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摘要：桥梁的安全性和耐久性一直是业内关注的焦点，而影响桥梁安全性和耐久性的因素很多，是一个系统工程。文中分析了影响桥梁桩基耐久性的主要环境因素, 提出对桥梁桩基耐久性问题研究的一些思考。
关键词：桥梁桩基 耐久性 问题 探讨
中图分类号：K928文献标识码： A
前言
在公路桥梁工程竣工投入使用后，所有的公路桥梁都会慢慢的变成旧桥，并且也都会受到不同因素的影响而出现缺陷和病害，所以就要有针对性的对其病害部位进行加固和补强，同时还要制定各类技术措施来提高桥梁混凝土的耐久性，这样才能尽可能的延长公路桥梁的使用寿命，促进我国公路交通行业的健康发展。
一、影响桥梁桩基耐久性的环境因素
桥梁桩基的使用环境较其它混凝土结构的使用环境更为恶劣, 因此环境因素对桩基耐久性的影响也较为突出。桥梁工程需要设桩基的情况, 或是因为要穿越河床将荷载传递到基岩上, 或是因为需穿越不良地基将荷载传递到深处坚实的土层上。而不同的地点土性不同, 土所含的物质不同, 地下水位或河道水位不同, 因此, 桩基使用环境的性质随着其所处的地点、区域的不同而有很大的差异; 一年季节的变化也会造成一定的差异。另外, 由于地下物质的生化作用, 使用环境的性质还可能逐年恶化。所有这一切均会对钢筋起保护作用的混凝土产生影响,导致混凝土过早失去对钢筋应有的保护作用, 最终影响桩基的耐久性。所以, 在研究桥梁桩基的耐久性问题时, 桩基的使用环境是一个必须加以考虑的因素。影响桥梁桩基耐久性的环境因素是多元化的,主要影响因素可分为以下几点。
1、土质因素
一般说来, 所有的土均含有有机物( 尽管其数量和种类千变万化) 。有些土中含有氨基酸、碳水化合物、有机酸、油以及蜡; 有些土中含有羧基、石碳酸氢氧基、酯、还可能有其它聚合体。这些物质的存在或是给土中的微生物提供养料, 使微生物活动更为频繁, 恶化桩基的使用环境, 或是直接腐蚀混凝土, 进而腐蚀钢筋。
对于桩基穿越的软土来说, 其除了含有非晶体或微晶体的水化铝、水化镁或水化铁的硅酸盐外, 还含有其它各种物质, 其组分十分复杂。这些物质对桩基耐久性的影响有待进一步研究。对于河床上的淤泥来说, 其厚度因不断有新的河床沉积而常年变化, 且沉积物质也千变万化。在水和微生物的作用下, 不同层面的淤泥均会有较大的差异。所有这一切以及它们对桩基的耐久性的影响也有待进一步研究。
河道水位因素
河道水位一年四季发生变化, 对于采用高桩承台的桩基础来说, 其对桩基的耐久性的影响就表现得更为突出。水上和水下的桩基, 其混凝土碳化的程度不同, 这种不均匀的碳化使桩基混凝土强度不均匀, 在使用数年后, 内部钢筋的锈蚀也不均匀, 极易产生应力集中和缺口效应。而局部桩身因水位变化引起的干湿循环, 又加剧了以上过程。
3、季节及气候因素
季节有雨季旱季, 气候有降雨、冰冻及艳阳天。有些区域雨季地下水位高, 旱季地下水位低, 地下水位的变化不但使桩基的受力情况发生变化, 而且使地下有害物质对桩基的作用发生变化。冰冻和冻融会引起桩基产生微裂缝, 使内部钢筋的锈蚀加大加快。温度的高低循环、地下水位的高低循环, 也对桩基产生不均匀作用, 影响桩基的耐久性。
4、荷载因素
桥梁传给桩基的荷载较其它建筑物要大, 对于有些桥型, 不但对桩基有较大的垂直荷载, 且有较大的水平荷载。桥梁上的荷载还是动荷载。在这样的荷载作用以及以上各因素的联合作用下, 桥梁桩基上的微裂缝处更易产生应力集中和缺口效应, 使其耐久性进一步降低。
5、水分入渗因素
由于桥梁桩基所处位置的特殊性, 其周围一般水分较多。而混凝土本身有一定的渗透性, 使水分渗入桩体, 易于使桩内钢筋较快锈蚀。若桩基混凝土表面有明显的气孔与内部空腔相连, 这种作用就更为严重。因此水分入渗因素对桩基耐久性也有较大影响。
二、对桥梁桩基耐久性問题研究的思考
1、关于桥梁桩基的耐久抗力计算
根据桩基的设计理论, 桩基设计计算应满足:
S( t ) ≤ R( t) ( 1)
其中: S( t ) 为荷载效应, R( t ) 为结构的抗力效应。但式( 1) 并未考虑桩基的耐久性问题。 但要考虑桩基的耐久性问题, 应分别对影响耐久性的荷载作用和结构抗力随时间的变化进行研究。这里要研究的重点问题有:
( 1) 研究桩基的环境因素及各种非力学因素与混凝土和钢筋性能变化的相关关系, 由此来量化耐久荷载效应。
( 2) 在可靠度分析的基础上, 对桥梁桩基在耐久荷载作用下的耐久抗力与材料参数之间的关系进行研究, 由此确定桥梁桩基的耐久抗力计算方法。
这个研究环节起着承上启下的作用。它把材料的抗力变化和耐久荷载效应作用, 在桥梁桩基抗力变化这个过程中统一起来, 其实质是目前从事混凝土耐久性研究的两大主要学科, 材料工程学科和结构工程学科之间的融合, 是混凝土材料学科与结构工程学科之问的“接口”研究, 值得重视。
三、关于桥梁桩基耐久性设计方法的研究
通过以上几个层次的研究, 可以基本解决耐久荷载效应与材料的耐久性设计参数的确定、以及在耐久荷载效应作用下, 桩基的抗力变化计算等问题。由于桥梁桩基有时是单排桩有时是多排桩, 有时还有斜桩, 不同的桩组合有不同的受力特征, 而不同受力特征的构件具有不同的耐久性特征和抗力变化规律, 再者桥梁桩基的耐久性失效是一个随机过程。这就需要在前面的工作基础上, 对桥梁桩基整体结构耐久性进行研究。重点研究它与桩基耐久抗力的关系, 研究解决桥梁桩基随时间变化的耐久可靠度、桥梁桩基的耐久性设计方法等。通过这些研究, 实现桥梁桩基设计方法由传统的单一强度控制的设计方法, 向由强度、耐久性双指标控制的设计方法发展。
四、关于对已有桥梁桩基耐久性的状态评估问题
现代材料测试手段目前已取得长足进步, 材料内部结构的CT 透视、红外辐射成像技术等测试手段已开始得到应用, 通过实验手段观测在环境因素作用下, 桥梁桩基内部的缺陷已不困难。找出已有桥梁桩基内部缺陷、各种不同缺陷条件下环境因素对其的影响关系、相同缺陷条件下不同环境因素对其的影响关系以及随时间变化的关系, 可对已有桥梁桩基耐久性的状态有一个较客观的评估。由此可见, 对已有桥梁桩基耐久性的状态进行评估是完全可能和可行的。
五、关于桥梁桩基混凝土材料耐久性问题
继续积极开展对高性能混凝土的基础研究工作。在桥梁桩基中采用以耐久性作为主要目标的混凝土, 提高桩基混凝土的抗渗透性、抗冻性、耐干湿循环性、抗碳化能力以及抗各种环境因素作用的能力; 研究高性能混凝土在不同环境因素的作用下各种性能的关系; 研究在桥梁大荷载作用对桩基混凝土耐久性的影响。最终目标是提高桩基混凝土的整体耐久性。实际上, 研究以上问题还对节省材料资源和能源、解决材料与工程技术以及桩基建成后管理方面的很多问题有着十分重要的意义。
结束语
混凝土的耐久性研究是一项重要课题，涉及到了混凝土的配合比（混凝土材料选择、掺合料、外加剂）、混凝土的施工控制、外界环境等等诸多方面。总的目标是要通过选用高效减水剂、掺入活性掺合料、优化配合比参数等手段来降低水胶比、降低孔隙率、提高密实度，最终浇注出高强、耐久的混凝土构件。
参考文献
[1] 宋新生.基于抗硫酸盐侵蚀设计的桩基砼耐久性应用研究[J]. 公路与汽运. 2011(01)
[2] 吕大为,朱晓菲.基于耐久性设计的桩基混凝土应用研究[J]. 混凝土与水泥制品. 2011(05)
[3] 焦兴华,程晔,龚维明,潘建伍.旧桥桩基利用的材性耐久性试验研究[J]. 公路. 2011(04)
[4] 黄斌.沿海地区桥梁桩基混凝土耐久性研究[J]. 福建建材. 2009(02)
关键词：桥梁桩基 耐久性 问题 探讨
中图分类号：K928文献标识码： A
前言
在公路桥梁工程竣工投入使用后，所有的公路桥梁都会慢慢的变成旧桥，并且也都会受到不同因素的影响而出现缺陷和病害，所以就要有针对性的对其病害部位进行加固和补强，同时还要制定各类技术措施来提高桥梁混凝土的耐久性，这样才能尽可能的延长公路桥梁的使用寿命，促进我国公路交通行业的健康发展。
一、影响桥梁桩基耐久性的环境因素
桥梁桩基的使用环境较其它混凝土结构的使用环境更为恶劣, 因此环境因素对桩基耐久性的影响也较为突出。桥梁工程需要设桩基的情况, 或是因为要穿越河床将荷载传递到基岩上, 或是因为需穿越不良地基将荷载传递到深处坚实的土层上。而不同的地点土性不同, 土所含的物质不同, 地下水位或河道水位不同, 因此, 桩基使用环境的性质随着其所处的地点、区域的不同而有很大的差异; 一年季节的变化也会造成一定的差异。另外, 由于地下物质的生化作用, 使用环境的性质还可能逐年恶化。所有这一切均会对钢筋起保护作用的混凝土产生影响,导致混凝土过早失去对钢筋应有的保护作用, 最终影响桩基的耐久性。所以, 在研究桥梁桩基的耐久性问题时, 桩基的使用环境是一个必须加以考虑的因素。影响桥梁桩基耐久性的环境因素是多元化的,主要影响因素可分为以下几点。
1、土质因素
一般说来, 所有的土均含有有机物( 尽管其数量和种类千变万化) 。有些土中含有氨基酸、碳水化合物、有机酸、油以及蜡; 有些土中含有羧基、石碳酸氢氧基、酯、还可能有其它聚合体。这些物质的存在或是给土中的微生物提供养料, 使微生物活动更为频繁, 恶化桩基的使用环境, 或是直接腐蚀混凝土, 进而腐蚀钢筋。
对于桩基穿越的软土来说, 其除了含有非晶体或微晶体的水化铝、水化镁或水化铁的硅酸盐外, 还含有其它各种物质, 其组分十分复杂。这些物质对桩基耐久性的影响有待进一步研究。对于河床上的淤泥来说, 其厚度因不断有新的河床沉积而常年变化, 且沉积物质也千变万化。在水和微生物的作用下, 不同层面的淤泥均会有较大的差异。所有这一切以及它们对桩基的耐久性的影响也有待进一步研究。
河道水位因素
河道水位一年四季发生变化, 对于采用高桩承台的桩基础来说, 其对桩基的耐久性的影响就表现得更为突出。水上和水下的桩基, 其混凝土碳化的程度不同, 这种不均匀的碳化使桩基混凝土强度不均匀, 在使用数年后, 内部钢筋的锈蚀也不均匀, 极易产生应力集中和缺口效应。而局部桩身因水位变化引起的干湿循环, 又加剧了以上过程。
3、季节及气候因素
季节有雨季旱季, 气候有降雨、冰冻及艳阳天。有些区域雨季地下水位高, 旱季地下水位低, 地下水位的变化不但使桩基的受力情况发生变化, 而且使地下有害物质对桩基的作用发生变化。冰冻和冻融会引起桩基产生微裂缝, 使内部钢筋的锈蚀加大加快。温度的高低循环、地下水位的高低循环, 也对桩基产生不均匀作用, 影响桩基的耐久性。
4、荷载因素
桥梁传给桩基的荷载较其它建筑物要大, 对于有些桥型, 不但对桩基有较大的垂直荷载, 且有较大的水平荷载。桥梁上的荷载还是动荷载。在这样的荷载作用以及以上各因素的联合作用下, 桥梁桩基上的微裂缝处更易产生应力集中和缺口效应, 使其耐久性进一步降低。
5、水分入渗因素
由于桥梁桩基所处位置的特殊性, 其周围一般水分较多。而混凝土本身有一定的渗透性, 使水分渗入桩体, 易于使桩内钢筋较快锈蚀。若桩基混凝土表面有明显的气孔与内部空腔相连, 这种作用就更为严重。因此水分入渗因素对桩基耐久性也有较大影响。
二、对桥梁桩基耐久性問题研究的思考
1、关于桥梁桩基的耐久抗力计算
根据桩基的设计理论, 桩基设计计算应满足:
S( t ) ≤ R( t) ( 1)
其中: S( t ) 为荷载效应, R( t ) 为结构的抗力效应。但式( 1) 并未考虑桩基的耐久性问题。 但要考虑桩基的耐久性问题, 应分别对影响耐久性的荷载作用和结构抗力随时间的变化进行研究。这里要研究的重点问题有:
( 1) 研究桩基的环境因素及各种非力学因素与混凝土和钢筋性能变化的相关关系, 由此来量化耐久荷载效应。
( 2) 在可靠度分析的基础上, 对桥梁桩基在耐久荷载作用下的耐久抗力与材料参数之间的关系进行研究, 由此确定桥梁桩基的耐久抗力计算方法。
这个研究环节起着承上启下的作用。它把材料的抗力变化和耐久荷载效应作用, 在桥梁桩基抗力变化这个过程中统一起来, 其实质是目前从事混凝土耐久性研究的两大主要学科, 材料工程学科和结构工程学科之间的融合, 是混凝土材料学科与结构工程学科之问的“接口”研究, 值得重视。
三、关于桥梁桩基耐久性设计方法的研究
通过以上几个层次的研究, 可以基本解决耐久荷载效应与材料的耐久性设计参数的确定、以及在耐久荷载效应作用下, 桩基的抗力变化计算等问题。由于桥梁桩基有时是单排桩有时是多排桩, 有时还有斜桩, 不同的桩组合有不同的受力特征, 而不同受力特征的构件具有不同的耐久性特征和抗力变化规律, 再者桥梁桩基的耐久性失效是一个随机过程。这就需要在前面的工作基础上, 对桥梁桩基整体结构耐久性进行研究。重点研究它与桩基耐久抗力的关系, 研究解决桥梁桩基随时间变化的耐久可靠度、桥梁桩基的耐久性设计方法等。通过这些研究, 实现桥梁桩基设计方法由传统的单一强度控制的设计方法, 向由强度、耐久性双指标控制的设计方法发展。
四、关于对已有桥梁桩基耐久性的状态评估问题
现代材料测试手段目前已取得长足进步, 材料内部结构的CT 透视、红外辐射成像技术等测试手段已开始得到应用, 通过实验手段观测在环境因素作用下, 桥梁桩基内部的缺陷已不困难。找出已有桥梁桩基内部缺陷、各种不同缺陷条件下环境因素对其的影响关系、相同缺陷条件下不同环境因素对其的影响关系以及随时间变化的关系, 可对已有桥梁桩基耐久性的状态有一个较客观的评估。由此可见, 对已有桥梁桩基耐久性的状态进行评估是完全可能和可行的。
五、关于桥梁桩基混凝土材料耐久性问题
继续积极开展对高性能混凝土的基础研究工作。在桥梁桩基中采用以耐久性作为主要目标的混凝土, 提高桩基混凝土的抗渗透性、抗冻性、耐干湿循环性、抗碳化能力以及抗各种环境因素作用的能力; 研究高性能混凝土在不同环境因素的作用下各种性能的关系; 研究在桥梁大荷载作用对桩基混凝土耐久性的影响。最终目标是提高桩基混凝土的整体耐久性。实际上, 研究以上问题还对节省材料资源和能源、解决材料与工程技术以及桩基建成后管理方面的很多问题有着十分重要的意义。
结束语
混凝土的耐久性研究是一项重要课题，涉及到了混凝土的配合比（混凝土材料选择、掺合料、外加剂）、混凝土的施工控制、外界环境等等诸多方面。总的目标是要通过选用高效减水剂、掺入活性掺合料、优化配合比参数等手段来降低水胶比、降低孔隙率、提高密实度，最终浇注出高强、耐久的混凝土构件。
参考文献
[1] 宋新生.基于抗硫酸盐侵蚀设计的桩基砼耐久性应用研究[J]. 公路与汽运. 2011(01)
[2] 吕大为,朱晓菲.基于耐久性设计的桩基混凝土应用研究[J]. 混凝土与水泥制品. 2011(05)
[3] 焦兴华,程晔,龚维明,潘建伍.旧桥桩基利用的材性耐久性试验研究[J]. 公路. 2011(04)
[4] 黄斌.沿海地区桥梁桩基混凝土耐久性研究[J]. 福建建材. 2009(02)