淺談凍土區(qū)樁基回凍過程對單樁承載力和橋梁施工的影響

□文 梟

我國的凍土區(qū)域總面積達(dá)到了210萬平方公里，約占國土面積的23%。凍土區(qū)指的是含有冰的土(巖)，土地凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)二年或以上就形成多年凍土區(qū)域。而我國的北方地區(qū)冬季寒冷，凍土區(qū)域也主要集中于此。過去，這些區(qū)域由于氣候惡劣，常駐人口較少。隨著我國人口的不斷增加和生產(chǎn)生活區(qū)域的擴(kuò)大，凍土區(qū)的工程建設(shè)開始大規(guī)模開展，尤其是交通網(wǎng)絡(luò)向凍土區(qū)域的鋪設(shè)，使得越來越多的橋梁工程項目面臨著凍土區(qū)單樁基礎(chǔ)施工的新考驗。同時，由于地球環(huán)境近年來逐漸變暖，對于凍土區(qū)造成的回凍過程使得該地區(qū)的地質(zhì)情況越來越復(fù)雜，凍土區(qū)樁基回凍過程對單樁承載力和橋梁施工的影響已成為該區(qū)域橋梁施工的重要難點。

一、樁基礎(chǔ)概述

自遠(yuǎn)古時代人類的祖先掌握房屋等建筑的建造方法開始，樁基礎(chǔ)就成為人類建筑史中最重要的部分。最高的樁基主要來自于天然樹林中已長成材的高大、粗壯的木材，它們承載著整個建筑物的重量，保持了建筑物的穩(wěn)定性，使其沉降量降低而且均勻。由于樁基的以上優(yōu)點，在各種建筑工程中已普遍使用。時至近現(xiàn)代，在科學(xué)技術(shù)的推動下，樁基礎(chǔ)的材料、種類、形式都發(fā)生了巨大的變化，由此也使得相關(guān)的施工工藝和設(shè)備全面更新，設(shè)計計算理論和方法更為科學(xué)性，樁基礎(chǔ)的試驗和檢測方法也隨之發(fā)生了改變。樁基礎(chǔ)在橋梁建設(shè)工程中的使用非常普遍，由于近現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，樁基礎(chǔ)已成為橋梁工程建設(shè)中最重要的部分之一。

(一)橋梁樁基礎(chǔ)分類。橋梁樁基礎(chǔ)的分類主要是由其承載性狀決定的，樁頂荷載主要由樁側(cè)阻力承受且需考慮樁端阻力的摩擦樁，樁頂荷載主要由樁端阻力承受且需考慮樁側(cè)阻力的端承樁。端承樁又可細(xì)分為嵌巖樁和非嵌巖樁。

(二)單樁軸向荷載的傳遞機理。橋梁整體承載力的基礎(chǔ)取決于橋梁樁基礎(chǔ)的單樁承載力，在對施加于樁頂?shù)呢Q向荷載如可通過相互作用進(jìn)行荷載傳遞到達(dá)地基、并對荷載力進(jìn)行計算，可以了解單樁承載力能夠達(dá)到怎樣的極限狀態(tài)。對于單樁軸向荷載傳遞機理的了解主要從以下三個方面入手。

1.了解樁的荷載傳遞。樁基單樁的樁身材料會在豎向荷載作用下發(fā)生彈性壓縮變形，由此造成樁與樁側(cè)土之間的相對位移，并形成樁側(cè)土對樁身產(chǎn)生向上的樁側(cè)摩阻力。當(dāng)樁側(cè)的摩阻力不足時，由橋梁重量造成的豎向荷載無法被橋梁樁基礎(chǔ)的單樁消耗，就會導(dǎo)到部分豎向荷載傳遞到樁底，這部分荷載會直接導(dǎo)致樁底持力層的壓縮變形，使樁底土?xí)抖水a(chǎn)生阻力。由此就形成了樁側(cè)摩阻力和樁端阻力，樁將荷載傳遞給土體。

2.樁側(cè)負(fù)摩阻力。由于復(fù)雜的地質(zhì)原因，可能會出現(xiàn)樁側(cè)土體的下沉。在樁側(cè)土體下沉?xí)r，還會造成樁側(cè)土相對于樁產(chǎn)生向下的位移，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是樁側(cè)土體變形量大于相應(yīng)深度處樁的下沉量，由此產(chǎn)生了土體對樁向下的摩擦力，即負(fù)摩阻力。這種力對于橋梁樁基礎(chǔ)的單樁本身會造成極其不利的影響，可以對其產(chǎn)生一股強大的向下拉荷載，由此會直接導(dǎo)致橋梁樁基礎(chǔ)的單樁承載力下降，當(dāng)這種力導(dǎo)致橋梁樁基礎(chǔ)的單樁沉降過量時，就會造成對整個橋梁結(jié)構(gòu)的破壞。

3.樁的阻力影響因素。橋梁樁基礎(chǔ)的單樁的樁側(cè)阻力和樁端阻力能發(fā)揮到什么程度，取決于在豎向荷載的作用下多種因素的共同作用，同時兩種阻力還會形成相到的影響。當(dāng)然，這兩種阻力并不會同時發(fā)生，也不會同時到達(dá)極限。就相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，樁端阻力的發(fā)揮往往滯后于樁側(cè)阻力，同時其充分發(fā)揮所需的樁側(cè)位移值比樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限所需的樁身截面位移大的多。樁端阻力的發(fā)揮程度取決于樁端土的性質(zhì)、樁的類型和施工方法等因素的共同作用。

二、凍土區(qū)橋梁單樁基礎(chǔ)地基回凍過程研究的意義

據(jù)近一個世紀(jì)的氣象觀測發(fā)現(xiàn)，全球的氣溫正在不斷攀升，氣象學(xué)家預(yù)測，這一趨勢還將繼續(xù)保持，預(yù)計未來50年，全球氣溫還將再上升2℃，由此將對地球環(huán)境造成非常大的影響。我國北方廣大的凍土區(qū)因氣溫上升出現(xiàn)凍土回凍過程，凍土上限出現(xiàn)下降，這對于該地區(qū)橋梁單樁承載力造成了嚴(yán)重危害。同時，由于橋梁樁基周圍土壤在暖季融沉的問題，還會使樁體負(fù)摩阻力增長，導(dǎo)致樁頂變形增大。而由暖季進(jìn)入寒季的過程中層樁側(cè)切向凍脹力的增大，又回造成樁基凍拔變形，破壞橋梁上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，從施工技術(shù)及工藝角度減小因凍土區(qū)回凍過程造成的對工程建筑結(jié)構(gòu)的危害是保證工程質(zhì)量和使用壽命的關(guān)鍵。

三、凍土地基的工程特性分析

(一)凍脹性。凍土區(qū)地質(zhì)情況的變化受氣溫變化影響較大，溫度高低變化會使土體中的水分產(chǎn)生相變，導(dǎo)致土壤體積相應(yīng)的膨脹或收縮。土壤在氣溫下降時其中的水分會冰結(jié)成冰并對土壤體積產(chǎn)生影響發(fā)生膨脹，這種現(xiàn)象被稱為凍脹；土壤在氣溫上升時會發(fā)生收縮，這種現(xiàn)象被稱為融化。凍脹與融化對于橋梁樁基都會產(chǎn)生影響，但相對而言凍脹的破壞性更大。凍土地基發(fā)生凍脹的程度與土體的含水量、土壤顆粒的粒徑、土體的密度、樁基的埋深等因素有著密切聯(lián)系。

(二)凍脹力。凍土區(qū)土壤在凍結(jié)過程中，處于在封閉土體中的水分結(jié)冰擴(kuò)張從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而處于開放環(huán)境中的水分沿土壤孔隙侵入土體，凍結(jié)形成凍脹力。在橋梁樁基建設(shè)中，凍脹力對樁基表面形成作用力時，會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的重量與附加荷載之間的平衡被破壞，使得橋梁樁基產(chǎn)生凍脹變形，就會對橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性形成影響。凍脹力可分為三個類型：切向凍脹力、水平凍脹力、法向凍脹力。切向凍脹力的特點是對基礎(chǔ)側(cè)表現(xiàn)出平均作用的力量，這種凍脹力較為普遍，是橋梁基樁所承受的作用力中主要的力系之一，在凍土區(qū)橋梁工程的施工中必然會遇到，因此從工程設(shè)計階段就需要充分考慮切向凍脹力對橋梁樁基造成上拔變形等病害的問題。水平凍脹力的特點是對橋梁樁基表面產(chǎn)生的水平作用力。法向凍脹力的特點則是對橋梁樁基底面垂直作用的力。

(三)融沉性。凍土融化會使其密度發(fā)生改變，形成一系列的孔隙水消融現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為凍土融沉性。在這個過程中，冰化為水時體積會減少，并形成孔隙水的消散和排泄，使土體的孔隙比減少。同時，除了土體水分體積的變化，孔隙水的消散與排泄、孔隙比減小，凍土的融沉性與凍土的粒度成分以及其含冰量的密度等因素也會作用于橋梁樁基，使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性發(fā)生改變。因此在橋梁樁基施工時必需采取一系列手段控制土體孔隙水及含冰量密度。

四、樁基回凍過程對單樁承載力和橋梁施工的影響分析

隨著近年來基礎(chǔ)建設(shè)工程的不斷增多，凍土區(qū)樁基回凍過程對橋梁施工的影響日益困擾到了相關(guān)技術(shù)人員及施工人員。針對此類問題的分析也越來越深入，基于計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的計算模型及基本假設(shè)分析方法在相關(guān)工作中的應(yīng)用，成功推動了凍土區(qū)樁基回凍過程對單樁承載力和橋梁施工影響分析的進(jìn)程，為橋梁工程項目在凍土區(qū)的順利開展奠定了良好的基礎(chǔ)。

(一)模型設(shè)置重點。在針對凍土區(qū)樁基回凍過程對單樁承載力和橋梁施工的影響分析中，以西北部高原環(huán)境某地段的橋梁樁基鉆孔灌注樁施工為研究對象，結(jié)合工程所在區(qū)域的自然環(huán)境為依據(jù)，建立相應(yīng)的凍土模型，對于凍土模塊的控制和優(yōu)化，混凝土入模模塊具有一定的優(yōu)勢。在模型中，需要加入凍土的水化熱情況，并對凍土下線進(jìn)行試驗性計算模塊，以保證對混凝土入模初期水化程度的控制，從而優(yōu)化其放熱程度，最終獲得適應(yīng)于目前階段橋梁的樁基施工需求，保證施工質(zhì)量，確保橋梁的單樁承載力足以達(dá)到設(shè)計要求。在低溫條件下，早強混凝土水泥的水化放熱速度與傳熱速度相比要快得多，處理這種情況可以在澆注初期對混凝土進(jìn)行絕熱溫升處理，并將混凝土的初始溫度作為混凝土的絕熱溫升的溫度體現(xiàn)在模型計算中?；炷恋奶匦詻Q定了其在入模后的7～12d進(jìn)入主要放熱過程，這個時間段內(nèi)混凝土?xí)尫懦鼋^大部分水化熱的能量，表現(xiàn)為混凝土溫度的快速升高。將這一現(xiàn)象作為混凝土的絕熱溫升的初始條件，可以通過計算得到比較準(zhǔn)確的混凝土達(dá)到齡期(28d)后的強度。

在計算模塊中，鉆機的選擇也非常重要。針對工程施工要求，在施工過程中引入模塊計算，可以不斷優(yōu)化樁基施工模塊的鉆機及其鉆孔模塊的工作，這就對施工準(zhǔn)備工作提出更高的要求。另外，在測量放樣模塊部分，還需要對樁體樁位、樁體的縱橫比等數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，使樁體前后左右的設(shè)置符合設(shè)計需求。此外，在施工過程中，還需要隨時檢測樁中心和標(biāo)高變化情況。以填代挖的施工方法更有利于鉆孔場地的布置，這樣可以減少因?qū)υ乇黹_挖引起的熱擾動。將聚苯乙烯泡沫塑料隔熱板鋪設(shè)于鉆機底座下發(fā)動機散熱部分，可有效減少鉆機對地基土的熱侵入。

(二)工作模塊建立。在北方凍土區(qū)開展橋梁樁基施工，護(hù)筒模塊的應(yīng)用是工作模塊中必不可少的。為了保證樁基施工時日常鉆孔作業(yè)順利展開，對于凍土及其樁基的控制是工程必不可少的工作，應(yīng)采取有效措施進(jìn)行處理。另外，對凍土上限的深度控制是優(yōu)化護(hù)筒埋入操作的重點。需要進(jìn)行優(yōu)化的還有表面親水程度，這些優(yōu)化手段對于保證護(hù)筒控制的需要具有非常重要的意義。在處理護(hù)筒優(yōu)化工作的同時，對于鉆機控制模塊的優(yōu)化工作也需要引起重視。一是在鉆機就位方面，其自帶的自動系統(tǒng)可以完成，在鉆孔前需要對鉆機架桿的位置進(jìn)行調(diào)整，保證鉆機的垂直，控制鉆桿使其不晃動，以免因鉆桿晃動引起擴(kuò)大孔徑及增加孔底虛土；二是在護(hù)筒埋設(shè)完成后采用旋挖鉆機干法工藝進(jìn)行鉆孔，通過鉆桿頂?shù)囊簤厚R達(dá)對旋挖鉆頭施加向下的壓力，使鉆頭進(jìn)入土體，以旋轉(zhuǎn)切入的方式將土體擠入料頭并帶出土體，將其裝入自卸汽車。施工過程中，需特別注意施工現(xiàn)場的地質(zhì)情況，有針對性地選擇不同的鉆頭進(jìn)行施工，可有效提高施工進(jìn)度。

(三)濕法作業(yè)模塊的利用。目前，凍土區(qū)橋梁樁基施工采用濕法作業(yè)是比較常見的現(xiàn)象。之所以這樣是因為濕法作業(yè)對于保證孔壁的穩(wěn)定性更有利，而干法作業(yè)是不能進(jìn)行孔壁的穩(wěn)定性的控制的。因此，在工作模塊中，濕法作業(yè)模塊的重要性體現(xiàn)出來，在干法作業(yè)的基礎(chǔ)上優(yōu)化濕法作業(yè)模塊，尤其是對相關(guān)作業(yè)流程中的泥漿攪拌模塊及其相關(guān)模塊進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在制漿機制漿模塊中可通過選擇優(yōu)質(zhì)粘土進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后的工作模塊可以幫助鉆機在鉆孔樁泥漿排入方面提升更好的效果。在這一工作流程中，排出的泥漿不能隨意處理，需在現(xiàn)場安排一個泥漿池、一個沉淀池，并相互串聯(lián)并用。鉆孔過程產(chǎn)生的沉淀廢碴由人工裝上運輸車輛運至指定地點后再進(jìn)行傾倒。

對于鉆孔控制模塊的設(shè)置，在凍土地區(qū)橋梁樁基回凍過程單樁承載力和橋梁施工的推進(jìn)非常重要，需保證鉆進(jìn)的速度。泥漿循環(huán)模塊的優(yōu)化需要對施工土層變化情況進(jìn)行分析，以保證其相關(guān)沉降模塊的優(yōu)化，針對不同土層，應(yīng)采取不同的鉆速、鉆壓，泥漿比重的控制也非常重要，應(yīng)用換漿法對于進(jìn)模塊及其清孔模塊的優(yōu)化具有重要意義。

鋼筋籠制作與安裝：在低溫條件下對鋼筋籠進(jìn)行制作與安裝，需要結(jié)合凍土區(qū)特殊的環(huán)境特點，相關(guān)工作分加工、焊接、安裝三個步驟，其中鋼筋接長采用預(yù)熱閃光對焊或閃光→預(yù)熱→閃光焊工藝的施工流程要求。

五、凍土區(qū)樁基礎(chǔ)施工技術(shù)

(一)施工準(zhǔn)備。第一，針對凍土區(qū)的情況，對凍土知識進(jìn)行細(xì)致的了解，并制定相應(yīng)的規(guī)范、細(xì)則，保證施工人員對現(xiàn)場施工條件充分了解；第二，對橋梁工程設(shè)計文件進(jìn)行深入分析，明確各項參數(shù)信息，同時實地調(diào)查核實橋梁位置的地質(zhì)情況，如在施工過程中發(fā)現(xiàn)問題還可進(jìn)行補充勘探；第三，做好施工需要的機械設(shè)備的選型和配套工作，選擇施工機械時必需考慮到施工現(xiàn)場的自然環(huán)境，選擇高效且適應(yīng)凍土環(huán)境的機械；第四，結(jié)合施工進(jìn)度計劃，將施工材料的采購和儲備與施工進(jìn)度處于同步狀態(tài)；第五，通過對橋梁樁基施工區(qū)域的土層、基層數(shù)據(jù)的研究，采用混凝土包裹防護(hù)，如果由于施工時間出現(xiàn)跨凍融季節(jié)的情況，在埋入凍土層時就需要將埋深擴(kuò)大到高于2倍的天然上限，同時在樁周回填粗粒土，防止因凍融引起樁位變動。

(二)施工工藝和方法。

1.鉆機選擇。經(jīng)過長期的實踐經(jīng)驗積累，發(fā)現(xiàn)旋挖鉆機成孔是最適應(yīng)于凍土區(qū)橋梁樁基施工的鉆孔技術(shù)，因此可選擇旋挖鉆機進(jìn)行相關(guān)施工。

2.施工準(zhǔn)備。首先測量放樣，確定各基礎(chǔ)樁的樁位。樁的縱橫偏差需控制在≤±5cm范圍內(nèi)，并在施工點周圍設(shè)置護(hù)樁。采用以填代挖的方法進(jìn)行鉆孔場地布置，在鉆機底座下發(fā)動機散熱部分可以用聚苯乙烯泡沫塑料隔熱板進(jìn)行鋪設(shè)，這樣做可以有效減少地表施工對地基土的熱擾動和熱侵入。

3.埋設(shè)護(hù)筒。除了對護(hù)筒的孔口進(jìn)行鉆孔作業(yè)的正常保護(hù)外，還要對凍土樁基礎(chǔ)抗拔力載體造成的影響采取有效防治措施。在護(hù)筒被埋入凍土之前，可在其表面涂上渣油，目的是減少護(hù)筒外表面的親水程度，在成樁后并不拆除護(hù)筒，這樣做可以使凍土對樁基礎(chǔ)上拔力有效減少。護(hù)筒的制作材料厚度為5～6mm的鋼板，卷制時需保證護(hù)筒內(nèi)徑比樁徑大15～20cm，在多年凍土地區(qū)護(hù)筒埋至凍土上限以下≥0.5m；在護(hù)筒外涂上渣油后，對其埋設(shè)方法也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在施工過程中，如可確定施工環(huán)境沒有地表水積存問題，土體的穩(wěn)定性也較好，就可以用一個比護(hù)筒略大一級的螺旋鉆頭施鉆至凍土上限以下>0.5m深度，孔鉆好后放入護(hù)筒，用渣油拌制的粗粒土回填，密實護(hù)筒外側(cè)與孔壁所形成的空隙。

4.鉆機就位。利用鉆機的自動系統(tǒng)使鉆機就位，調(diào)整好架桿的位置和垂直度。

5.旋挖鉆機干法鉆孔。正式鉆進(jìn)時，根據(jù)施工現(xiàn)場的自然環(huán)境和地質(zhì)情況，選擇相應(yīng)的鉆頭采用旋挖鉆進(jìn)的方式進(jìn)行鉆孔。

6.濕法作業(yè)。如施工區(qū)域的地質(zhì)條件結(jié)合了粘性土、砂類土、碎石類處于地下水位以下等情況時，干法作業(yè)是無法保證孔壁穩(wěn)定性的，濕法作業(yè)是最佳的操作方法，此時需對作業(yè)流程做以下調(diào)整。

(1)泥漿拌制及廢碴處理。施工現(xiàn)場所用泥漿需各設(shè)置一個能夠串聯(lián)并用的泥漿池和沉淀池，采用制漿機制漿，存入鋼制泥漿池中。鉆孔樁附近不得挖坑作泥漿池，所需泥漿不得隨意就地排放。鉆孔過程產(chǎn)生的沉淀廢碴需運出施工場地。

(2)鉆孔。先以低檔慢速進(jìn)行鉆進(jìn)，到達(dá)至護(hù)筒下1m后，再以正常速度鉆進(jìn)。土層的變化是決定鉆速、鉆壓的重要指標(biāo)，應(yīng)對土層情況進(jìn)行及時了解，以及時調(diào)整相關(guān)數(shù)據(jù)。

(3)清孔。到鉆進(jìn)深度達(dá)到標(biāo)高后，停止鉆進(jìn)采用換漿法進(jìn)行清孔，此時需將鉆具提升30cm保持鉆頭不停轉(zhuǎn)動，以轉(zhuǎn)動的離心力將孔內(nèi)的泥漿帶出，即可達(dá)到清孔目的。

(4)檢孔。檢孔工作在成孔過程中和灌注混凝土之前需不斷進(jìn)行，檢查的主要數(shù)據(jù)包括孔深、孔徑及孔底質(zhì)量情況。成孔之后用籠式探孔器檢查孔徑及孔形。

7.鋼筋籠制作與安裝。以鋼筋接長采用預(yù)熱閃光對焊或閃光——預(yù)熱——閃光焊工藝完成鋼筋籠的加工、焊接、安裝。

六、結(jié)語

橋梁樁基對于橋梁工程來說是重要的基礎(chǔ)，其單樁承載力決定了橋梁的整體承載力。交通網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展使得越來越多的橋梁工程在自然環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)開展，凍土區(qū)就是其中最具挑戰(zhàn)性的區(qū)域。隨著相關(guān)研究的不斷深入，相信這些問題會得到有效解決，使我國的橋梁建設(shè)技術(shù)更上一層樓。