現(xiàn)有樁基礎(chǔ)凍拔防治措施淺析與基于樁—土界面隔離的凍拔防治思路的提出

徐豪

【摘要】寒區(qū)工程中樁基礎(chǔ)或其他入土桿狀結(jié)構(gòu)的凍拔是寒冷地區(qū)廣泛存在的一種工程災(zāi)病害，給寒區(qū)工程的安全和維護帶來了巨大的挑戰(zhàn)。對此國內(nèi)外學(xué)者進行了深入研究，提出了眾多解決方案。文章通過對現(xiàn)有的凍拔防治措施的分析，總結(jié)了不同措施的優(yōu)缺點，并提出了樁-土界面隔離這一凍拔防治思路。

【關(guān)鍵詞】凍拔防治;樁-土界面隔離;切向凍脹力

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.15.126

1、現(xiàn)有樁基礎(chǔ)凍拔防治措施分析

樁基礎(chǔ)是凍土工程中應(yīng)用十分廣泛基礎(chǔ)形式。對位于凍土區(qū)的樁基礎(chǔ)而言，當(dāng)土體因凍漲變形而產(chǎn)生的切向凍脹力大于暖土層的摩阻力、樁基重力及外部載荷的合力時，樁基就會產(chǎn)生不同程度的凍拔破壞。為了減小樁基凍拔對工程的影響，國內(nèi)外學(xué)者對這一現(xiàn)象展開了深入的研究，并提出了一系列防治樁基凍拔的方法，常見的防治方案有以下幾種。

1.1 采取適當(dāng)措施處理樁基礎(chǔ)表面

該類處理方案主要有兩種思路：

①樁周涂刷隔離劑法。在樁周涂抹瀝青、渣油等油脂涂料，起到潤滑作用，從而減小樁周切向凍脹力。樁周涂刷隔離劑法的優(yōu)點在于施工便利，可適用的范圍較廣，但是也存在著原料成本較高和運輸成本相對較高的缺陷，且抗拔效果有限。

②樁外加套筒法。具體實施方式是在活動層范圍內(nèi)加裝鋼鐵或混凝土材質(zhì)的套筒，套筒內(nèi)壁與樁間填充潤滑材料;套筒底部做成向外凸的擴大環(huán)，以進一步加大上拔阻力。樁外加套筒法的突出優(yōu)點是抗拔效果穩(wěn)定，可適用的范圍廣，但其制作成本較高，施工過程較為復(fù)雜。

1.2 將樁側(cè)土換填為非凍脹性材料

該方法的具體措施是在樁側(cè)活動層范圍內(nèi)換填非凍脹或凍脹敏感性土。一般以粗砂、卵石、爐渣等非凍脹性粗顆粒材料的換填效果較好。例如，為了解決望奎縣通江鎮(zhèn)黃家店村鋼筋混凝土板梁橋（4跨32米）中柱的凍拔問題，技術(shù)人員對橋上部采用二期混凝土的施工方式進行維修，對橋下部基礎(chǔ)采用換填的方法。換填材料采用中粗砂，換填率為100%，換填深度為2.20米，換填周邊尺寸沿樁四周0.5米。[1]

將樁側(cè)土換填為非凍脹性材料的優(yōu)點是施工便利，成本低，其缺點是抗拔效果不穩(wěn)定，且抗拔效果受土體含水率制約，不適用于橋梁樁基等含水量較高的工程。

1.3 直接改變樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)型式

采用異形樁基礎(chǔ)代替一般的樁基礎(chǔ)。常見的異形樁有擴底樁、螺旋樁、變截面樁以及錐形樁，通過該方法可以改變樁基與樁周圍土的受力情況，以達到防治凍拔的目的。[3]例如，在黑龍江省三江平原蜿蜒河流域區(qū)內(nèi)，當(dāng)?shù)丶夹g(shù)人員采用水砂自然擴底樁防治凍拔。自然擴底由地下水和流砂造成，在鉆機鉆孔深度超過最大凍深時出現(xiàn)。一般當(dāng)?shù)卦O(shè)計樁深為13米左右，而在施工時鉆孔深達5～7米時便產(chǎn)生了自然擴底現(xiàn)象，擴底部分的混凝土投放量為1.0～1.5立方米。[2]施工完成后形成的擴底樁可以增加樁基礎(chǔ)在土壤內(nèi)的錨固力，起到穩(wěn)定的凍拔防治效果。

此類防治方法的優(yōu)點是安全可靠，適用范圍廣;缺點是制造異形樁基礎(chǔ)增加了施工成本和施工難度。

2、基于樁-土界面隔離的凍拔防治思路的提出

通過前文的分析可以看出，現(xiàn)有的樁基凍拔防治措施大都有著自身的缺陷。為尋求一種效果穩(wěn)定、施工便利且成本低廉的凍拔防治措施，需要基于凍拔現(xiàn)象發(fā)生的機理進行思路上的探尋與選定。

2.1 凍拔現(xiàn)象發(fā)生的機理

凍拔作用主要發(fā)生在上覆荷載小、基礎(chǔ)埋設(shè)淺的管樁基礎(chǔ)。當(dāng)樁基礎(chǔ)埋設(shè)在多年凍土區(qū)及季節(jié)性凍土區(qū)的活動層土體中時，樁與活動層土體接觸，在大氣溫度降到負溫后，活動層表面土體逐漸開始凍結(jié)，體積膨脹，樁與土體被凍結(jié)為整體，在負溫梯度作用下，下部土體未凍水分還會通過土體內(nèi)孔隙不斷向凍結(jié)鋒面遷移積聚，土體的凍漲量不斷增大，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)與凍土接觸面積增大，樁土間凍結(jié)力不斷增強，樁所受的上拔力不斷增大，在凍拔力作用下，最終樁身會出現(xiàn)上拔位移，發(fā)生傾斜、拔起甚至拔斷等現(xiàn)象，影響樁基的穩(wěn)定性。凍拔的主要表現(xiàn)形式有上拔、傾斜、拔斷等。上拔和拔斷現(xiàn)象是由樁底法向凍脹力以及樁側(cè)切向凍脹力引起的，而傾斜現(xiàn)象由不均勻樁側(cè)法向凍脹力引起。[4]

2.2 參與凍拔過程的主體分析

在樁基礎(chǔ)被拔起的整個過程中，參與作用的主體有樁體、土體以及樁-土接觸界面三種。

2.3 基于樁-土界面隔離的凍拔防治方案研發(fā)的可行性分析

現(xiàn)有的抗拔措施大多關(guān)注樁基本身的處理和樁周土體的處理，有關(guān)處理樁-土接觸界面的防治措施相對較少，且現(xiàn)有的套筒法等少數(shù)此類防治措施依然存在不足?？梢哉f，這類關(guān)注樁-土接觸面處理的凍拔防治措施尚未完善。因此，針對樁-土接觸界面進行更深入的研究，改進套筒法等現(xiàn)有措施的不足之處或提出一種新的抗拔措施的研發(fā)思路具有廣闊的前景。

2.4 基于樁-土界面隔離的凍拔防治措施的優(yōu)點

2.4.1 抗拔效果穩(wěn)定

對樁-土界面進行處理，即在切向凍脹力的作用面上采取隔離措施減弱甚至消除切向凍脹力，可以得到穩(wěn)定的抗拔效果。這種防治思路可以有效規(guī)避土體環(huán)境對抗拔效果的影響，相比于樁側(cè)換填非凍脹性材料法有著顯著的優(yōu)勢。

2.4.2 施工便利

在樁基礎(chǔ)與土體的直接接觸面上采取措施防治凍拔，可以在凍拔現(xiàn)象發(fā)生的土壤深度范圍內(nèi)解決凍拔問題，免去了換填非凍脹土?xí)r對土體的額外開挖和制作異形樁時對樁基礎(chǔ)本身的改造施工，可以有效地減少設(shè)置抗拔措施時的施工量，使得施工十分便利。

2.4.3 成本低廉

通過樁-土界面隔離進行凍拔防治，施工的便利使得施工時的人力成本大大降低;該類措施無需對樁基礎(chǔ)本身進行改造和加工，相比于改變樁基礎(chǔ)型式法也沒有附加的研發(fā)和改造成本;此外，隔離措施本身使用的套筒、防水土工布等材料的成本也相對低廉，能夠最大限度地降低抗拔措施的成本。

3、基于樁-土界面隔離的凍拔防治措施的研發(fā)展望

3.1 研究目標

通過大量的凍結(jié)力和凍拔力實驗揭示典型負溫環(huán)境下土體凍結(jié)過程中樁-土凍結(jié)力和樁體凍拔力的演化規(guī)律與主控因素，對這些規(guī)律和因素進行把握和控制，對癥下藥，研發(fā)出一種便于施工和成本較低的樁-土隔離抗拔措施。

3.2 研究的重點和難點

根據(jù)凍結(jié)力實驗和凍拔力實驗的結(jié)果，從削弱這兩個力的角度思考隔離措施，并測試他們的效果。

參考文獻：

[1]侯志忱，董君，林長發(fā)，劉克.季節(jié)凍土區(qū)井柱式墩臺凍拔破壞的防治與維護[J].黑龍江水利科技，1996（04）：63-64.

[2]張景山.農(nóng)田渠系建筑物的防凍抗凍措施[J].農(nóng)田水利與小水電，1995（07）：32-34.

[3]孫鑫.寒區(qū)錐形樁切向凍脹力與抗拔效果研究[D].石家莊鐵道大學(xué)，2019.

[4]童長江，管楓年.土的凍脹與建筑物凍害防治[M].水利電力出版社，1985.