浅谈冻土区桩基回冻过程对单桩承载力和桥梁施工的影响

2019-03-20□文枭

产业与科技论坛 2019年7期

□文枭

我国的冻土区域总面积达到了210万平方公里，约占国土面积的23%。冻土区指的是含有冰的土(岩)，土地冻结状态持续二年或以上就形成多年冻土区域。而我国的北方地区冬季寒冷，冻土区域也主要集中于此。过去，这些区域由于气候恶劣，常驻人口较少。随着我国人口的不断增加和生产生活区域的扩大，冻土区的工程建设开始大规模开展，尤其是交通网络向冻土区域的铺设，使得越来越多的桥梁工程项目面临着冻土区单桩基础施工的新考验。同时，由于地球环境近年来逐渐变暖，对于冻土区造成的回冻过程使得该地区的地质情况越来越复杂，冻土区桩基回冻过程对单桩承载力和桥梁施工的影响已成为该区域桥梁施工的重要难点。

一、桩基础概述

自远古时代人类的祖先掌握房屋等建筑的建造方法开始，桩基础就成为人类建筑史中最重要的部分。最高的桩基主要来自于天然树林中已长成材的高大、粗壮的木材，它们承载着整个建筑物的重量，保持了建筑物的稳定性，使其沉降量降低而且均匀。由于桩基的以上优点，在各种建筑工程中已普遍使用。时至近现代，在科学技术的推动下，桩基础的材料、种类、形式都发生了巨大的变化，由此也使得相关的施工工艺和设备全面更新，设计计算理论和方法更为科学性，桩基础的试验和检测方法也随之发生了改变。桩基础在桥梁建设工程中的使用非常普遍，由于近现代交通网络的快速发展，桩基础已成为桥梁工程建设中最重要的部分之一。

(一)桥梁桩基础分类。桥梁桩基础的分类主要是由其承载性状决定的，桩顶荷载主要由桩侧阻力承受且需考虑桩端阻力的摩擦桩，桩顶荷载主要由桩端阻力承受且需考虑桩侧阻力的端承桩。端承桩又可细分为嵌岩桩和非嵌岩桩。

(二)单桩轴向荷载的传递机理。桥梁整体承载力的基础取决于桥梁桩基础的单桩承载力，在对施加于桩顶的竖向荷载如可通过相互作用进行荷载传递到达地基、并对荷载力进行计算，可以了解单桩承载力能够达到怎样的极限状态。对于单桩轴向荷载传递机理的了解主要从以下三个方面入手。

1.了解桩的荷载传递。桩基单桩的桩身材料会在竖向荷载作用下发生弹性压缩变形，由此造成桩与桩侧土之间的相对位移，并形成桩侧土对桩身产生向上的桩侧摩阻力。当桩侧的摩阻力不足时，由桥梁重量造成的竖向荷载无法被桥梁桩基础的单桩消耗，就会导到部分竖向荷载传递到桩底，这部分荷载会直接导致桩底持力层的压缩变形，使桩底土会对桩端产生阻力。由此就形成了桩侧摩阻力和桩端阻力，桩将荷载传递给土体。

2.桩侧负摩阻力。由于复杂的地质原因，可能会出现桩侧土体的下沉。在桩侧土体下沉时，还会造成桩侧土相对于桩产生向下的位移，出现这一现象的原因是桩侧土体变形量大于相应深度处桩的下沉量，由此产生了土体对桩向下的摩擦力，即负摩阻力。这种力对于桥梁桩基础的单桩本身会造成极其不利的影响，可以对其产生一股强大的向下拉荷载，由此会直接导致桥梁桩基础的单桩承载力下降，当这种力导致桥梁桩基础的单桩沉降过量时，就会造成对整个桥梁结构的破坏。

3.桩的阻力影响因素。桥梁桩基础的单桩的桩侧阻力和桩端阻力能发挥到什么程度，取决于在竖向荷载的作用下多种因素的共同作用，同时两种阻力还会形成相到的影响。当然，这两种阻力并不会同时发生，也不会同时到达极限。就相关研究发现，桩端阻力的发挥往往滞后于桩侧阻力，同时其充分发挥所需的桩侧位移值比桩侧摩阻力达到极限所需的桩身截面位移大的多。桩端阻力的发挥程度取决于桩端土的性质、桩的类型和施工方法等因素的共同作用。

二、冻土区桥梁单桩基础地基回冻过程研究的意义

据近一个世纪的气象观测发现，全球的气温正在不断攀升，气象学家预测，这一趋势还将继续保持，预计未来50年，全球气温还将再上升2℃，由此将对地球环境造成非常大的影响。我国北方广大的冻土区因气温上升出现冻土回冻过程，冻土上限出现下降，这对于该地区桥梁单桩承载力造成了严重危害。同时，由于桥梁桩基周围土壤在暖季融沉的问题，还会使桩体负摩阻力增长，导致桩顶变形增大。而由暖季进入寒季的过程中层桩侧切向冻胀力的增大，又回造成桩基冻拔变形，破坏桥梁上部结构的稳定性。因此，从施工技术及工艺角度减小因冻土区回冻过程造成的对工程建筑结构的危害是保证工程质量和使用寿命的关键。

三、冻土地基的工程特性分析

(一)冻胀性。冻土区地质情况的变化受气温变化影响较大，温度高低变化会使土体中的水分产生相变，导致土壤体积相应的膨胀或收缩。土壤在气温下降时其中的水分会冰结成冰并对土壤体积产生影响发生膨胀，这种现象被称为冻胀；土壤在气温上升时会发生收缩，这种现象被称为融化。冻胀与融化对于桥梁桩基都会产生影响，但相对而言冻胀的破坏性更大。冻土地基发生冻胀的程度与土体的含水量、土壤颗粒的粒径、土体的密度、桩基的埋深等因素有着密切联系。

(二)冻胀力。冻土区土壤在冻结过程中，处于在封闭土体中的水分结冰扩张从而产生内应力，而处于开放环境中的水分沿土壤孔隙侵入土体，冻结形成冻胀力。在桥梁桩基建设中，冻胀力对桩基表面形成作用力时，会导致桥梁结构的重量与附加荷载之间的平衡被破坏，使得桥梁桩基产生冻胀变形，就会对桥梁结构的整体稳定性形成影响。冻胀力可分为三个类型：切向冻胀力、水平冻胀力、法向冻胀力。切向冻胀力的特点是对基础侧表现出平均作用的力量，这种冻胀力较为普遍，是桥梁基桩所承受的作用力中主要的力系之一，在冻土区桥梁工程的施工中必然会遇到，因此从工程设计阶段就需要充分考虑切向冻胀力对桥梁桩基造成上拔变形等病害的问题。水平冻胀力的特点是对桥梁桩基表面产生的水平作用力。法向冻胀力的特点则是对桥梁桩基底面垂直作用的力。

(三)融沉性。冻土融化会使其密度发生改变，形成一系列的孔隙水消融现象，这种现象被称为冻土融沉性。在这个过程中，冰化为水时体积会减少，并形成孔隙水的消散和排泄，使土体的孔隙比减少。同时，除了土体水分体积的变化，孔隙水的消散与排泄、孔隙比减小，冻土的融沉性与冻土的粒度成分以及其含冰量的密度等因素也会作用于桥梁桩基，使其结构稳定性发生改变。因此在桥梁桩基施工时必需采取一系列手段控制土体孔隙水及含冰量密度。

四、桩基回冻过程对单桩承载力和桥梁施工的影响分析

随着近年来基础建设工程的不断增多，冻土区桩基回冻过程对桥梁施工的影响日益困扰到了相关技术人员及施工人员。针对此类问题的分析也越来越深入，基于计算机及网络技术的计算模型及基本假设分析方法在相关工作中的应用，成功推动了冻土区桩基回冻过程对单桩承载力和桥梁施工影响分析的进程，为桥梁工程项目在冻土区的顺利开展奠定了良好的基础。

(一)模型设置重点。在针对冻土区桩基回冻过程对单桩承载力和桥梁施工的影响分析中，以西北部高原环境某地段的桥梁桩基钻孔灌注桩施工为研究对象，结合工程所在区域的自然环境为依据，建立相应的冻土模型，对于冻土模块的控制和优化，混凝土入模模块具有一定的优势。在模型中，需要加入冻土的水化热情况，并对冻土下线进行试验性计算模块，以保证对混凝土入模初期水化程度的控制，从而优化其放热程度，最终获得适应于目前阶段桥梁的桩基施工需求，保证施工质量，确保桥梁的单桩承载力足以达到设计要求。在低温条件下，早强混凝土水泥的水化放热速度与传热速度相比要快得多，处理这种情况可以在浇注初期对混凝土进行绝热温升处理，并将混凝土的初始温度作为混凝土的绝热温升的温度体现在模型计算中。混凝土的特性决定了其在入模后的7～12d进入主要放热过程，这个时间段内混凝土会释放出绝大部分水化热的能量，表现为混凝土温度的快速升高。将这一现象作为混凝土的绝热温升的初始条件，可以通过计算得到比较准确的混凝土达到龄期(28d)后的强度。

在计算模块中，钻机的选择也非常重要。针对工程施工要求，在施工过程中引入模块计算，可以不断优化桩基施工模块的钻机及其钻孔模块的工作，这就对施工准备工作提出更高的要求。另外，在测量放样模块部分，还需要对桩体桩位、桩体的纵横比等数据进行严格控制，使桩体前后左右的设置符合设计需求。此外，在施工过程中，还需要随时检测桩中心和标高变化情况。以填代挖的施工方法更有利于钻孔场地的布置，这样可以减少因对原地表开挖引起的热扰动。将聚苯乙烯泡沫塑料隔热板铺设于钻机底座下发动机散热部分，可有效减少钻机对地基土的热侵入。

(二)工作模块建立。在北方冻土区开展桥梁桩基施工，护筒模块的应用是工作模块中必不可少的。为了保证桩基施工时日常钻孔作业顺利展开，对于冻土及其桩基的控制是工程必不可少的工作，应采取有效措施进行处理。另外，对冻土上限的深度控制是优化护筒埋入操作的重点。需要进行优化的还有表面亲水程度，这些优化手段对于保证护筒控制的需要具有非常重要的意义。在处理护筒优化工作的同时，对于钻机控制模块的优化工作也需要引起重视。一是在钻机就位方面，其自带的自动系统可以完成，在钻孔前需要对钻机架杆的位置进行调整，保证钻机的垂直，控制钻杆使其不晃动，以免因钻杆晃动引起扩大孔径及增加孔底虚土；二是在护筒埋设完成后采用旋挖钻机干法工艺进行钻孔，通过钻杆顶的液压马达对旋挖钻头施加向下的压力，使钻头进入土体，以旋转切入的方式将土体挤入料头并带出土体，将其装入自卸汽车。施工过程中，需特别注意施工现场的地质情况，有针对性地选择不同的钻头进行施工，可有效提高施工进度。

(三)湿法作业模块的利用。目前，冻土区桥梁桩基施工采用湿法作业是比较常见的现象。之所以这样是因为湿法作业对于保证孔壁的稳定性更有利，而干法作业是不能进行孔壁的稳定性的控制的。因此，在工作模块中，湿法作业模块的重要性体现出来，在干法作业的基础上优化湿法作业模块，尤其是对相关作业流程中的泥浆搅拌模块及其相关模块进行优化调整，在制浆机制浆模块中可通过选择优质粘土进行优化，经过优化后的工作模块可以帮助钻机在钻孔桩泥浆排入方面提升更好的效果。在这一工作流程中，排出的泥浆不能随意处理，需在现场安排一个泥浆池、一个沉淀池，并相互串联并用。钻孔过程产生的沉淀废碴由人工装上运输车辆运至指定地点后再进行倾倒。

对于钻孔控制模块的设置，在冻土地区桥梁桩基回冻过程单桩承载力和桥梁施工的推进非常重要，需保证钻进的速度。泥浆循环模块的优化需要对施工土层变化情况进行分析，以保证其相关沉降模块的优化，针对不同土层，应采取不同的钻速、钻压，泥浆比重的控制也非常重要，应用换浆法对于进模块及其清孔模块的优化具有重要意义。

钢筋笼制作与安装：在低温条件下对钢筋笼进行制作与安装，需要结合冻土区特殊的环境特点，相关工作分加工、焊接、安装三个步骤，其中钢筋接长采用预热闪光对焊或闪光→预热→闪光焊工艺的施工流程要求。

五、冻土区桩基础施工技术

(一)施工准备。第一，针对冻土区的情况，对冻土知识进行细致的了解，并制定相应的规范、细则，保证施工人员对现场施工条件充分了解；第二，对桥梁工程设计文件进行深入分析，明确各项参数信息，同时实地调查核实桥梁位置的地质情况，如在施工过程中发现问题还可进行补充勘探；第三，做好施工需要的机械设备的选型和配套工作，选择施工机械时必需考虑到施工现场的自然环境，选择高效且适应冻土环境的机械；第四，结合施工进度计划，将施工材料的采购和储备与施工进度处于同步状态；第五，通过对桥梁桩基施工区域的土层、基层数据的研究，采用混凝土包裹防护，如果由于施工时间出现跨冻融季节的情况，在埋入冻土层时就需要将埋深扩大到高于2倍的天然上限，同时在桩周回填粗粒土，防止因冻融引起桩位变动。

(二)施工工艺和方法。

1.钻机选择。经过长期的实践经验积累，发现旋挖钻机成孔是最适应于冻土区桥梁桩基施工的钻孔技术，因此可选择旋挖钻机进行相关施工。

2.施工准备。首先测量放样，确定各基础桩的桩位。桩的纵横偏差需控制在≤±5cm范围内，并在施工点周围设置护桩。采用以填代挖的方法进行钻孔场地布置，在钻机底座下发动机散热部分可以用聚苯乙烯泡沫塑料隔热板进行铺设，这样做可以有效减少地表施工对地基土的热扰动和热侵入。

3.埋设护筒。除了对护筒的孔口进行钻孔作业的正常保护外，还要对冻土桩基础抗拔力载体造成的影响采取有效防治措施。在护筒被埋入冻土之前，可在其表面涂上渣油，目的是减少护筒外表面的亲水程度，在成桩后并不拆除护筒，这样做可以使冻土对桩基础上拔力有效减少。护筒的制作材料厚度为5～6mm的钢板，卷制时需保证护筒内径比桩径大15～20cm，在多年冻土地区护筒埋至冻土上限以下≥0.5m；在护筒外涂上渣油后，对其埋设方法也要进行相应的调整。在施工过程中，如可确定施工环境没有地表水积存问题，土体的稳定性也较好，就可以用一个比护筒略大一级的螺旋钻头施钻至冻土上限以下>0.5m深度，孔钻好后放入护筒，用渣油拌制的粗粒土回填，密实护筒外侧与孔壁所形成的空隙。

4.钻机就位。利用钻机的自动系统使钻机就位，调整好架杆的位置和垂直度。

5.旋挖钻机干法钻孔。正式钻进时，根据施工现场的自然环境和地质情况，选择相应的钻头采用旋挖钻进的方式进行钻孔。

6.湿法作业。如施工区域的地质条件结合了粘性土、砂类土、碎石类处于地下水位以下等情况时，干法作业是无法保证孔壁稳定性的，湿法作业是最佳的操作方法，此时需对作业流程做以下调整。

(1)泥浆拌制及废碴处理。施工现场所用泥浆需各设置一个能够串联并用的泥浆池和沉淀池，采用制浆机制浆，存入钢制泥浆池中。钻孔桩附近不得挖坑作泥浆池，所需泥浆不得随意就地排放。钻孔过程产生的沉淀废碴需运出施工场地。

(2)钻孔。先以低档慢速进行钻进，到达至护筒下1m后，再以正常速度钻进。土层的变化是决定钻速、钻压的重要指标，应对土层情况进行及时了解，以及时调整相关数据。

(3)清孔。到钻进深度达到标高后，停止钻进采用换浆法进行清孔，此时需将钻具提升30cm保持钻头不停转动，以转动的离心力将孔内的泥浆带出，即可达到清孔目的。

(4)检孔。检孔工作在成孔过程中和灌注混凝土之前需不断进行，检查的主要数据包括孔深、孔径及孔底质量情况。成孔之后用笼式探孔器检查孔径及孔形。

7.钢筋笼制作与安装。以钢筋接长采用预热闪光对焊或闪光——预热——闪光焊工艺完成钢筋笼的加工、焊接、安装。