嚴(yán)寒地區(qū)路基CFG 樁凍脹破壞機(jī)理研究

劉慶軍

（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，濟(jì)南 250031）

1 引言

目前，我國(guó)在東北嚴(yán)寒地區(qū)已建成多條鐵路客運(yùn)專線并投入運(yùn)營(yíng)。后續(xù)多條線路正在施工或即將開(kāi)工，對(duì)于部分軟基段落，一般設(shè)計(jì)采用CFG 樁進(jìn)行處理。受工期影響，部分CFG樁需進(jìn)行越冬施工。根據(jù)哈（爾濱）牡（丹江）鐵路和哈（爾濱）佳（木斯）鐵路的施工經(jīng)驗(yàn)，CFG 樁在施工完成后如未及時(shí)填筑路基需要進(jìn)行越冬時(shí)，需對(duì)CFG 樁采取覆土措施，防止凍脹導(dǎo)致出現(xiàn)淺層斷樁【1】。即將外露的CFG 樁頂進(jìn)行覆土保護(hù)，覆土厚度超過(guò)凍脹深度，以防止土壤凍脹對(duì)CFG 樁造成凍脹破壞。但該項(xiàng)處理措施的理論依據(jù)不足，且處理時(shí)需提前覆土，影響了正常施工，同時(shí)大量土方倒運(yùn)，成本較高。為明確凍脹發(fā)育機(jī)理對(duì)CFG 樁的破壞，本文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)凍脹作用力進(jìn)行了理論計(jì)算，分析了凍脹發(fā)育機(jī)理，提出了新的防凍脹措施，并在牡（丹江）佳（木斯）鐵路施工過(guò)程中進(jìn)行了驗(yàn)證，明確了CFG 樁受凍脹破壞的影響因素，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)鐵路路基CFG樁越冬施工具有一定的指導(dǎo)意義。

2 工程概況

牡佳高速鐵路均位于黑龍江省，根據(jù)既有氣象資料表明，沿線各地區(qū)歷年最冷月平均氣溫為-15.3～-18.23℃，累年極端最低氣溫為-32.8～-38.8℃，屬嚴(yán)寒地區(qū)，沿線地貌主要為低山丘陵區(qū)及沖洪積平原，土壤最大凍結(jié)深度2.4m。鐵路路基軟基段落處理形式多采用CFG 樁形式。以牡佳高鐵佳木斯市樺南縣樺南鎮(zhèn)的CFG 樁段落為例，基底地層結(jié)構(gòu)自上而下分別為黏土（3～5m）、粉質(zhì)黏土（1～2m）、粗砂（2～4m）、礫砂結(jié)構(gòu)（2～6m），地下水埋深0.8～2.5m，主要賦存于黏性土及砂類土中，由大氣降水入滲補(bǔ)給和地下徑流補(bǔ)給，蒸發(fā)排泄，地下水及土壤對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。CFG 樁基礎(chǔ)樁徑為0.5m，采用長(zhǎng)螺旋鉆孔，管內(nèi)泵壓送混合料成樁工藝，樁體強(qiáng)度等級(jí)為C20，樁長(zhǎng)介于4.5～7.8m 之間。

3 凍脹作用力的計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，路基工程CFG 樁基礎(chǔ)易受凍脹作用影響從而出現(xiàn)斷樁，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的質(zhì)量破壞和經(jīng)濟(jì)損失，因此，準(zhǔn)確判斷CFG 樁凍脹破壞機(jī)理并提前采取規(guī)避措施成為嚴(yán)寒地區(qū)CFG 樁施工的首要任務(wù)。通過(guò)對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所受的凍脹作用力進(jìn)行分析，將凍脹作用力分為2 部分，分別為切向凍脹力和法向凍脹力。

法向凍脹力為地基在上部荷載的作用下，擬計(jì)算的某一深度處凍結(jié)鋒面上，在基礎(chǔ)附加應(yīng)力擴(kuò)散面積之內(nèi)凍脹應(yīng)力的積分【2】，是基礎(chǔ)底部下臥土體發(fā)生凍脹時(shí)對(duì)基礎(chǔ)發(fā)生的向上的作用力，由于CFG 樁長(zhǎng)大于最大凍結(jié)深度，因此，在進(jìn)行受力分析時(shí)，不予考慮法向凍脹力的影響。

切向凍脹力是垂直于凍結(jié)鋒面，平行于基礎(chǔ)側(cè)面的凍脹力，當(dāng)土體向上凍脹時(shí)，以凍結(jié)力為媒介，順著凍脹方向作用于基礎(chǔ)側(cè)面【3】，可分為單位切向凍脹力和相對(duì)切向凍脹力。單位切向凍脹力是指基側(cè)表面單位面積上的凍脹力，即切向凍脹總力除以凍土層中基礎(chǔ)的側(cè)表面積得到平均單位切向凍脹力。相對(duì)切向凍脹力是指基礎(chǔ)單位周邊長(zhǎng)度上的切向凍脹力，即切向凍脹總力除以基礎(chǔ)周邊長(zhǎng)度【4】。

在進(jìn)行凍脹受力分析前，先確定現(xiàn)場(chǎng)路基基底土壤的凍脹級(jí)別和凍脹量，對(duì)土壤的凍脹性進(jìn)行分類。需要確定的相關(guān)參數(shù)包括土的名稱、凍前天然含水量ω（%）、凍結(jié)期間地下水位距凍結(jié)面的最小距離hw、平均凍脹率η（%）、凍脹等級(jí)和凍脹類別【5】。

以佳木斯市樺南縣牡佳高鐵沿線路基基底土壤性質(zhì)進(jìn)行分析，確定凍前天然含水量為4%＜ω＜10%，凍結(jié)期間地下水位距凍結(jié)面的最小距離hw＜1.5m，根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄G，將現(xiàn)場(chǎng)土壤界定為弱凍脹土。如表1所示。

表1 單位切向凍脹力取值范圍

3.1 總切向凍脹力計(jì)算

根據(jù)相關(guān)公式，在有實(shí)測(cè)凍深的情況下，總切向凍脹力計(jì)算為：

式中，T 為總切向凍脹力；τa為單位切向凍脹力，kPa；U 為樁在凍層內(nèi)周長(zhǎng)，m；Hp為實(shí)測(cè)土的凍深，m；τ1為冰的單位切向凍脹力，kPa；Hp1為實(shí)測(cè)冰的厚度，m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)凍深及實(shí)測(cè)冰的厚度等參數(shù)，得出總切向凍脹力T 的取值范圍為51.8～172.7kN。

CFG 樁的強(qiáng)度等級(jí)為C20，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，C20 混凝土的抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度值之間的關(guān)系為【6】：

式中，τ 為混凝土抗剪強(qiáng)度；fcu，k為混凝土抗壓強(qiáng)度，取值為20MPa；K 為混凝土抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度值取值系數(shù)，取值0.095～0.121。

CFG 樁中剪切應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中，T 為剪切應(yīng)力；A 為 CFG 樁截面面積；τ 為混凝土抗剪強(qiáng)度。

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，為確?；旌狭系谋盟停浜媳扰c混凝土配比相同，混合料抗剪力取下限，可得C20 混合料剪切應(yīng)力為372.8kN，通過(guò)上述計(jì)算可知，CFG 樁的樁身混合料抗剪應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于總切向凍脹力。因此，當(dāng)CFG 樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，總切向凍脹力對(duì)CFG 樁完整性的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以造成剪切破壞。

3.2 抗凍拔力計(jì)算

根據(jù)切向凍脹力對(duì)樁基作用的分析，為保證CFG 樁抗凍拔穩(wěn)定性，必須保證凍脹區(qū)段的凍拔力小于CFG 混合料的容許應(yīng)力，即：

式中，σ 為驗(yàn)算截面應(yīng)力，kPa；K 為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，取值 1.2；T為總切向凍脹力，kN；P 為作用在單樁上的恒載，kN；G1為拉斷截面以上樁身自重，kN；F1為拉斷截面以上暖土層對(duì)樁側(cè)的摩阻力，kN；A 為拉斷截面面積，m2；[σ] 為材料容許應(yīng)力，kPa，CFG 樁C20 混合料容許應(yīng)力根據(jù)設(shè)計(jì)取值為1 100kPa。

根據(jù)上述公式，以平均樁長(zhǎng)5.0m，平均凍脹深度2.2m，斷樁位置1.0m 為例進(jìn)行抗凍拔計(jì)算，按照總切向凍脹力為51.8～172.7kPa 的取值范圍，得出截面應(yīng)力σ 的取值范圍為-1 883.2～-1 144.0kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混合料容許應(yīng)力。

4 理論驗(yàn)證

根據(jù)凍脹作用力計(jì)算結(jié)果，可以確定CFG 樁在經(jīng)過(guò)越冬后造成的斷樁破壞不是受凍脹力直接影響，通過(guò)對(duì)哈牡、哈佳鐵路施工時(shí)出現(xiàn)的CFG 斷樁進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)越冬后斷樁的情況包括以下4 點(diǎn)：

1）機(jī)械擾動(dòng)，CFG 樁在施工過(guò)程中大型機(jī)械在樁頂行走未采取保護(hù)措施，或樁頭開(kāi)挖時(shí)由于機(jī)械碰撞造成樁頭擾動(dòng)；

2）樁身垂直度偏差較大，通過(guò)對(duì)斷樁進(jìn)行開(kāi)挖，發(fā)現(xiàn)部分樁身垂直度偏差超標(biāo)；

3）樁頂存在“蘑菇頭”現(xiàn)象，樁頂標(biāo)高及超灌問(wèn)題未得到有效控制；

4）受工期影響，部分CFG 樁為冬季施工，且施工完成后在CFG 混合料強(qiáng)度正常增長(zhǎng)前未采取有效的覆蓋保溫措施。

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，分析CFG 樁越冬后斷樁的原因如下：

1）機(jī)械擾動(dòng)造成樁身上部受到擠壓破壞；

2）樁身垂直度偏差較大，造成切向凍脹力和豎向凍拔力的累加，達(dá)到樁身抗剪極限，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致樁身斷裂；

3）樁頂擴(kuò)大，受凍土膨脹影響，樁頂周圍土體凍脹對(duì)擴(kuò)大的樁頭部分產(chǎn)生的凍拔力大于樁身斷裂截面以上的自重，導(dǎo)致斷樁問(wèn)題出現(xiàn)；

4）冬季施工時(shí)，樁身在混合料未達(dá)到抗剪強(qiáng)度前受到切向凍脹力破壞，即冬季施工時(shí)未采取有效措施保證樁身混合料強(qiáng)度的增長(zhǎng)，在急速降溫的情況下，造成切向凍脹力對(duì)樁身產(chǎn)生破壞。

上述原因中，第1）條為施工工藝問(wèn)題，與是否越冬無(wú)關(guān)。針對(duì)第2）、3）、4）條原因，采取了下列措施進(jìn)行驗(yàn)證：

1）嚴(yán)格控制樁身垂直度；

2）避免冬季施工，所有CFG 樁施工在進(jìn)入冬季施工前結(jié)束；

3）采取新工藝，在施工過(guò)程中通過(guò)小型挖機(jī)和人工配合，及時(shí)清理鉆渣，控制樁頂超灌，避免了“蘑菇頭”問(wèn)題的發(fā)生；

4）選取了20 根樁進(jìn)行試驗(yàn)，在越冬前切除樁頭后進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)，樁身完整性良好。越冬期間保持樁頭裸露，未采取覆蓋保溫措施，至第二年春融后再次進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與越冬前結(jié)果一致。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)鐵路路基設(shè)計(jì)有CFG 樁且需要越冬時(shí)，需對(duì)基底土層的凍脹性進(jìn)行嚴(yán)格判斷，不同土壤的凍脹性對(duì)CFG 樁凍脹的破壞程度不同。當(dāng)土層為弱凍脹或一般性凍脹的情況下，可采取上述措施保證CFG 樁的越冬質(zhì)量，即避免冬季施工、保證混合料質(zhì)量和垂直度、避免樁頭超灌。采取上述做法可極大地節(jié)省覆土保溫的費(fèi)用，且措施方便可行，具有可推廣性，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)的CFG 樁越冬施工具有指導(dǎo)意義。