高寒地區橋梁灌注樁施工工藝研究

姜衛華

（新疆交通建設（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830016）

0 引言

新疆地區位于亞歐大陸中部，地勢高、緯度高，該地區日溫差及年溫差較大，降雨稀少，屬于典型的內陸氣候。同時，新疆地區冬季干燥寒冷，夏季則極為炎熱，不僅年溫差較大，晝夜溫差也較大。該地區屬凍土類地基，氣候、地理條件對基礎施工控制提出了嚴格的要求。

目前，橋梁基礎根據基樁施工方法不同，基本形式分為沉樁（預制樁）和灌注樁，兩者施工方法的區別，不僅在于采用的機具和工藝過程的不同，而且將影響樁與樁周土接觸邊界處的狀態，進而影響樁土間的共同作用性能。本文將著重介紹灌注樁的施工。

1 高寒區鉆孔灌注樁的施工

高寒地區鉆孔灌注樁的施工主要需考慮地基土因凍脹而引起的一系列問題，下文首先介紹地基凍脹土分類，然后闡述施工流程及施工中的注意事項。

1.1 凍土分類

季節性凍土地區橋梁樁基的破壞很多是由地基土凍脹造成的。由于水凍結成冰后體積增大約9%，造成凍土的體積膨脹。

凍土的分類也是按照凍脹變形量大小，結合其對建筑物的危害程度分為四類，以野外凍脹觀測得出的凍脹系數為分類標準，計算公式如下：

式中：Δh——地面最大凍脹量，m；

z0——最大凍結深度，m。

在Kd＜1%、1%≤Kd＜3.5%、3.5%≤Kd＜6%、6%≤Kd＜13、Kd≥13時，分別為Ⅰ～Ⅴ類凍脹土，級別越高，凍脹變形及危害越大。

灌注樁是在現場地基中鉆挖樁孔，然后澆筑鋼筋混凝土或混凝土而成的樁。灌注樁可選擇適當的鉆具設備和施工方法，適用于各類地基土，并可做成較大直徑以提高樁的承載力，避免預制樁打樁時對周圍土體的擠壓影響和振動及噪聲對周圍環境的影響。但在成樁過程中應采取相應的措施和方法保證孔壁的穩定并提高樁體的質量，尤其是在凍土地區。

1.2 高寒區鉆孔灌注樁的施工流程

鉆孔灌注樁施工需根據土質、樁徑大小、入土深度和機具設備等條件選用適當的鉆具和鉆孔方法，以保證能順利達到預計孔深，然后清孔、吊放鋼筋籠架、灌注水下混凝土。

目前常采用的鉆具有旋轉鉆、沖擊鉆和沖轉鉆三種類型，凍土區適宜采用第一種進行開挖作業。為穩固孔壁采用孔口埋設護筒和在孔內灌入粘土泥漿的方法，并使孔內液面高出孔外水位，以在孔內形成一向外的靜壓力而起到護壁、固壁作用。其主要施工工藝簡要介紹如下。

1.2.1 準備工作

1.2.1.1 場地準備

施工前應將場地平整好，以便安裝鉆架進行鉆孔。鉆架位置應整平夯實，清除雜物。若支架安裝在水中，需進行支架結構強度、剛度以及穩定性的驗算。

1.2.1.2 埋置護筒

護筒作為固定樁位、保護孔口、防止孔口土層坍塌及隔離孔內外表層水的構件，需埋置穩固且準確。常用鋼護筒及混凝土護筒如圖1所示，護筒內徑應比鉆頭直徑稍大，旋轉鉆需增大0.1～0.2m。

圖1 護筒示意圖

1.2.1.3 制備泥漿

泥漿在鉆孔中具有非常重要的作用，在孔內產生較大的懸浮液壓力，防止坍孔。泥漿向孔外土層滲漏，在鉆進過程中，由于鉆頭的活動，孔壁形成一層膠泥，具有護壁作用。

1.2.1.4 安裝鉆機式鉆架

鉆孔過程中，成孔中心必須對準樁位中心，鉆架必須平穩，不發生位移、傾斜和沉陷。

1.2.2 鉆孔

旋轉鉆進成孔，利用鉆具的旋轉切削土體鉆進，在鉆進的同時常采用循環泥漿的方法護壁排渣。

1.2.3 清孔及裝吊鋼筋骨架

清孔的目的是除去孔底沉淀的鉆渣和泥漿，以保證灌注的鋼筋混凝土質量及樁的承載力。常采用的清孔方法有抽漿清孔、掏渣清孔及換漿清孔等。

1.2.4 灌注水下混凝土

目前我國多采用直升導管法灌注水下混凝土。

1.3 凍土區灌注樁施工注意事項

凍土區灌注樁基存在凍土膨脹及承載力變化等問題，除嚴格按照計算進行外，還需在施工時注意以下幾點：

a）樁基礎施工方案的確定是施工的前提，在凍土區進行橋梁基礎建設施工，應針對當地地質土層結構與氣溫變化規律進行嚴格勘測和分析，優化適用于凍土地區的施工工藝與材料；

b）選擇具有凍土施工資質、經驗豐富的施工技術人員，嚴格預測施工技術參數，盡量選用適于高寒凍土區工作的高效率施工機械；

c）旋挖鉆機施工初期必須防止料筒升降時碰壞孔壁，旋挖鉆機鉆進過程中應嚴格控制鉆進速度，避免造成孔壁坍塌、鉆孔緊縮現象。卡鉆埋鉆是旋挖鉆機最易發生的施工事故，施工過程中應采取有效措施加以預防和處理，最大程度提高凍土橋梁樁基礎施工效益。

2 高寒凍土區灌注樁設計施工要點分析

2.1 考慮地基土凍脹影響基礎最小埋深

地表實測凍脹量并不隨凍深的增加按比例增大，當凍深達到一定深度后凍脹量將增加很少甚至不再隨凍深增大，因為結合水的凍結，土中水的遷移需要一定的負溫，而接近最大凍結深度處負溫較小所以凍脹量也小。因此對有些凍脹土可將橋梁基礎底面埋在凍結線以上某一深度，使基底下保留的季節性凍土層產生的膨脹量小于橋墩的容許變形值。基底最小埋置深度可用下式表達：

式中：z——橋位處標準凍深，采用地表無積雪和植被等覆蓋條件下，多年實測最大凍深的平均值，無實測資料時可參考全國標準凍深線圖結合調查確定（該圖見《公橋基規》），m；

mt——標準凍結修正系數，表示上面結構物對凍深的影響；

hd——基底下容許殘留凍土厚度，根據我國東北地區實測資料，結合靜定結構橋涵特點，當為弱凍脹土時，hd=0.24z+0.031；當為Ⅲ類凍脹土時，hd=0.22z；當為強凍脹土時，hd=0，m。

2.2 凍土地基基樁承載力的確定

采取保持凍結原則時，多年凍土地基基樁軸向容許承載力由季節性融土的摩阻力F1（冬季則變成切向凍脹力）、多年凍土層內樁側凍結力F2和樁尖反力R三部分組成。其中樁與樁側土的凍結力常是承載力的主要部分。除通過試樁的靜載試驗外，單樁軸向容許承載力[P]（單位：kN）由下式計算：

式中：f——各季節融土層單位面積容許摩阻力，單位為kPa，粘性土為20kPa，砂性土為30kPa；

A1i——地面到人為上限間各融土層樁側面積，m2；

τji——各多年凍土層在長期荷載和該土層月平均最高地溫時單位面積容許凍結力，可以從各地基礎設計規范或有關手冊查用，kPa；

Azi——各多年凍土層與樁側的凍結面積，m2；

m0——樁尖支承力折減系數，根據不同施工方法按m0＝0.5～0.9取值，鉆孔插入樁由于樁底有不密實殘留土則取小值；

A——樁底支承面積，m2。

2.3 多年凍土地區灌注樁基礎抗拔驗算

多年凍土地區，當季節融化層為凍脹土或強凍脹土時，基樁凍拔穩定驗算公式如下：

式中：Qm——基礎與多年凍土的長期凍結力，對基樁Qm=∑τjiAzi，kN；

N——作用樁頂豎向荷載，取結構恒載或施工中冬季最小恒載；

W——基樁自重；

k——安全系數；

T——凍土層（包括冰層）對樁的總凍拔力。

2.4 灌注樁防凍土融沉問題的解決措施

針對多年凍土區地基，應根據凍土的穩定狀態和修筑結構物后地基地溫、凍深等可能發生的變化，采取保持凍結原則或容許融化原則。當采取后者進行計算時，除滿足融土地基承載力要求外，尚應滿足結構物對沉降的要求。凍土地基總融沉量由兩部分組成，一是凍土解凍后冰融化體積縮小和部分水在融化過程中被擠出土粒重新排列所產生下沉量；二是融化完成后，在土自重和恒載作用下產生的壓縮下沉。最終沉降量計算如下：

式中：Ai——第i層凍土融化系數；

hi——第i層凍土厚度，m；

αi——第i層凍土壓縮系數，由試驗確定，kPa-1；

σci——第i層凍土中點處自重應力，kPa；

σpi——第i層凍土中點處結構物恒載附加應力，kPa。

計算融沉值作為基礎設計依據，此外，還需滿足以下措施以進一步控制融沉問題：

a）換填基底土：對采用融化原則計算的基底土可換填碎卵、礪石或者粗砂等，換填深度可達季節融化深度或到受壓層深度；

b）選擇好施工季節：采用保持凍結原則時，基礎宜在冬季施工；采用融化原則時，最好在夏季施工；

c）注意隔熱措施：采取保持凍結原則時，施工中注意保護地表上覆蓋植被，或以保溫性能較好的材料鋪蓋地表，減少熱滲入量；施工和養護中，保證結構物周圍排水通暢，防止地表水灌入基坑內；

d）如抗凍脹穩定性不夠，可在季節融化層范圍內，采取基礎四側換土或者改善基礎表面平滑度的措施來保證穩定性。

3 結語

本文詳細論述了高寒地區橋梁鉆孔灌注樁施工工藝、高寒區凍脹土基礎埋深、樁基承載力確定及抗拔驗算、減小融沉措施等，從概念及計算原理上詳細闡明問題所在，對實際工程設計及施工具有比較重要的指導意義。

[1]凌治平，易經武.基礎工程[M].北京：人民交通出版社，1997.

[2]滿洪高，屈彥玲，胡振文.高原凍土地區橋梁基礎施工的研究[J].鐵道建筑，2003，（10）：54-56.

[3]呂玉梅，李世波，屈彥玲.凍土地區橋梁基礎施工[J].山西建筑，2007，33（23）：312-313.

[4]張國忠.凍土區橋梁旋挖鉆機灌注樁基施工[J].黑龍江交通科技，2012，（7）：113.