關于凍土區橋梁施工的若干思考

韓立鋒

摘要：凍土區橋梁樁基礎施工，會給凍土引進一定的熱量，這些熱量在自然回凍過程中傳到周圍的多年凍土中，破壞凍土的穩定凍結狀態。尤其是混凝土灌注樁中的水化熱會給穩定的凍土帶來很大的熱擾動，可能會導致凍土的凍結強度降低，致使樁的承載力嚴重下降，直接影響施工進度。所以，研究大氣溫度、水文地質條件、八模溫度、凍土本身的負溫對樁自然回凍的影響及其計算模式，可以為施工計劃的制定提供理論依據，有很重要的實用價值。

關鍵詞：凍土地基樁基礎施工技術

0引言

多年凍土地區橋梁工程往往由于地基的凍融作用，不良凍土地區現象的影響，會產生各種工程病害，從而影響工程使用。本文考慮了大氣溫度、水文地質條件，混凝土入模溫度、凍土初始地溫場的影響及相變效應，以傳熱學為基礎，給出了凍土區單樁地溫場控制微分方程、邊界和初始條件，以及其空間分析的有限元計算模式，詳細總結了多年凍土區橋梁樁基施工工藝及方法、保證工程質量的技術措施、施工中遇到的問題及解決方法。

1凍土地基的工程特性

1.1凍脹性在自然界中，受大氣溫度變化的影響，土體中的水分產生相變，從而土體積膨脹或收縮，膨脹現象，稱為土體的凍脹，收縮現象，稱為凍土融化。膨脹現象，是由于土體在凍結過程中，水分凍結成冰，體積膨脹而引起的。土體的凍脹性受土體埋深、土體含水量、土顆粒粒徑、土體密度等因素影響。凍土地基的凍脹性，是影響多年凍土區工程結構物尤其是橋梁工程穩定性的重要因素。

1.2凍脹力地基土凍結時，封閉體系中，凍土水分凍結體積擴張的內應力，開放體系中，孔隙水侵入推開土顆粒并凍結所產生的力，稱為凍脹力。凍脹力作用于基礎表面，當工程結構物的重量和附加荷載不足以與之平衡時，結構物將在凍脹力的作用下產生凍脹變形，嚴重將引起結構物的破壞。根據凍脹力作用于基礎表面的部位和方向，可劃分為切向凍脹力、水平凍脹力和法向凍脹力三種形式。切向凍脹力，即平等作用于基礎側表面上的力，法向凍脹力指垂直作用于基礎側表面上的力，法向凍脹力指垂直作用于基礎底面上的凍脹力。切向凍脹力是作用于凍土區基礎上的主要力系之一，如果設計時對此考慮不當，則會引起基礎在切向凍脹力的作用下產生上拔變形，甚至破壞。

1.3融沉性凍土融化過程中，在自重壓密作用下，不斷產生下沉伴隨著孔隙水的消散，即為凍土融沉性。這個過程不僅是由于凍土中冰轉變成水的相變時的體積減小，更重要的是在此過程中產生孔隙水的消散與排泄，土體的孔隙比減小，凍土的融沉性與凍土的粒度成分，含冰量密度及孔隙水的消散等因素密切相關。

2計算模型及基本假設

2.1本文以具有代表性的青藏高原典型濕潤性地段某長16m、3孔的中橋樁基礎的鉆孔灌注樁作為分析模型，樁直徑為1m，樁長為20m，鑒于所研究對象的特點，本問題可視為一個軸對稱問題。樁側和樁底界面應分別取在水化熱對凍土熱撓動范圍外及凍土下限，經試驗性計算，本計算模型的半徑R取10m、深度取30m(即樁以下的凍土取10m)即可滿足要求。

2.2混凝土八模初期，由于低溫早強混凝土水泥的水化放熱速度快，遠大于傳熱速度，故可把澆注初期的混凝土作為絕熱溫升處理。計算中采用混凝土的絕熱溫升的溫度作為混凝土的初始溫度。混凝土放熱主要在7～12d完成，即混凝土在入模后7～12d內放出絕大部分水化熱使其升溫。所以，將混凝土的絕熱溫升作為其初始條件，這樣的考慮對混凝土達到齡期(28d)后的強度的計算結果不會產生很大的影響。

3凍土區樁基礎施工技術

3.1施工準備①進場前認真學習凍土知識和相應的規范、細則：②橋梁施工前應仔細核對設計文件，對橋梁位的地質進行全面調查與核實，必要時進行補充地質勘探；③認真做好機械設備的選型和配套工作，施工機械盡量采用適應高原的高效率機械，并充分考慮功率的降效；④根據施工進度計劃，做好施工材料的采購和儲備；⑤測量控制樁設置在穩定土層或基巖上，用混凝土包裹防護，埋八凍土層的控制樁跨凍融季節使用時，埋深I>2倍的天然上限，樁周回填粗粒土，以防凍融引起樁位變動。

3.2施工工藝和方法①鉆機選擇：通過施工中的經驗以及滿足快速施工的原則，在樁基施工時宜采用旋挖鉆機成孔。②施工準備：首先測量放樣，定出基礎各樁的樁位。樁的縱橫允許偏差≤±5cm，并在樁的前后左右設置護樁，以供隨時檢測樁中心和標高。鉆孔場地布置盡量以填代挖，以減少對原地表開挖引起的熱擾動。鉆機底座下發動機散熱部分宜鋪設聚苯乙烯泡沫塑料隔熱板，以減少對地基土的熱侵入。③埋設護筒：在青藏線，護筒除保護孔口，使鉆孔作業正常進行外，還是采取有效措施，從而降低凍土對樁基礎抗拔力的載體。具體的做法是，將護筒埋入凍土上限以上一定深度，并按設計要求外表面涂以渣油，成樁后不拆除護筒，以減少外表面的親水程度，減小凍土對樁基礎上拔力。護筒宜采用5～6mm厚的鋼板卷制，內徑比樁徑大15～20cm；在多年凍土地區護筒埋至凍土上限以下≥0.5m；由于護筒外表面要涂渣油，其埋設方法與常規有所不同。當地表土穩定性較好，施工過程沒有地表水時，在鉆機就位后，先用比護筒直徑大一級別的螺旋鉆頭施鉆，鉆至凍土上限以下＞0.5m深度后停鉆，安放護筒。安放前，護筒外側預先滿涂渣油。護筒準確就位后，護筒外側與孔壁所形成的空隙用渣油拌制的粗粒土回填密實。④鉆機就位：鉆機利用自動系統就位。鉆孔前，應調整機架桿垂直、位置正確，防止因鉆桿晃動引起擴大孔徑及增加孔底虛土。⑤旋挖鉆機干法鉆孔：護筒埋設完成后，進行正式鉆進。旋挖鉆進是利用旋挖鉆頭鉆桿頂的液壓馬達往下壓，同時利用旋挖鉆頭旋轉切入土體，土被擠入料斗中，再提出孔外，直接裝入自卸汽車。鉆進過程中，根據地質情況選用不同的鉆頭。⑥濕法作業：在粘性土、砂類土、碎石類處于地下水位以下，干法作業不能保證孔壁穩定時，采用濕法作業。濕法作業在干法作業基礎上增加以下內容：a泥漿拌制及廢碴處理：鉆孔泥漿采用優質粘土，采用制漿機制漿，存入鋼制泥漿池中。現場設泥漿池、沉淀池各一個，串聯并用。鉆孔樁所需泥漿不得隨意就地排放，不得就近挖坑作泥漿池。鉆孔過程中，沉淀了中沉淀的廢碴由人工裝入泥漿車外運至設計指定地點傾倒。b鉆孔：開鉆時，先低檔慢速鉆進，鉆至護筒下1m后，再以正常速度鉆進。在鉆進過程中，經常注意進行泥漿循環，將鉆渣撈取，沉淀后及時排除，并隨時注意土層變化，對不同的土層采用不同的鉆速、鉆壓、泥漿比重。c清孔：當鉆至設計標高后，經巖樣確認到位后，停止鉆進并及時清孔。清孔采用換漿法。將鉆具提起約30cm，鉆頭不停轉動，泥漿循環不斷進行。不得用加深孔深來代替清孔。d檢孔：成孔過程中及成孔以至灌注混凝土之前，對鉆孔的孔深、孔徑及孔底質量情況進行檢查。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：根據凍土地基的特殊環境，針對低溫條件，鋼筋籠的加工、焊接、安裝應符合以下要求：鋼筋接長采用預熱閃光對焊或閃光一預熱一閃光焊工藝。鋼筋端面比較平整時，采用預熱閃光焊，端面不夠平整時，采用閃光→預熱→閃光焊工藝。

多年凍土區工程從設計到施工都有不同于一般地區的特殊性。通過有關專家多年的試驗研究解決了一系列凍土施工的難題，但是通過施工可以發現還有許多問題有待解決，諸如多年凍土地區工程的耐久性有待于實踐驗證，混凝土耐久性需進一步驗證。