孔灌注樁監(jiān)測(cè)中，在灌注樁周圍設(shè)置了4個(gè)水平位移觀測(cè)點(diǎn)和3個(gè)垂直沉降觀測(cè)點(diǎn)，每隔3天進(jìn)行一次測(cè)量。在灌注樁施工過程中，密切關(guān)注位移變化情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)位移變化異常時(shí)，及時(shí)分析原因并采取相應(yīng)的措施。溫度監(jiān)測(cè)對(duì)于評(píng)估灌注樁在多年凍土區(qū)的穩(wěn)定性同樣關(guān)鍵。采用熱電偶、熱敏電阻等溫度傳感器，在樁周土體和樁身內(nèi)部布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化。在樁周土體中，沿徑向和深度方向布置多個(gè)溫度傳感器，以獲取不同位置的溫度分布情況；在樁身內(nèi)部，根據(jù)需要在不同深度設(shè)置溫度傳感器，監(jiān)測(cè)混凝土的水化熱以及樁身與土體之間的熱交換。在某多年凍土區(qū)的鐵路橋梁鉆孔灌注樁施工中，在樁周土體中布置了10個(gè)溫度傳感器，在樁身內(nèi)部布置了5個(gè)溫度傳感器，通過分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)。通過這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以從多個(gè)角度評(píng)估灌注樁的穩(wěn)定性。根據(jù)應(yīng)變片監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算樁身的應(yīng)力分布，判斷樁身