嚴寒地區(qū)路基施工階段凍害防控

萬學(xué)儉 趙樂剛

摘要：東北高緯度嚴寒地區(qū)高速鐵路施工中不可避免地要經(jīng)歷冬季，需冬施或者在建狀態(tài)越冬。路基工程在冬季停工時極易受凍。本文根據(jù)某項目工程實例，分析凍害產(chǎn)生的機理和原因、處理和預(yù)防的措施，為多年凍土和季節(jié)性凍土地區(qū)的路基冬期施工積累經(jīng)驗，可供同類工程施工中參考借鑒。

關(guān)鍵詞：嚴寒地區(qū);路基;凍害;教訓(xùn)

1工程概況

1.1自然及氣候氣象條件

新建東北地區(qū)某客運專線鐵路位于寒冷地帶，施工中涉及防凍脹、防雪害、冬季施工等技術(shù)難題。該地區(qū)冬季一般持續(xù)4個月左右，有效施工期較短。為滿足工期要求，部分工程需安排冬期施工，大部分工程需在建狀態(tài)下越冬，尤其是路基工程基底處理和土工結(jié)構(gòu)物冬停時極易受凍，來年繼續(xù)施工時易將未解凍土層埋于土層深處，造成反復(fù)凍融引起結(jié)構(gòu)物病害，甚至造成永久凍層。

工程所處地區(qū)地形起伏變化較大，工程地處嚴寒地區(qū)，地表普遍分布季節(jié)性凍土，一般每年10月下旬開始凍結(jié)，次年3月達到最大凍結(jié)深度，最大凍結(jié)深度1.91～2.05m，路基經(jīng)受周期性凍融循環(huán)作用，極易引起凍脹，因此對路基填料、施工質(zhì)量要求嚴格。

工點位于河谷及山間洼地、溝塘等地段，分布有淤泥質(zhì)土，灰黑色，軟塑～流塑。河谷區(qū)主要分布在水田地表層，一般厚度0.3～0.8m，路基基底需換填處理。沿線不良地質(zhì)主要為松軟土，松軟土主要為黃褐色、灰褐色粉質(zhì)黏土、黏土，軟塑，局部流塑。松軟土承載力、壓縮模量較低，路基基底加固處理時防排水措施不當(dāng)易形成地基內(nèi)富水造成凍害。

本地區(qū)屬中溫帶，濕潤～亞濕潤大陸性氣候，冬季寒冷漫長，夏季濕熱短暫，春季干燥多風(fēng)。多年平均極低氣溫-38℃，年平均氣溫4.4℃，累年最低月平均氣溫-18.4℃。地處嚴寒地區(qū)，秋季降雨不易蒸發(fā)，導(dǎo)致表層土天然含水率增高，冬季易遭受凍害，春季融雪積水，更易出現(xiàn)反復(fù)凍融現(xiàn)象。

1.2施工情況

某客運專線工程車站路基（里程DK138+966～DK139+030）段基底加固處理措施為CFG樁，樁徑0.5m，樁長6m，樁間距2m，共33排32列969根。設(shè)計地質(zhì)情況分別為粉質(zhì)黏土～粉砂;粉質(zhì)黏土～中砂;粉質(zhì)黏土～粗砂;凍結(jié)深度1.91m。

本段CFG樁施工日期為2015年9月26日至10月11日。施工前將地表土清除，并將場地平整至設(shè)計樁頂標(biāo)高以上50cm。采用長螺旋鉆機施工，地泵灌注混凝土，通過工藝試驗確定的拔管速度和工藝保證混凝土灌注連續(xù)，灌注量滿足設(shè)計數(shù)量。樁頭標(biāo)高均控制在設(shè)計樁頂以上50cm以內(nèi)，現(xiàn)場樁間土開挖時無大樁頭現(xiàn)象。樁體混凝土檢查試件28天強度為23.2～27.1Mpa。

施工方案、作業(yè)指導(dǎo)書、技術(shù)交底中均提到以下內(nèi)容：CFG樁施工前，需將地面平整至樁頂設(shè)計標(biāo)高50cm以上，對于原地面較高的區(qū)域需要開挖并清運，對于原地面低于設(shè)計樁頂標(biāo)高以上50cm的，需要將原有耕植土或不良土質(zhì)挖除，并重新填筑至設(shè)計樁頂標(biāo)高以上50cm，保證鉆機移動時平穩(wěn)，不對已完成的樁體造成影響，施工完成后采取先鋪50cm厚稻草，在松鋪2米厚填料覆蓋保溫越冬。

根據(jù)設(shè)計圖紙有關(guān)要求，按“先試驗后施工”的原則，正式施工前對3根CFG樁進行了工藝性試樁，驗證設(shè)計參數(shù)，獲取施工工藝參數(shù)，提出過程質(zhì)量控制方法及驗收標(biāo)準(zhǔn)。

CFG樁施打順序采用從線路中心向兩側(cè)順序推進?，F(xiàn)場施工按照設(shè)計樁位在現(xiàn)場進行布樁，使用全站儀精確放樣出樁位中心，并用鋼釬打入50cm深后灌入白灰。鉆機就位后，鉆桿垂直對準(zhǔn)樁位中心，確保CFG樁垂直度偏差不大于1%。鉆孔開始時，關(guān)閉鉆頭閥門，向下移動鉆桿至鉆頭觸地時，啟動馬達鉆進，先慢后快，同時檢查鉆孔的偏差并及時糾正，在成孔過程中，如發(fā)現(xiàn)鉆桿搖晃或難鉆時，應(yīng)放慢進尺，在動力頭底面停留位置相應(yīng)的鉆機塔身處作醒目標(biāo)記，當(dāng)動力頭底面達到標(biāo)記處樁長即滿足設(shè)計要求。鉆進過程中將注漿軟管擺放圓順，避免軟管自由下落出現(xiàn)折角，造成堵爆管事故。

現(xiàn)場CFG樁施工原始記錄資料：現(xiàn)場施工中按施工配合比拌制混合料，坍落度控制在160mm～200mm之間。施工過程中坍落度的損失速度根據(jù)現(xiàn)場試驗測試得出，并根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整坍落度，避免因坍落度損失過快造成混合料堵管，確保鉆桿內(nèi)管及輸送軟、硬管內(nèi)混合料連續(xù)。

鉆孔至設(shè)計標(biāo)高后停止鉆進，開始泵送混合料灌注，當(dāng)鉆桿芯管充滿混合料后開始拔管，采用靜止提拔鉆桿，根據(jù)試驗提拔灌注速度控制在2～2.5m/min，保持混合料面始終高于鉆頭面20cm以上。確保鉆桿內(nèi)管及輸送軟、硬管內(nèi)混合料連續(xù)。施工中提鉆與混合料供應(yīng)進行配合，保證提鉆和泵料的一致，未泵料不能進行拔管，以防斷樁。記錄灌注過程中泵送的次數(shù)，通過不斷試驗，確定施工泵送砼次數(shù)及拔管速度，施工時樁頂高程高出設(shè)計高程50cm，灌注成樁后，樁頂蓋土封頂進行養(yǎng)護。

冬季施工時，混合料入孔溫度不得低于5℃，對樁頭和樁間采取保溫措施。具體的根據(jù)混合料距離施工現(xiàn)場遠近，采取混合料倉加熱、拌合用水加熱、運輸罐車覆蓋保溫層和施工現(xiàn)場地表覆蓋塑料保溫膜等措施，以保證混合料滿足施工所需溫度，成樁后及時對樁頭覆蓋等措施進行保溫。

現(xiàn)場施工過程按照施工方案、作業(yè)指導(dǎo)書、技術(shù)交底組織施工，現(xiàn)場過程資料反映施工過程中混凝土塌落度、鉆進電流值、混凝土投料量、鉆進深度、砼入孔溫度滿足要求。

冬停前，現(xiàn)場擬安排施工樁帽，對1～14排樁（共計398根）鉆渣及樁間土進行了清理，因天氣突變降溫未繼續(xù)進行下步施工，但未回填覆土保溫，導(dǎo)致樁頭暴露越冬，其余地段亦未覆蓋保溫。2016年4月對該段15～33排樁開挖并同已暴露的樁一起截除樁頭。

1.3檢測結(jié)論

2016年4月27日后續(xù)工序施工前對此段CFG樁進行低應(yīng)變檢測，發(fā)現(xiàn)部分樁出現(xiàn)斷樁，斷樁深度為樁頂以下1.1m～1.91m，在現(xiàn)場對其中的三根斷樁開挖，使樁體表面外露，具體情況如下：

⑴10-20#樁在樁頂以下1.59m處斷裂，裂縫寬度25mm，如圖1。

⑵13-19#樁在樁頂以下1.91m處斷裂，裂縫寬度20mm，如圖2。

⑶13-20#樁在樁頂以下1.1m處斷裂，裂縫寬度3mm，如圖3。

根據(jù)以上問題，由第三方檢測單位對本段969根樁逐樁檢測，檢測初步結(jié)果為：1-14排合計樁398根，缺陷樁194根，缺陷率48.74%。15-33排合計樁575根，缺陷樁49根，缺陷率為8.52%。除個別因樁間土開挖和樁頭截除時機械設(shè)備擠壓造成的淺部斷樁外（樁頭下20～50cm），其余均在樁頭下110～195cm。

缺陷樁主要集中在1-14排，即冬停期間未覆蓋部分。15-33排部分樁頭覆蓋層不足，也存在凍斷現(xiàn)象。缺陷樁分布如圖4。

2凍漲原因分析

2.1凍漲機理

根據(jù)大量實驗研究證明，凍漲的過程分為四個階段，分別為初始凍漲、快速凍漲、平穩(wěn)凍漲和融化回落。其中初始凍漲一般持續(xù)20～45天左右，凍漲量和凍深波動性顯著;快速凍漲一般持續(xù)20天左右，產(chǎn)生的凍漲量占95%以上，凍深處于發(fā)展中;平穩(wěn)凍漲持續(xù)時間最長，一般在70～110天左右，但產(chǎn)生的凍漲量很小，凍深增加速度緩慢;融化回落速度一般很快，基本上都是殘余變形。

凍漲產(chǎn)生的必要條件是：溫度、土體內(nèi)細顆粒（粒徑<0.075mm）含量、水。其中以土體細顆粒含量和地下水位為主要原因。粗顆粒土粒徑較大，其顆粒表面化學(xué)能較小，表面極少存在薄膜水，并不產(chǎn)生或極少產(chǎn)生水分正向遷移，因此粗顆粒土是凍漲的不敏感材料。隨著土體內(nèi)細顆粒含量的增加，其比表面積增大，使得土與水的相互作用能力不斷增大，相應(yīng)的凍漲敏感性也不斷增強。土的變形源于顆粒的位置調(diào)整和轉(zhuǎn)動以及其間水分相變產(chǎn)生的體積增大，結(jié)構(gòu)變形也是體積增大的另一個主要原因。

土體凍漲理論的核心是水分遷移機理，即季節(jié)性凍土凍結(jié)時，凍結(jié)層隨著凍結(jié)鋒面自上而下移動，土中水分向凍結(jié)鋒面遷移并發(fā)生聚冰作用，由于水凍結(jié)時體積膨脹，引起土體體積增大，產(chǎn)生凍漲，粗粒土的凍漲是其孔隙水的凍結(jié)膨脹及其引起的顆粒位移。

2.2管理原因

工程所在地為高緯度嚴寒地區(qū)，設(shè)計資料顯示局部存在季節(jié)性凍土層，凍結(jié)深度1.92m。結(jié)合東北地區(qū)氣候氣象特點和類似工程經(jīng)驗，在設(shè)計文件和各級交底中，均明確強調(diào)了結(jié)構(gòu)物凍漲的可能性，工程項目的特點決定了工程半成品越冬。施工單位進場后對相關(guān)設(shè)計及交底資料進行了詳細研判，征詢了本地區(qū)施工經(jīng)驗豐富的建設(shè)、監(jiān)理單位人員，制定了針對性的交底、作業(yè)指導(dǎo)書、冬施方案和措施并報批。在施工中因氣候突變降溫未嚴格執(zhí)行技術(shù)交底，未對半成品保護即越冬，甚至對已開挖樁頭部分未采取任何措施使得樁頭直接裸露過冬。施工管理人員對高寒地區(qū)冬季凍結(jié)的特點掌握不足，存在一定的僥幸心理，導(dǎo)致凍漲事件發(fā)生。

2.3 CFG樁斷樁原因分析

CFG樁斷樁原因主要有以下幾種：

⑴混凝土灌注過程中，提拔鉆桿速度未按照試驗數(shù)據(jù)控制，提拔過快，導(dǎo)致鉆頭底面高于灌注混凝土面，出現(xiàn)縮頸造成斷樁。

⑵成樁后，清除樁間土?xí)r樁身混凝土強度未達到設(shè)計值，或者采用大型機械設(shè)備清理樁間土觸碰、擠壓樁身，造成樁身的淺部斷樁。

⑶在嚴寒地區(qū)，由于未對樁身采取覆蓋保溫，導(dǎo)致在凍土深度范圍內(nèi)，由于土層含水量高引起的凍脹，從而產(chǎn)生裂縫。

針對現(xiàn)場采用小型挖掘機配合人工施工的情況排除大型機械觸碰及擠壓引起的樁身斷裂（現(xiàn)場樁身斷縫水平整齊），同時現(xiàn)場挖掘機挖出地層顯示樁身周圍淤泥質(zhì)粘土已板結(jié)，斷樁位置處于板結(jié)層下，排除上部機械作業(yè)時擠壓樁間土造成CFG樁受剪破壞因素。查現(xiàn)場CFG樁施工過程中成孔及灌樁原始記錄，

混凝土灌注過程鉆桿提拔速度符合工藝性試驗要求的2～2.5m/min的速度，未出現(xiàn)混凝土供應(yīng)不及時的情況，且挖出樁身完整，樁徑滿足設(shè)計，未見縮頸，斷樁處砼面平整干凈未見夾泥層，排除施工過程中提鉆過快造成縮頸引起的斷樁。通過第三方檢測初步結(jié)果及現(xiàn)場挖出三根樁基斷裂顯示情況，三根斷裂樁基裂縫處樁徑、混凝土強度滿足設(shè)計要求，且裂縫內(nèi)均為新鮮混凝土貫通界面，根據(jù)檢測結(jié)果，斷樁主要集中于1-14排，判斷本段CFG樁1-14排由于越冬期挖除渣土及樁間土，未進行覆蓋保溫，導(dǎo)致樁基由于凍脹斷裂。

3處理方案

3.1確定處理范圍

經(jīng)對該區(qū)域所有CFG樁檢測，1-14排斷樁集中，斷樁位置集中在1.9m左右，已不具備地基加固的作用，因此對1-14排CFG樁全部廢除，對地基重新進行加固。其余地段為零星斷樁，除個別相鄰位置連續(xù)斷樁外，基本上處于隨機位置，且斷裂位置部分處于1.9m凍結(jié)線左右，大部分位于地表下30～40cm范圍，主要是清理樁間土和截除樁頭時大型設(shè)備靠近樁頭擠壓所致。對15-33排所有斷裂的CFG樁在其周圍進行補強。斷樁處理方案如圖5。

3.2處理措施

對1-14排CFG樁，處理方案一是全部挖除2m，保留未斷樁部分（4m），在其上進行級配碎石換填;方案二為在現(xiàn)狀地表上，按照1：1進行補樁，即原有CFG樁四周樁間重新設(shè)樁，深度加至8m，樁徑不變。經(jīng)檢算，方案一地基承載力不能滿足要求其工程量大，因此按照方案二處理。

其余地段按照單根補樁方案補樁，即在斷裂樁一側(cè)重新打設(shè)CFG樁，長度為6m。

以上方案均報設(shè)計，以設(shè)計聯(lián)系單形式下發(fā)執(zhí)行。經(jīng)單樁承載力和復(fù)核地基承載力檢測，處理后的地基承載力滿足設(shè)計要求。

4教訓(xùn)及經(jīng)驗總結(jié)

經(jīng)分析，本案例CFG樁凍漲為在高寒地區(qū)施工路基提供以下教訓(xùn)：

⑴施工前應(yīng)使全員對工程所在區(qū)域的氣候氣象條件和工程特點詳盡了解，認識到自然凍害的特點，掌握其規(guī)律。本案例就是因現(xiàn)場人員對凍害沒有清晰的認識，想當(dāng)然地覺得CFG樁在進入冬季施工前已完成施工，未重視該處越冬防護是本案例的直接原因。

⑵施工中不但要重點關(guān)注正在施工的工程質(zhì)量管控，對已完工程的復(fù)查復(fù)檢工作以及對交底的落實到位也是保證越冬工程質(zhì)量的前提。因為質(zhì)量管理上不夠全面，對制度的認識和落實上不夠到位，忽視了已完工程越冬保溫是案例的主要原因。

⑶項目管理人員突變的環(huán)境變化是否會對已完工程造成影響準(zhǔn)備不充分，思想上不夠重視導(dǎo)致復(fù)查工作流于形式，這是本案例的根本原因。

⑷質(zhì)量管理中責(zé)任不明確，分工不夠細致。質(zhì)量管理體系在運行過程中，一直過于重視施工過程中質(zhì)量責(zé)任劃分，忽視了對已完工程質(zhì)量檢測責(zé)任的劃分，對復(fù)查的工作沒有明確責(zé)任劃分，導(dǎo)致在復(fù)查工作上管理混亂，這是本案例的重要原因之一。

參考文獻：

[1]孫曉光. 嚴寒地區(qū)路基凍害的成因、預(yù)防及整治措施[J]. 科技創(chuàng)業(yè)家， 2012（2）.

（作者單位：中鐵一局集團第二工程有限公司）