湖岸強(qiáng)凍脹土區(qū)船臺(tái)樁基礎(chǔ)凍拔試驗(yàn)研究

湖岸強(qiáng)凍脹土區(qū)船臺(tái)樁基礎(chǔ)凍拔試驗(yàn)研究

人工湖的平臺(tái)是游客上下船只的轉(zhuǎn)世平臺(tái)，由游客和系泊電纜系統(tǒng)承擔(dān)負(fù)荷。船臺(tái)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(tái)(船臺(tái))。在寒冷地區(qū),船臺(tái)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(dāng)船臺(tái)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(shí),樁即發(fā)生向上“拔起”的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象我們稱(chēng)之為“凍拔”。凍拔位移值逐年累計(jì)增加,導(dǎo)致船臺(tái)漸漸上升,使船臺(tái)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(shí),在臺(tái)岸交接處,多年的上拔積累形成一個(gè)變化的臺(tái)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(tái)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(cè)算,長(zhǎng)春市各公園船臺(tái)樁基礎(chǔ)在使用期內(nèi),處理“凍拔”質(zhì)量問(wèn)題每年發(fā)生實(shí)際費(fèi)用接近10萬(wàn)元,占樁船臺(tái)投資的1.5%。從處理費(fèi)用可見(jiàn)三北地區(qū)針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題而發(fā)生的資源浪費(fèi)是較嚴(yán)重的。2005年10月,我院與長(zhǎng)春市園林局重點(diǎn)工程辦工室針對(duì)湖岸構(gòu)筑物“凍害”質(zhì)量問(wèn)題立項(xiàng)并研究?！按_(tái)凍拔質(zhì)量問(wèn)題研究”是其中的一個(gè)子課題。課題組在長(zhǎng)春市的南湖公園、長(zhǎng)春公園建立了“凍拔”位移觀測(cè)站,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè),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(cè)實(shí)驗(yàn)方法的確定“凍拔”位移觀測(cè)研究的目的:針對(duì)湖岸強(qiáng)凍脹土區(qū)船臺(tái)樁基受基土凍脹產(chǎn)生的上拔位移的觀測(cè),獲得樁基礎(chǔ)“凍拔”位移數(shù)據(jù),揭示船臺(tái)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?！皟霭巍蔽灰浦?△h,見(jiàn)圖1)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)方法的考慮:采用精密水準(zhǔn)測(cè)量單測(cè)站法,于船臺(tái)上選擇對(duì)“凍拔”位移反應(yīng)敏感的部位設(shè)置凍拔位移觀測(cè)點(diǎn)(Di,見(jiàn)圖1),岸邊埋設(shè)不受凍脹影響的高程基準(zhǔn)點(diǎn)(JDi,見(jiàn)圖1)。氣候進(jìn)入不同的低溫時(shí)段,觀測(cè)出各位移觀測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的高差,推算“凍拔”位移值。以之來(lái)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(shí)段,船臺(tái)樁基土凍結(jié)產(chǎn)生的不同強(qiáng)度的切向凍脹應(yīng)力τ(見(jiàn)圖1)對(duì)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(jiàn)“凍拔”位移應(yīng)在不同的低溫時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)才能反映“凍拔”位移的變化特征。即“凍拔”位移的觀測(cè)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(zhǎng)春地區(qū)約在每年11月初土層開(kāi)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(cè)期選在2005年11月初至2006年4月下旬(即一個(gè)寒期)。測(cè)量觀察該溫度時(shí)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(zhǎng)期變化形態(tài),可將觀測(cè)期定為幾個(gè)寒期。1.3“冷凍高度”測(cè)量點(diǎn)的配置1.3.1南湖公園的北船臺(tái)“凍拔”位移觀測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)方案凍拔位移觀測(cè)點(diǎn)位應(yīng)敏感地反應(yīng)船臺(tái)樁基凍拔特征。樁頂對(duì)應(yīng)的船臺(tái)板上表面處凍拔位移最敏感,選為實(shí)際布點(diǎn)位置(如圖1)。此外,為能夠反映獨(dú)立船臺(tái)不同部位產(chǎn)生的凍拔位移,凍拔觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)足夠,點(diǎn)位的設(shè)置應(yīng)兼顧于實(shí)驗(yàn)儀器的通視測(cè)量和有效視距要求,且便于長(zhǎng)期保存。點(diǎn)位處理平整以減少立尺測(cè)量操作時(shí)的誤差。應(yīng)做恰當(dāng)?shù)木幪?hào)標(biāo)識(shí)。南湖公園新建西船臺(tái)群和長(zhǎng)春公園北船臺(tái)的“凍拔”位移觀測(cè)實(shí)驗(yàn)按以上要求布點(diǎn)。南湖公園新建西船臺(tái)群“凍拔”位移觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)際布點(diǎn)方案如圖2所示。一個(gè)寒期觀測(cè)取得的樁基凍拔位移的準(zhǔn)確性評(píng)估,凍拔位移觀測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)合理。1.3.2凍拔位移檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)樁的埋深“凍拔”位移觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)樁是用于判別船臺(tái)樁基是否發(fā)生凍拔位移的絕對(duì)基準(zhǔn)(見(jiàn)圖2,3)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)樁必須在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)保持樁頂標(biāo)高不變。這樣,測(cè)量出的基準(zhǔn)點(diǎn)樁與凍拔位移觀測(cè)點(diǎn)間的高差,即凍拔位移值才具有真實(shí)性和可靠性。重復(fù)精密水準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器的前后視距應(yīng)盡量相等,便于消除視距誤差,以測(cè)得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)?；谝陨弦髮⒏呔芏人疁?zhǔn)儀前后視距定為50m左右,即“凍拔”位移觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)樁埋設(shè)在岸邊距船臺(tái)100m的范圍之內(nèi)的適當(dāng)位置?！皟霭巍蔽灰朴^測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)樁本身埋設(shè)的防凍拔設(shè)施:長(zhǎng)春地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍土深度設(shè)計(jì)值為1.7m,現(xiàn)場(chǎng)凍土挖掘試驗(yàn)證實(shí)凍土深度為1.3m。選定基準(zhǔn)點(diǎn)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(zhǔn)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(shù)葉和塑料布封閉保溫,隔離基準(zhǔn)點(diǎn)樁與周?chē)翆娱g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(zhǎng)春公園凍拔位移的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)期間,土凍脹沒(méi)有影響凍拔基準(zhǔn)點(diǎn)樁的標(biāo)高,使用期間標(biāo)高是穩(wěn)定的,說(shuō)明措施有實(shí)效。1個(gè)獨(dú)立測(cè)量區(qū)域的岸邊埋設(shè)十個(gè)凍拔位移觀測(cè)基準(zhǔn)樁,宜在埋設(shè)穩(wěn)定后使用。1.4中“凍脹”位移的精確觀測(cè)1.4.1船臺(tái)樁凍拔位移的測(cè)量如前所述,在不同的低溫時(shí)段,由于土層凍脹導(dǎo)致船臺(tái)樁在相應(yīng)時(shí)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(shí)的,也可能是漸變的。若要精確地量測(cè)出樁凍拔位移值,精密水準(zhǔn)測(cè)量是有效的方法。用于國(guó)家一、二級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量的精密水準(zhǔn)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)精確,光學(xué)測(cè)微器觀測(cè)值可以精測(cè)到0.1mm,估測(cè)到0.05mm,儀器性能受溫度變化影響小。若船臺(tái)樁凍拔位移值超過(guò)1mm時(shí),精密水準(zhǔn)儀可觀測(cè)得到。選擇精密水準(zhǔn)儀量測(cè)船臺(tái)凍拔位移具有可操作性。能夠保證測(cè)量出的上拔位移值的精確度和可靠性。南湖公園、長(zhǎng)春公園船臺(tái)凍拔位移觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中,選擇了精密水準(zhǔn)測(cè)量方案,使用儀器為德國(guó)產(chǎn)Ni004型精密水準(zhǔn)儀及配套的精密水準(zhǔn)尺。1.4.2船臺(tái)凍拔位移觀測(cè)方法及驗(yàn)證船臺(tái)凍拔位移的觀測(cè)是在低溫下的重復(fù)精密水準(zhǔn)測(cè)量,有時(shí)氣溫可達(dá)-20℃以下,儀器的性能和測(cè)量操作過(guò)程要經(jīng)歷持續(xù)低溫的檢驗(yàn),要采取有效的措施:每次正式觀測(cè)前,現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)儀器各部件是否靈活;精密水準(zhǔn)儀視準(zhǔn)線是否水平;現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件準(zhǔn)備是否充分;清除凍拔位移基準(zhǔn)點(diǎn)和凍拔位移觀測(cè)點(diǎn)上的結(jié)冰或積雪,清理至原始標(biāo)高面。在觀測(cè)過(guò)程中:精密水準(zhǔn)儀架設(shè)于凍拔位移觀測(cè)點(diǎn)與凍拔位移基準(zhǔn)點(diǎn)的中間位置,保證“通視”且保持前后視距基本等距;選擇單測(cè)站同一儀器高,正向和逆向兩測(cè)回制的觀測(cè)方法;讀數(shù)時(shí),必需保證水準(zhǔn)儀精平水平,管內(nèi)氣泡居中;每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)2次讀數(shù);密切關(guān)注當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)站預(yù)報(bào)的觀測(cè)期間氣溫變化,及時(shí)補(bǔ)充觀測(cè)次數(shù);觀測(cè)結(jié)束后,凍拔位移基準(zhǔn)點(diǎn)樁頂及其周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的地表面要采取嚴(yán)密的覆蓋保溫、保護(hù)措施,保持封閉,以防止基準(zhǔn)點(diǎn)樁位置和頂標(biāo)高發(fā)生變化。凍拔位移值的計(jì)算:凍拔位移值△h(m)=實(shí)際觀測(cè)的凍拔位移觀測(cè)點(diǎn)高程(m)-實(shí)際觀測(cè)的凍拔位移基準(zhǔn)點(diǎn)高程(m)-基期高差(m)基期高差(m)=結(jié)凍前凍拔位移觀測(cè)點(diǎn)高程(m)-結(jié)凍前凍拔位移基準(zhǔn)點(diǎn)高程(m)(以上計(jì)算結(jié)果均精確到0.0001)凍拔位移測(cè)量值驗(yàn)收的中誤差取≤2(其中n為測(cè)站數(shù),即n=1時(shí),中誤差限值為2mm)。觀測(cè)期內(nèi)7次凍拔位移值的觀測(cè)值,中誤差均滿足≤2,表明實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的船臺(tái)凍拔位移值準(zhǔn)確度可靠。凍拔精密水準(zhǔn)測(cè)量手簿(即實(shí)驗(yàn)觀測(cè)記錄)內(nèi)容:如表1所示。2“凍拔”位移觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)樁的布點(diǎn)凍拔位移觀測(cè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)之一為南湖公園西船臺(tái)群的4座新建獨(dú)立船臺(tái)。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(tái)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(bǔ)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(biāo)高為211.80—212.43m。土層為強(qiáng)凍脹性地基土?！皟霭巍蔽灰朴^測(cè)點(diǎn)及“凍拔”位移觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)樁的布點(diǎn)如圖4和圖2。在一個(gè)觀測(cè)期(一個(gè)寒期)的各低溫時(shí)段至升溫期,進(jìn)行了7次凍拔位移實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。對(duì)測(cè)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(shí)存在,呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。對(duì)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算處理后,各階段船臺(tái)樁凍拔位移值觀測(cè)實(shí)驗(yàn)成果見(jiàn)表2:3凍拔位移值分析據(jù)南湖公園西船臺(tái)群樁基凍拔位移值觀測(cè)成果(表2),繪制的各低溫時(shí)段相應(yīng)的凍拔位移變化曲線,如圖4:各低溫時(shí)段的凍拔位移變化曲線表現(xiàn)出如下規(guī)律:在一個(gè)觀測(cè)期內(nèi)(一個(gè)寒期內(nèi)),各船臺(tái)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(cè)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(gè)寒期的凍拔位移值,就是年度的“凍拔”量。對(duì)應(yīng)于凍拔位移曲線的上升段,此時(shí),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(dá)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(shí)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(guò)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(dá)到最大凍結(jié)深度后期的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),樁的凍拔位移量反而緩慢回落。說(shuō)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?jī)錾顑?nèi)作用于樁基上的有效切向凍脹應(yīng)力變小。此時(shí),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(shí),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