浅谈冻土地区桥梁桩基础特性及其施工技术
2010-11-09
冻土区桥梁桩基础施工，会给冻土引进一定的热量，这些热量在自然回冻过程中传到周围的多年冻土中，破坏冻土的稳定冻结状态。尤其是混凝土灌注桩中的水化热会给稳定的冻土带来很大的热扰动，可能会导致冻土的冻结强度降低，致使桩的承载力严重下降，直接影响施工进度。所以，研究大气温度、水文地质条件、入模温度、冻土本身的负温对桩自然回冻的影响及其计算模式，可以为施工计划的制定提供理论依据，有很重要的实用价值。
1、冻土地基的工程特性
（1）冻胀性 在自然界中，受大气温度变化的影响，土体中的水分产生相变，从而土体积膨胀或收缩，膨胀现象，称为土体的冻胀，收缩现象，称为冻土融化。膨胀现象，是由于土体在冻结过程中，水分冻结成冰，体积膨胀而引起的。土体的的冻胀性受土体埋深、土体含水量、土颗粒粒径、土体密度等因素影响。冻土地基的冻胀性，是影响多年冻土区工程结构物尤其是桥梁工程稳定性的重要因素。
（2）冻胀力 地基土冻结时，封闭体系中，冻土水分冻结体积扩张的内应力，开放体系中，孔隙水侵入推开土颗粒并冻结所产生的力，称为冻胀力。冻胀力作用于基础表面，当工程结构物的重量和附加荷载不足以与之平衡时，结构物将在冻胀力的作用下产生冻胀变形，严重将引起结构物的破坏。根据冻胀力作用于基础表面的部位和方向，可划分为切向冻胀力、水平冻胀力和法向冻胀力三种形式。切向冻胀力，即平等作用于基础侧表面上的力，法向冻胀力指垂直作用于基础侧表面上的力，法向冻胀力指垂直作用于基础底面上的冻胀力。切向冻胀力是作用于冻土区基础上的主要力系之一，如果设计时对此考虑不当，则会引起基础在切向冻胀力的作用下产生上拔变形，甚至破坏。
（3）融沉性 冻土融化过程中，在自重压密作用下，不断产生下沉伴随着孔隙水的消散，即为冻土融沉性。这个过程不仅是由于冻土中冰转变成水的相变时的体积减小，更重要的是在此过程中产生孔隙水的消散与排泄，土体的孔隙比减小，冻土的融沉性与冻土的粒度成分，含冰量密度及孔隙水的消散等因素密切相关。
2、计算模型及基本假设
(1)本文以具有代表性的青藏高原典型湿润性地段某长16m、3 孔的中桥桩基础的钻孔灌注桩作为分析模型，桩直径为1m，桩长为20m，鉴于所研究对象的特点，本问题可视为一个轴对称问题。桩侧和桩底界面应分别取在水化热对冻土热挠动范围外及冻土下限，经试验性计算，本计算模型的半径R取10m、深度取 30m(即桩以下的冻土取10m)即可满足要求。
(2)混凝土入模初期，由于低温早强混凝土水泥的水化放热速度快，远大于传热速度，故可把浇注初期的混凝土作为绝热温升处理。计算中采用混凝土的绝热温升的温度作为混凝土的初始温度。混凝土放热主要在7～12d完成，即混凝土在入模后7～12d 内放出绝大部分水化热使其升温。所以，将混凝土的绝热温升作为其初始条件，这样的考虑对混凝土达到龄期(28 d)后的强度的计算结果不会产生很大的影响。
3、冻土区桩基础施工技术
3.1施工准备
(1)进场前认真学习冻土知识和相应的规范、细则；
(2)桥梁施工前应仔细核对设计文件，对桥梁位的地质进行全面调查与核实，必要时进行补充地质勘探
3)认真做好机械设备的选型和配套工作，施工机械尽量采用适应高原的高效率机械，并充分考虑功率的降效；
(4)根据施工进度计划，做好施工材料的采购和储备；
(5)测量控制桩设置在稳定土层或基岩上，用混凝土包裹防护，埋入冻土层的控制桩跨冻融季节使用时，埋深≥2倍的天然上限，桩周回填粗粒土，以防冻融引起桩位变动；
3.2施工工艺和方法
(1)钻机选择:通过青藏铁路施工中的经验以及满足快速施工的原则，在桩基施工时宜采用旋挖钻机成孔。
(2)施工准备:首先测量放样，定出基础各桩的桩位。桩的纵横允许偏差≤±5cm，并在桩的前后左右设置护桩，以供随时检测桩中心和标高。钻孔场地布置尽量以填代挖，以减少对原地表开挖引起的热扰动。钻机底座下发动机散热部分宜铺设聚苯乙烯泡沫塑料隔热板，以减少对地基土的热侵入。
(3)埋设护筒:在青藏线，护筒除保护孔口，使钻孔作业正常进行外，还是采取有效措施，从而降低冻土对桩基础抗拔力的载体。具体的做法是，将护筒埋入冻土上限以上一定深度，并按设计要求外表面涂以渣油，成桩后不拆除护筒，以减少外表面的亲水程度，减小冻土对桩基础上拔力。护筒宜采用5～6mm厚的钢板卷制，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；由于护筒外表面要涂渣油，其埋设方法与常规有所不同。当地表土稳定性较好，施工过程没有地表水时，在钻机就位后，先用比护筒直径大一级别的螺旋钻头施钻，钻至冻土上限以下>0.5m深度后停钻，安放护筒。安放前，护筒外侧预先满涂渣油。护筒准确就位后，护筒外侧与孔壁所形成的空隙用渣油拌制的粗粒土回填密实。
(4)钻机就位:钻机利用自动系统就位。钻孔前，应调整机架杆垂直、位置正确，防止因钻杆晃动引起扩大孔径及增加孔底虚土。
(5)旋挖钻机干法钻孔:护筒埋设完成后，进行正式钻进。旋挖钻进是利用旋挖钻头钻杆顶的液压马达往下压，同时利用旋挖钻头旋转切入土体，土被挤入料斗中，再提出孔外，直接装入自卸汽车。钻进过程中，根据地质情况选用不同的钻头。
(6)湿法作业:在粘性土、砂类土、碎石类处于地下水位以下，干法作业不能保证孔壁稳定时，采用湿法作业。湿法作业在干法作业基础上增加以下内容:
①泥浆拌制及废碴处理:钻孔泥浆采用优质粘土，采用制浆机制浆，存入钢制泥浆池中。现场设泥浆池、沉淀池各一个，串联并用。钻孔桩所需泥浆不得随意就地排放，不得就近挖坑作泥浆池。钻孔过程中，沉淀了中沉淀的废碴由人工装入泥浆车外运至设计指定地点倾倒。
②钻孔:开钻时，先低档慢速钻进，钻至护筒下1m后，再以正常速度钻进。在钻进过程中，经常注意进行泥浆循环，将钻渣捞取，沉淀后及时排除，并随时注意土层变化，对不同的土层采用不同的钻速、钻压、泥浆比重。
③清孔:当钻至设计标高后，经岩样确认到位后，停止钻进并及时清孔。清孔采用换浆法。将钻具提起约30cm，钻头不停转动，泥浆循环不断进行。不得用加深孔深来代替清孔。
④检孔:成孔过程中及成孔以至灌注混凝土之前，对钻孔的孔深、孔径及孔底质量情况进行检查。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:根据青藏铁路的特殊环境，针对低温条件，钢筋笼的加工、焊接、安装应符合以下要求:钢筋接长采用预热闪光对焊或闪光→预热→闪光焊工艺。钢筋端面比较平整时，采用预热闪光焊，端面不够平整时，采用闪光→预热→闪光焊工艺。
多年冻土区工程从设计到施工都有不同于一般地区的特殊性。青藏铁路通过有关专家多年的试验研究解决了一系列冻土施工的难题，但是通过施工可以发现还有许多问题有待解决，诸如多年冻土地区工程的耐久性有待于实践验证,混凝土耐久性需进一步验证。
