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高寒冻土地区桥梁病害机理与处理方法分析-6104

发布时间:2020-01-03 14:22源自:未知作者:admin阅读()

  青藏高原海拔高、气候严寒多变,分布在此的多年高寒冻土具有特殊性与复杂性,冻土地表活动层随着季节的变化而融化和冻结,地表以下为常年处于冻结状态的冻土 层。在这样的地质条件下修筑公路或铁路,使原有的地表热平衡条件及生态环境遭到破 坏,随至而来的即是冻胀、融沉、裂缝等桥梁构筑物常见病害的产生。 施工过程中,施工机械和混凝土浇筑引起的热量大量传入地基,引起地基冻土融化 下沉,造成墩台基础产生沉降,桥梁上部结构发生变形;当地基多年冻土含冰量大,且 桥梁结构开裂。这些因素造成桥梁构造物处于不稳定状态,在一定负毅作用下,尤其是一随着近些年西部经济的飞速发展,道路运输量日增,冻土地区道路超负荷使用,造成桥 梁损坏,直接影响到桥梁的通行荷载、安全性能及使用寿命。基于上述问题,论文以2007年青海省危桥危涵调查报告、青藏公路桥梁状况及G214 线多年冻土地区桥梁病害类型调查为切入点,总结归纳出高寒冻土地区桥梁的常见问 题,主要进行了以下方面的研究工作: (3)系统的归纳、总结了高原冻土地区切实可行的桥梁病害预防对策和现状病害治理瓤.?方法….. 关键词:高寒冻土地区桥梁病害病害特征病害机理分析加固处理方法 ,lP,,.. AbstractBecauseofthe high altitude Qinghai-TibetPlateau,coldchangeableweatherSO alpinepermafrostthatdistributeinhereis particularity complexity.Thesurfaceactive layer permafrostchangeswiththe seasons,melting freezing.Belowthesurfaceis frozensoil layer,which frozenyear round.Iftheconstructionofroadsor railways insuch geological conditionsthatwouldresultinthe original conditionofsurfaceheatbalanceand ecologicaldamage.Then itwill producebridge structurescommondiseases,suchas freezing, thawing,and cracks. Duringtheconstruction process,a lotofheat incomingfoundatibn,whichcomefrom construction machinery andconcrete pouring,it willcause permafrost infoundation melting sinking,andthencreatethebasisof piersubsiding bridgesuperstructuredeforming;Whenthe years offrozeninfoundationcontains largequantities oficeandthe temperature frozenformanyyears moreobvious:During operationalphase,due tothe frequent effectofvehicle load,changing theheatbalanceofthesurfacein bridgeregion,which makes manyyears offrozeninthefoundation produce frostheaveand thawingsettlement,even bridgestructure cracking.These factorswill cause bridge structures instability loads,especiallywiththe rapid Westeconomic development inrecent years,the increaseinroadtrafficandroadoverloadin permafrostregions?resulting bridgedamage,directimpact onthe security andservicelifeofthe bridges. .......,:.,Based ontheabove issues,thisentrypoint ofthis paper .dangerousbridgeandculvertof Qinghai in2007,andhighwaybridge statusin Qinghai :i:investigationofthe types bridgediseasesinG214line.The bridge common problems permafrostareas,primarilyresearcharecardedoutinthe following areas: I.....』....(1)More comprehensive statisticsand analysis withinthediseasestatusof highway QinghaiProvince;(2)Exploring thecausesof bridge defectsin frigidpermafrostregion,disease mechanismand hazardless,etc; (3)The feasiblemeasuresto preventbridge diseaseandthemethodsofdiseasetreatmentin plateau permafrostregions aresummarized. Keywords:alpinepermafrostareas;bridgedisease;diseasecharacteristics;analysis damagemechanism;methodofreinforcement 第一章绪论…………………………………………………………………………………1 1.1问题的提出及研究目的……………………………………………………………一1 1.2国内外冻土工程研究现状【31-【51……………………………………………………..7 1.3本文主要研究内容…………………………………………………………………..8 第二章冻土的工程特性…………………………………………………………………….9 2.1冻土的概念及多年冻土的分类川7】【引………………………………………………9 ‘一2.1:1冻土的概念………:…………………………………………..j..:.j一::…:……9 .:,2.1.2多年冻土的分类………………………………………………………………9 -2.2:冻胀特性………………………………………………………………o…….….…10 ‘‘‘2.2.1冻胀的机理……………………………………………………………………10 …2.2.2影响冻胀的因素………………………………………………………………..10 2.3融沉特性…………………………………………………………………………….1O 2.3.1融沉的机理…………………………………………………………………….1O 2.3.2影响融沉的因素……………………………………………………j……..11 .2.4.冰(水)害特性…………………………………………………………………….11 第三章’’混凝土桥梁冻害的影响分析……………………………………………………12’‘311混凝土桥梁冻害形式…..……………………………………………:………‘.…j..:.j12 3.2混凝土桥梁冻害的影响……………………………………………………………147:3.3:混凝土桥梁受冻害的机型1l】-【141………………………………………二.:-.:‘::。~:17 第四章::高寒冻+italy桥梁病害及机理…………..………………………...0.jZj.19 4.1主要病害特征……………………………………………………………………j…19 4.2上部结构主要病害…………………………………………………………………224.2.1主梁挠曲变形…………………………………………………………………22 4.2.2梁体开裂……………………………………………………………………24 4.2.3桥面板开裂…………………………………………………………………..29 4.2.4腐蚀破坏……………………………………………………………………..31 4.3上部结构主要病害机理【12】【14儿161……………………………………………………32 4.4下部构造与基础主要病害…………………………………………………………35 4.4.1盖梁主要病害………………………………………………………………。354.3.2墩台主要病害…………………………………………………………………37 4.3.3基础主要病割18】【20】…………………………………………………………..39 4.5下部结构与基础主要病害机理【14】【2l】’【23】………………………………………….42 4.5.1地基土的冻胀变形、引起桥梁基础隆起、桥梁墩台冻胀倾斜……………42 4.5.2原地层的水热交换条件的改变,加速基底冻土融化,降低地基的承载能力 .………………………………….……………………………………………………………………………….z}zl 4.5.3桥梁的通风作用破坏多年冻的水热平衡条件,致使墩、台身流水方向的冻 4.5.4设计标准较低,桥梁结构承载能力较低……………………………………45.:…..,.4.5.5施工阶段………………………………………………………………………45 .4.5.6气温低、温差较大……………………………………………………………45 4.5.7桥面系(上部结构)防水系统的破坏………………………………………45 4.6附属设施主要病害及机理…………………………………………………………。46 +:+4.6.1桥面铺装主要病害及机理【18】【19]124】【25】……………………………………….46 4.6.2伸缩缝主要病害及机理……………………………………………………….52 4.6.3支座主要病害及机理…………………………………………………………55 ‘。4.6.6桥下铺砌及截水墙主要病害及机理…………………………………………57、。、、、4.6.7调治构造物主要病害及机理…………………………………………………57 4.6.9桥梁防水、排水系统主要病害及机理………………………………………57第五章、‘’高寒冻土地区桥梁病害处理方法………………………………………….-….59 5.1设计方面的防治措施【3】【4】【12】……………………………………………………….59 5.2施工方面的防治措施【3】【4】【31】【32J…………………………………………………....65 5.3桥梁病害处理技术…………………………………………………………………70 5.3.1混凝土梁桥表层缺陷的预防措施及处治技术………………………………70 5.3.2桥梁上部结构加固维修技术………………………………………………..72 5.3.3桥梁下部结构加固维修技术…………………………………………………74 5.3.4桥梁墩台基础防冻及加固维修技术…………………………………………765.3.6桥面铺装层加固维修技术……………………………………………………78 第六章结论………………………………………………………………………………82 参考文献………………………………………………………………………………………85 致谢……j..………………………_………….:.………………………………………87 长安大学硕士学位论文第一章绪论 1.1问题的提出及研究目的 高寒地区是指年平均气温在0以下,且日平均气温低于.20并持续15天以上的 地区:具有负温且含有冰的各类土(岩)均称之为冻土。当其冻结状态持续2年以上时, 称为多年冻土。我国的冻土面积约占全国总面积的68.6%,其中多年冻土面积占22. 3%【。 青藏高原是世界上海拔最高,面积最大的高原,地理位置独特,自然环境恶劣,地质条件复杂,素有“世界屋脊”之称【l】。青藏高原冻土面积约150万平方公里,占全国冻 .;.j土总面积的72%,是我国最主要的多年冻土分布区,也是世界上海拔最高、面积最大、 ….温度最低的多年冻土区。近几十年来,穿越青藏高原多年冻土区,修筑了很多重要工程, .如青藏铁路、青藏公路(109国道)、青康公路(214国道)、宁张公路(227国道)等。 ………。由于其海拔高、气候严寒的特点,决定了多年冻土的存在和广泛分布:青藏高原多 j年冻土区是世界上中、低纬度地带面积最广,厚度最大,温度最低的东区。青藏高原由 于多年冻土的存在和发育已经对该地区的经济开发和工程建设产生了重要的影响,尤其 对多年冻土地区桥梁工程产生了严重的危害。冻土地区桥梁基础的冻胀和融沉,是多年 。,:一:、:。多年冻土区气候条件严寒多变,其地表活动层随着季节的变化而融化和冻结,地表_。以下为常年处于冻结状态的冻土层。在这样的地质条件下修筑公路或铁路,使原有的地 IIjj2:。j?。j j.j 、:表热平衡条件及生态环境遭到破坏,冻胀、融沉、裂缝是桥梁构筑物最常见的病害,路 JiJ’:。’基桥涵等线下工程构筑物一旦发生病害,轻则影响行车舒适,重贝lj导致行车不安全。在 .运营阶段,改变了建桥地段地表的热平衡条件,使地基多年冻土产生衰退和融化。施工 ‘’过程中热量传入大,引起地基冻土融化下沉,造成墩台短期内产生沉降;‘使桥上部结构变形;当地基多年冻土含冰量大,且多年冻土温度较高,在恒载作用下,地基产生蠕变 而沉降,引起结构物长期下沉。 据2007年青海省公路统计资料显示桥梁共计3716座,其中大桥226座,中桥681座, 小桥2801座;危桥599座(19728延米),永久性桥梁3569座(129554延米),半永久性 桥梁123座(3020延米),临时性桥梁24座,(601延米)。其中特大桥占8.47%,大桥 占33.07%,中桥占27.13%,小桥占31.06%。根据交通部部颁标准《公路桥涵养护规范》 第一章绪论 (JT6H1卜2004),并结合桥梁的现状,对这些桥梁进行等级划分,其中一类桥658座, 二类桥791座,三类桥227座,四类桥179座,五类桥35座。全省干线公路四、五类桥梁 共有214座,占全省干线%。据调查数据统计显示,干线公路中的四、 五类桥梁主要以梁桥和拱桥占多数,分别占到四、五类桥梁总数的46%和32.3%,四、五 类桥梁的破坏大部分病害属于上部结构损坏。 在收集、整理有关桥梁调查情况的基础上,取得了青藏公路71座桥梁的病害调查表 (表1.1~表1.3)。通过对这些桥梁状况所进行分析,发现桥梁的病害主要表现(如图1.1 所示)为: (2)预制板梁产生较大的挠曲变形;~;;…一(3)板梁底部出现较大的裂缝,严重的出现板底混凝土碎落、露筋等; (4)桥墩台严重剥蚀,部分桩柱露筋; (5)钢筋混凝土桩基础冻拔; (6)墩(台)基础整体上抬并伴有倾斜、墩台横向拔断或剪断而产生裂缝; (7)桥台翼墙倾斜与断裂; (8)桥下铺砌及截水墙被掏空破坏; 一一’(10)导流堤冻胀沉陷坍塌等。、???i?为了较好保障冻土地区道路的正常通行,必须对存在病害的道路桥梁进行处理,而 aOoO 00 长安大学硕士学位论文1.2国内外冻土工程研究现状【3】。15】 人类对冻土的认识研究伴随着工农业生产实践,经历了不断发展的历史进程。国际 上对冻土工程问题开展研究进而独立学科的当属俄罗斯。在16世纪,就出现关于西伯 利亚和北美冻土的报导,M.B.罗蒙索夫在1757年发表了“冻土地"的科学综述。到19 世纪后期,西伯利亚工农业、人口大量迁移,特别是西伯利亚大铁路的建设极大推动了 冻土研究。 第二次世界大战以前,在北美在冻土地区(阿拉斯加)开采金矿,主要进行了一些 与道路工程相关的季节冻土研究和在地质勘探过程中附带进行了多年冻土的研究。第二 次世界大战中,美国军事部门在亚北极地区的建设遇到了困难,于是开始了对工程冻土 学的大规模研究。 一一~, 1961年,美国陆军部将北极建设与冻结作用实验室和雪冰与多年冻土研究所合并 成立了寒区研究和工程实验室,专门从事北极战争条件、房屋建筑、道路工程等研究。 20世纪60年代以来,北极海洋石油大量开发,开始了北极海岸和海底多年冻土研究。 1975""1997年在对多年冻土和冻土环境保持问题认真研究的基础上,修成了贯穿阿拉 斯加南北长达1280km的石油管线。在加拿大,除了国家建筑研究所以外,还有能源矿 产资源部,运输部等进行冻土工程研究,可见冻土研究技术已广泛经涉及到国家发展, 社会进步的方方面面。 热桩技术是20世纪60时年代初发展起来的一种用于土木工程中的无需外加动力的冷冻技术。这项技术早在20世纪50年代晚期从养护多年冻土、利用融化的不稳定冻土 20世纪60时年代,伴随着北极海洋石油的大规模开发,开始了北极海岸和海底的研究,70年代在对多年冻土和冻土环境开展深入研究的基础上,修建了北美最大的 Alaska输油管道工程。该管线%通过多年冻土区,在融化敏感类冻土区采用架空油管 设计方案,并配置了必要的热棒:.(热桩),以避免冻土融化。 前苏联在19世纪60年代后,随着西伯利亚的开发,铁道的建筑,开始对冻土进行 广泛的研究。在1904"---1914年间修建的阿穆尔铁路常因冻融影响而损坏,每年要耗费 大量的资金维护,促使对冻土工程地质做进一步的研究,并在后来的贝加尔一阿穆尔铁 路干线修建中完成了大量的冻土研究工作。20世纪60年代由学者C.兀.Ta兀eeb提出热 传导桩的概念,并由列宁格勒铁路运输设计院为煤油作工质设计了单项单管和多管热传 导系统。前苏联在冻土力学、冻土温度状况计算等理论分析方面有其独到的见解,对冻 土学研究有很大的借鉴作用。 第一章绪论我国在春秋战国时期就出现了有关冻土的记载。1949年首先开始对东北的冻土研 究,地质、水利部门对水利工程、房屋建筑等方面作了不少研究工作,在道路方面,为 了防治北方地区道路翻浆,交通部门进行了冻土研究。1954年青藏公路通车后也引起 了各方关注。此外,铁道、管线、采矿、煤炭等部门也因工程需要进行了相应的研究。 国外关于多年冻土地区公路工程方面详尽而全面的资料很少,大多是结合建筑基础、管 道工程等进行相关研究。虽然多年冻土地区占全国面积很大一部分,但由于该地区经济 相对落后,道路的发展也受到了相应的制约。 在我国,西北地区有三条道路遇到多年冻土:其一是穿越昆仑山的青藏铁路、青藏 公路;其二是穿越天山的南疆铁路。高原冻土问题引起交通、铁道部门的关注。尤其是 修建青藏铁路、青藏公路时,国内冻土工程研究人员开展了大量的研究工作,1960年在 兰卅I成立了冰川积雪冻土研究机构和高原铁路科研所,相关单位研究人员开展了青藏公 路沿线冻土考察,并系统总结了高原冻土的分布、温度状况、地下冰等特征,标志着我 国冻土进入新阶段。1973年青藏公路科研组成立,交通部第一公路勘察设计院、中科院 兰州冰川冻土研究所、长安大学等单位在此后30多年,对青藏高原多年冻土地区公路修 筑技术进行研究,并取得良好的成绩。 尽管世界上在多年冻土区修筑铁路道路已有百年以上历史,但这些铁路道路的运营 情况,却并不令人乐观。经常发生路基下沉开裂,桥涵冻胀、桩基础冻拔等病害,影响 路线本文主要研究内容:.『‘.::,。一, 文章以2007年青海省危桥危涵调查报告、青藏公路桥梁状况及G214线多年冻土地区桥梁病害类型调查为切入点,总结归纳出高寒冻土地区桥梁的主要病害,并从病害表征、 病害原因、病害机理、病害危害性等方面进行了系统的分析研究,结合高寒冻土地区以 往的桥涵施工、维修养护与加固成功经验,通过理论分析,对桥梁加固与维修技术进行 进一步探讨。 本文研究的主要内容: 1、分析研究高寒地区冻土的工程特征; 2、归纳总结高寒冻土区桥梁的主要病害特征: 3、分析研究高寒冻土区桥梁主要病害的危害性; 4、分析研究高寒冻土区桥梁主要病害的病害机理; 5、提出高寒冻土区桥梁主要病害的处理方法。 长安大学硕士学位论文第二章冻土的工程特性 冻土是由矿物颗粒、冰、未冻水和气组成的四相体系1,与自然界中其他岩土相比, 因其温度和含冰特性而具有特殊的工程性质。在外部荷载作用下,由于土体中水分在冻 结过程中的重分布伴随着压力产生,使土粒结构、密度发生变化形成冻胀;当冻土融化 时,在自重和外荷载作用下产生排水固结,土层压缩变形造成沉降。 2.1冻土的概念及多年冻土的分类眙铂陋3 冻土是具有零温或负温并含有冰或不含冰的土体和岩体的统称,它一种对温度十分一…;…敏感而且性质不稳定的地质体,其成分、组构、热物理及物理力学性质均有着与一般土 .,...体大不相同的许多特点。其中冻结状态维持在两年或两年以上的冻土,称为多年冻土; 冻结状态维持时间超过1年但短于两年的土,称为隔年冻土; 一一一冻结状态维持在一个月以上但不足一年的土体,称为季节冻土;冻结状态每年均有 一天以上、一个月以下的时间,称为短时冻土。多年冻土的季节融化层每年都发生季节-.性的冻融过程,并伴随发生各种不良地质现象,从而产生一系列的工程地质问题,对公 路建设和运营产生不良影响。 __2.1.2多年冻土的分类’一.,r。i-/:7.一。目前,对于冻土的分类方法很多,主要有以下几种: ’o(1).按照平面分布特征分类:多年冻土可分为片状多年冻土和岛状多年冻土;:?j!jj Jiii’i和不衔接多年冻土。 ’’土和含土冰层。当冻土中冰层厚度大于25cm时,称该冰层为厚层地下冰。(4).根据年平均地温(Top)特征分类:分为高温冻土Tcp耋一1.O和低温冻土Tcp< 一1.O。高温冻土又分为高温极不稳定冻土区Top兰-0.5和高温不稳定冻土区一1.O 三Tcp<一0.5;低温冻土分为低温基本稳定冻土区一2.O薹Tcp<一1.0"C和低温稳定 冻土区Tcp<一1.0"C。 (5).根据易溶盐含量或泥炭化程度分类:多年冻土可分为盐渍化冻土(含盐量大于土 重的0.5%时)、泥炭化冻土; 第二章冻土的_丁程特性(6).根据体积压缩系数分类:可分为坚硬冻土、塑性冻土和松散冻土。 2.2冻胀特性 2.2.1冻胀的机理 土发生冻胀的原因是因为冻结时土中的水向冻结区迁移和积聚。目前以“结合水迁 移学说"来解释水分迁移比较流行,我们知道土中水区分为结合水和自由水两大类,当 大气温度降至负温时,土层中的温度也随之降低,土体孔隙中的自由水首先在0时冻 结成冰晶体。随着气温的继续下降,弱结合水的最外层也开始冻结,使冰晶体逐渐扩大, 这样使冰晶体周围土粒的结合水膜减薄,土粒就产生剩余的分子引力。另外,由于结合 水膜的减薄,使得水膜中的离了浓度增加(结合水中的水分了结成冰晶体,使离了浓度 相应增加),这样就产生渗附压力。在这两种引力的作用下,附近未冻结区水膜较厚处 的结合水,被吸引到冻结区的水膜较薄处::’一旦水分被吸引到冻结区后,因为负温作用, 水即冻结,使冰晶体增大,而不平衡引力继续存在。若未冻结区存在着水源及适当的水 源补给通道(即毛细通道),就能够源源不断地补充被吸收的结合水,则未冻结的水分就 会不断地向冻结区迁移积聚,使冰晶体增大,在土层中形成冰夹层,土体积发生隆胀。 这样冰晶体的不断增大,一直要到水源的补给断绝后才停止。 2.2.2影响冻胀的因素 从冻胀机理分析中可以看出,土的冻胀现象是在一定的条件下形成的,影响冻胀的 因素主要有以下三方面: (1)土的因素,冻土现象通常发生在细粒土中,特别是粉土粉质粘土中,具有较显著 的毛细现象,冻结时水分迁移积聚最为强烈,冻胀现象严重。 (2)水的因素,当冻结区附近的地下水位较高,毛细水上升高度能够达到或接近冻结 线,使冻结区能够得到水源的补给时。.将发生比较强烈的冻胀现象。(3)温度的因素,气温缓慢下降,冷却强度小,但负温持续时问较长时,会出现明显 的冻胀现象。上述三方面的因素是土层中发生冻胀的三个必要因素。因此,在持续负温作用下, 地下水位较高的粉砂粉土粉质粘土等土层中常具有较大的冻胀危害。 2.3融沉特性 2.3.1融沉的机理 lO 长安大学硕士学位论文 冻土融化过程中,在自重压密作用下会不断地产生排水固结下沉,即冻土融沉。在 融沉过程中,不仅冻土中冰转变为水时,相变体积会缩小,还会产生孔隙水的消散与排 泄。由融沉特性引起的桥涵结构物下沉,降低结构的稳定性、安全性、耐久性。 2.3.2影响融沉的因素 冻土的融沉性与冻土的粒度成分、含冰量、密度、孔隙水的消散条件等有密切关系。 (1)水和密度的因素,不论何种土质,在允许自由排水条件下,冻土融沉系数随冻 土含水量的增加而急剧增加,而且随着冻土但密度的增大而减小; (2)土的因素,在相同的含水状况下,冻结粉质亚粘土、粉质粘土的融沉性最强, 重粘土和细砂次之,砂石土最小。对于粗粒土来讲,土中粉粘粒含量小或等于12%,融 沉性一般变化不大,其值均小于30/o.-4%,当粉粘粒含量大于12%时,融沉性则随粉粘粒 含量的增加而急剧增大。 (3)孔隙水的消散条件,冻土融化后,在附加荷载压密作用下,土体体积继续产生

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