青藏铁路清水河高温高含冰量冻土区“以桥代路”工程稳定性研究

摘要

考虑全球气温升高和工程热扰动结果的不可逆性可能导致影响铁路运行的路基冻融病害产生，青藏铁路的高温极不稳定多年冻土地段，大量采用了“以桥代路”的工程结构。这种铁路工程稳定的关键是坐落在高温不稳定冻土层中的灌注桩基础，而桩基础稳定的关键在于桩与桩周土体温度场和应力场的相互作用效应。
　　 桥梁桩基础稳定性问题实际也是青藏铁路冻土区工程冻融病害形成机理和防治技术研究领域的有机组成部分，本课题着力研究的高温冻土区冻土与结构的相互作用问题，对青藏铁路运营具有重要的理论价值和工程实践意义。
　　 本文通过现场试验数据和理论计算，研究预测多种可能因素作用条件下，清水河地区“以桥代路”桩基的稳定性，为评价青藏铁路冻土区类似地段桩基的工程状态以及灾害处理提供预测和决策依据。
　　 研究考虑了青藏铁路修建后未来气候和冻土地温的变化，充分考虑冻土退化、运营荷载、桩底多年冻土下限变化和桩土不同作用条件等各种不利因素和工程条件，对桩基及桩周土体的应力场、位移场及温度场的演变规律的影响，以及对桩基稳定性的影响。
　　 通过上述工作得出如下对工程具有参考价值的结论：
　　 1)桩基施工产生水化热对高温冻土区的冻土的热扰动在6个月到1年左右的时间逐渐消失，热扰动范围横向为5m，纵向更大些。桩周土体变形总体以融沉为主，处于稳定状态下冻胀与融沉均有发生，距离桩基越近，土体位移受桩基影响越大。
　　 2)地表以下5.0m内由于环境气温影响桩身温度呈余弦变化，5.0m以下受环境温度影响较小。桩身温度变化对环境温度变化响应的滞后随深度增加而增加。
　　 3)考虑在全球气候变暖青藏高原多年冻土退化条件下，结合高温冻土土性和温度特点，设计了冻土上限下移至不同水平、下限上移至不同水平、冻土完全融化等多种不利冻土地温分布形态;在所模拟的各种地温分布条件下，均匀冻土中的桩基承载力最大，为15957N，冻土下限上移到桩底水平条件下次之;冻土发生冻融循环后承载力最小，由此进行理论还原分析可知，当未来冻土发生上述几种退化可能时，只有均匀冻土和冻土下限上移至桩底条件下桩基是稳定的。
　　 4)多年冻土地区桩基的承载力由多年冻土上限以上侧摩阻力、多年冻土上限下的冻结力和桩端阻力组成，对于承受较大荷载而引起桩土相对滑移的桩基，还包括冻土与桩侧的摩阻力等。冻结力是影响桩基承载力的主要因素，多年冻土上限下移不可避免的导致桩基冻结力的弱化甚至丧失，从而对桩基稳定性造成很大威胁。
　　 5)桩基受荷后，由于上部轴力较大因此上部桩身压缩量较大，从而引起桩身上部侧摩阻力最先发挥，当其达到冻结力后将会发生相对滑移，此时该部分依赖冻土与桩的侧摩阻力提供承载力，所不能分担部分向下转移引起桩身侧摩阻力向下逐渐增大，最终桩侧发生滑移而进入桩端承载力阶段。
　　 6)桩基在高温冻土区计算条件下有沉降发生，上部桥梁荷载施加初期(第6个月)沉降较大，但是随着时间的发展，沉降将趋于稳定;年际冻融交替期间桩基伴有冻拔和下沉现象发生；这些规律与现场观测规律较吻合。
　　 7)在冻土退化一定范围内，冻土上限的下移导致桩侧摩阻力减小，高温冻土区桩基承载力下降，且桩基达到极限破坏时的沉降随之减小，因而冻土上限下降对桩基的承载力具有破坏性影响；但是当冻土退化加剧时，桩端阻力逐渐发挥，在相同的上部荷载条件下，多年冻土上限越深，桩基的侧摩阻力越小，从而桩端阻力越大。总体来讲，冻土上限越深，桩基的承载性能越差，因而必须采取有效的措施延缓桩周冻土的退化，这一点对冻土区桩基设计原则的确定和运营期间桥梁病害防治具有重要参考价值。
　　 本文研究工作的一些结论，由于受条件限制未能在现场进行试验验证，但是其基本规律和基本趋势已经为工程实践所证实。由于冻土的基本变形机制之一就是在很高的切向应力下因摩擦生热使冰晶沿解理面融化，桩基在受荷以及发生相对滑移的过程中，除界面材料破坏对界面强度起到弱化作用外，其界面温度的升高无疑也会对界面冻结强度起到削弱作用。这是由冻土本身的温度特性所决定的，下一步需要对此进行深入研究，以丰富冻土区桩基设计理论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 研究课题提出和国内外研究现状

1.1研究问题的提出

1.2冻土区桥梁工程国内外研究现状

1.2.1气温、冻土地温及其变化对工程建筑物影响

1.2.2多年冻土地区桩基研究和工程应用现状

1.2.3多年冻土地区桩基承载作用机理研究

1.2.4多年冻土地区桩基现场试验研究

1.2.5桩基试验方法研究

1.2.6多年冻土地区桩基承载性状试验研究现状

1.2.7多年冻土地区桩基理论分析和计算方法

1.2.8多年冻土地区桩基数值模拟计算

1.2.9多年冻土地区桩基承载力计算经验公式

1.2.10温度变化对桩基稳定性影响研究

1.2.11应力状态改变条件下温度场研究现状

1.3本论文研究思路

第二章 高温高含冰量冻土区的桥梁工程

2.1高温高含冰量多年冻土区桥梁工程地质条件

2.1.1气候条件及发展趋势特征

2.1.2冻土地质特征

2.2高温高含冰量地区桥梁工程的可行性

2.2.1确定高温高含冰量冻土区的桥梁工程地质条件

2.2.2高温高含冰量地区桩基设计特殊性

2.2.3冻土区钻孔灌注桩特殊性及承载力影响因素

2.3高温高含冰量冻土区桥梁工程概况

第三章 高温高含冰量冻土区施工建设期间桥梁工程稳定性研究

3.1桩周土体回冻过程的试验观测

3.1.1试验技术条件

3.1.2地温观测及分析

3.1.3桩周土体回冻分析

3.2桩周土体回冻的数值模拟

3.2.1基本假设

3.2.2计算热传导方程的建立

3.2.3基本参数选取

3.2.4计算方法

3.2.5计算结果和分析

3.2.6冻土地区桥梁承载力形成规律及施工过程与冻土回冻时间和回冻温度之间的关系分析

3.3回冻过程中桩基承载力问题的研究

3.3.1试验场地和试验条件概述

3.3.2桩周地基土回冻过程分析

3.3.3试桩加载测试曲线及基桩竖向承载性能分析

3.3.4高温高含冰量冻土区桩基础试验小结

3.4本章结论

第四章 青藏铁路运营期间高温高含冰量冻土区桥梁工程稳定性预测

4.1计算模型和计算条件

4.1.1基本假设

4.1.2控制微分方程及其有限元公式

4.1.3计算模型

4.2计算结果分析

4.2.1施工热扰动消散

4.2.2桩基温度和位移特性

4.2.3冻土上限发展变化

4.2.4桩基承载力分析

4.3冻土上限下降对桩基的影响

4.3.1冻土上限下移至四米的影响

4.3.2冻土上限下移至八米的影响

4.3.3冻土上限下移至十二米的影响

4.3.4冻土上限下移至十七米的影响

4.3.5冻土上限下移影响综合分析

4.4桩周融土承载力计算

4.4.1地层温度分析

4.4.2桩基承载力分析

4.4.3桩基的侧摩阻分析

4.4.4桩基的桩端阻分析

4.5冻结层下水影响分析

4.5.1地层温度分析

4.5.2桩基承载力分析

4.5.3桩基的侧摩阻分析

4.5.4桩基的桩端阻分析

4.6冻土下限上移至桩底的影响分析

4.6.1地层温度分析

4.6.2桩基承载力分析

4.6.3桩基的侧摩阻分析

4.6.4桩基的桩端阻分析

4.7厚层地下冰影响分析

4.7.1地层温度分析

4.7.2桩基承载力分析

4.7.3桩基的侧摩阻分析

4.7.4桩基的桩端阻分析

4.8桩基稳定性评价小结

第五章 高温高含冰量冻土区的桥梁工程稳定性综合评价

5.1高温高含冰量冻土区桥梁桩基稳定性综合评价原则

5.1.1环境与冻土条件复杂多变

5.1.2桩基承载机制

5.1.3施工热扰动和桩基回冻问题影响

5.2高温高含冰量冻土区桥梁桩基稳定性综合评价

第六章 结论及创新

参考文献

个人信息

致谢