淺談凍土區樁基回凍過程對單樁承載力和橋梁施工的影響

□文 梟

我國的凍土區域總面積達到了210萬平方公里，約占國土面積的23%。凍土區指的是含有冰的土(巖)，土地凍結狀態持續二年或以上就形成多年凍土區域。而我國的北方地區冬季寒冷，凍土區域也主要集中于此。過去，這些區域由于氣候惡劣，常駐人口較少。隨著我國人口的不斷增加和生產生活區域的擴大，凍土區的工程建設開始大規模開展，尤其是交通網絡向凍土區域的鋪設，使得越來越多的橋梁工程項目面臨著凍土區單樁基礎施工的新考驗。同時，由于地球環境近年來逐漸變暖，對于凍土區造成的回凍過程使得該地區的地質情況越來越復雜，凍土區樁基回凍過程對單樁承載力和橋梁施工的影響已成為該區域橋梁施工的重要難點。

一、樁基礎概述

自遠古時代人類的祖先掌握房屋等建筑的建造方法開始，樁基礎就成為人類建筑史中最重要的部分。最高的樁基主要來自于天然樹林中已長成材的高大、粗壯的木材，它們承載著整個建筑物的重量，保持了建筑物的穩定性，使其沉降量降低而且均勻。由于樁基的以上優點，在各種建筑工程中已普遍使用。時至近現代，在科學技術的推動下，樁基礎的材料、種類、形式都發生了巨大的變化，由此也使得相關的施工工藝和設備全面更新，設計計算理論和方法更為科學性，樁基礎的試驗和檢測方法也隨之發生了改變。樁基礎在橋梁建設工程中的使用非常普遍，由于近現代交通網絡的快速發展，樁基礎已成為橋梁工程建設中最重要的部分之一。

(一)橋梁樁基礎分類。橋梁樁基礎的分類主要是由其承載性狀決定的，樁頂荷載主要由樁側阻力承受且需考慮樁端阻力的摩擦樁，樁頂荷載主要由樁端阻力承受且需考慮樁側阻力的端承樁。端承樁又可細分為嵌巖樁和非嵌巖樁。

(二)單樁軸向荷載的傳遞機理。橋梁整體承載力的基礎取決于橋梁樁基礎的單樁承載力，在對施加于樁頂的豎向荷載如可通過相互作用進行荷載傳遞到達地基、并對荷載力進行計算，可以了解單樁承載力能夠達到怎樣的極限狀態。對于單樁軸向荷載傳遞機理的了解主要從以下三個方面入手。

1.了解樁的荷載傳遞。樁基單樁的樁身材料會在豎向荷載作用下發生彈性壓縮變形，由此造成樁與樁側土之間的相對位移，并形成樁側土對樁身產生向上的樁側摩阻力。當樁側的摩阻力不足時，由橋梁重量造成的豎向荷載無法被橋梁樁基礎的單樁消耗，就會導到部分豎向荷載傳遞到樁底，這部分荷載會直接導致樁底持力層的壓縮變形，使樁底土會對樁端產生阻力。由此就形成了樁側摩阻力和樁端阻力，樁將荷載傳遞給土體。

2.樁側負摩阻力。由于復雜的地質原因，可能會出現樁側土體的下沉。在樁側土體下沉時，還會造成樁側土相對于樁產生向下的位移，出現這一現象的原因是樁側土體變形量大于相應深度處樁的下沉量，由此產生了土體對樁向下的摩擦力，即負摩阻力。這種力對于橋梁樁基礎的單樁本身會造成極其不利的影響，可以對其產生一股強大的向下拉荷載，由此會直接導致橋梁樁基礎的單樁承載力下降，當這種力導致橋梁樁基礎的單樁沉降過量時，就會造成對整個橋梁結構的破壞。

3.樁的阻力影響因素。橋梁樁基礎的單樁的樁側阻力和樁端阻力能發揮到什么程度，取決于在豎向荷載的作用下多種因素的共同作用，同時兩種阻力還會形成相到的影響。當然，這兩種阻力并不會同時發生，也不會同時到達極限。就相關研究發現，樁端阻力的發揮往往滯后于樁側阻力，同時其充分發揮所需的樁側位移值比樁側摩阻力達到極限所需的樁身截面位移大的多。樁端阻力的發揮程度取決于樁端土的性質、樁的類型和施工方法等因素的共同作用。

二、凍土區橋梁單樁基礎地基回凍過程研究的意義

據近一個世紀的氣象觀測發現，全球的氣溫正在不斷攀升，氣象學家預測，這一趨勢還將繼續保持，預計未來50年，全球氣溫還將再上升2℃，由此將對地球環境造成非常大的影響。我國北方廣大的凍土區因氣溫上升出現凍土回凍過程，凍土上限出現下降，這對于該地區橋梁單樁承載力造成了嚴重危害。同時，由于橋梁樁基周圍土壤在暖季融沉的問題，還會使樁體負摩阻力增長，導致樁頂變形增大。而由暖季進入寒季的過程中層樁側切向凍脹力的增大，又回造成樁基凍拔變形，破壞橋梁上部結構的穩定性。因此，從施工技術及工藝角度減小因凍土區回凍過程造成的對工程建筑結構的危害是保證工程質量和使用壽命的關鍵。

三、凍土地基的工程特性分析

(一)凍脹性。凍土區地質情況的變化受氣溫變化影響較大，溫度高低變化會使土體中的水分產生相變，導致土壤體積相應的膨脹或收縮。土壤在氣溫下降時其中的水分會冰結成冰并對土壤體積產生影響發生膨脹，這種現象被稱為凍脹；土壤在氣溫上升時會發生收縮，這種現象被稱為融化。凍脹與融化對于橋梁樁基都會產生影響，但相對而言凍脹的破壞性更大。凍土地基發生凍脹的程度與土體的含水量、土壤顆粒的粒徑、土體的密度、樁基的埋深等因素有著密切聯系。

(二)凍脹力。凍土區土壤在凍結過程中，處于在封閉土體中的水分結冰擴張從而產生內應力，而處于開放環境中的水分沿土壤孔隙侵入土體，凍結形成凍脹力。在橋梁樁基建設中，凍脹力對樁基表面形成作用力時，會導致橋梁結構的重量與附加荷載之間的平衡被破壞，使得橋梁樁基產生凍脹變形，就會對橋梁結構的整體穩定性形成影響。凍脹力可分為三個類型：切向凍脹力、水平凍脹力、法向凍脹力。切向凍脹力的特點是對基礎側表現出平均作用的力量，這種凍脹力較為普遍，是橋梁基樁所承受的作用力中主要的力系之一，在凍土區橋梁工程的施工中必然會遇到，因此從工程設計階段就需要充分考慮切向凍脹力對橋梁樁基造成上拔變形等病害的問題。水平凍脹力的特點是對橋梁樁基表面產生的水平作用力。法向凍脹力的特點則是對橋梁樁基底面垂直作用的力。

(三)融沉性。凍土融化會使其密度發生改變，形成一系列的孔隙水消融現象，這種現象被稱為凍土融沉性。在這個過程中，冰化為水時體積會減少，并形成孔隙水的消散和排泄，使土體的孔隙比減少。同時，除了土體水分體積的變化，孔隙水的消散與排泄、孔隙比減小，凍土的融沉性與凍土的粒度成分以及其含冰量的密度等因素也會作用于橋梁樁基，使其結構穩定性發生改變。因此在橋梁樁基施工時必需采取一系列手段控制土體孔隙水及含冰量密度。

四、樁基回凍過程對單樁承載力和橋梁施工的影響分析

隨著近年來基礎建設工程的不斷增多，凍土區樁基回凍過程對橋梁施工的影響日益困擾到了相關技術人員及施工人員。針對此類問題的分析也越來越深入，基于計算機及網絡技術的計算模型及基本假設分析方法在相關工作中的應用，成功推動了凍土區樁基回凍過程對單樁承載力和橋梁施工影響分析的進程，為橋梁工程項目在凍土區的順利開展奠定了良好的基礎。

(一)模型設置重點。在針對凍土區樁基回凍過程對單樁承載力和橋梁施工的影響分析中，以西北部高原環境某地段的橋梁樁基鉆孔灌注樁施工為研究對象，結合工程所在區域的自然環境為依據，建立相應的凍土模型，對于凍土模塊的控制和優化，混凝土入模模塊具有一定的優勢。在模型中，需要加入凍土的水化熱情況，并對凍土下線進行試驗性計算模塊，以保證對混凝土入模初期水化程度的控制，從而優化其放熱程度，最終獲得適應于目前階段橋梁的樁基施工需求，保證施工質量，確保橋梁的單樁承載力足以達到設計要求。在低溫條件下，早強混凝土水泥的水化放熱速度與傳熱速度相比要快得多，處理這種情況可以在澆注初期對混凝土進行絕熱溫升處理，并將混凝土的初始溫度作為混凝土的絕熱溫升的溫度體現在模型計算中。混凝土的特性決定了其在入模后的7～12d進入主要放熱過程，這個時間段內混凝土會釋放出絕大部分水化熱的能量，表現為混凝土溫度的快速升高。將這一現象作為混凝土的絕熱溫升的初始條件，可以通過計算得到比較準確的混凝土達到齡期(28d)后的強度。

在計算模塊中，鉆機的選擇也非常重要。針對工程施工要求，在施工過程中引入模塊計算，可以不斷優化樁基施工模塊的鉆機及其鉆孔模塊的工作，這就對施工準備工作提出更高的要求。另外，在測量放樣模塊部分，還需要對樁體樁位、樁體的縱橫比等數據進行嚴格控制，使樁體前后左右的設置符合設計需求。此外，在施工過程中，還需要隨時檢測樁中心和標高變化情況。以填代挖的施工方法更有利于鉆孔場地的布置，這樣可以減少因對原地表開挖引起的熱擾動。將聚苯乙烯泡沫塑料隔熱板鋪設于鉆機底座下發動機散熱部分，可有效減少鉆機對地基土的熱侵入。

(二)工作模塊建立。在北方凍土區開展橋梁樁基施工，護筒模塊的應用是工作模塊中必不可少的。為了保證樁基施工時日常鉆孔作業順利展開，對于凍土及其樁基的控制是工程必不可少的工作，應采取有效措施進行處理。另外，對凍土上限的深度控制是優化護筒埋入操作的重點。需要進行優化的還有表面親水程度，這些優化手段對于保證護筒控制的需要具有非常重要的意義。在處理護筒優化工作的同時，對于鉆機控制模塊的優化工作也需要引起重視。一是在鉆機就位方面，其自帶的自動系統可以完成，在鉆孔前需要對鉆機架桿的位置進行調整，保證鉆機的垂直，控制鉆桿使其不晃動，以免因鉆桿晃動引起擴大孔徑及增加孔底虛土；二是在護筒埋設完成后采用旋挖鉆機干法工藝進行鉆孔，通過鉆桿頂的液壓馬達對旋挖鉆頭施加向下的壓力，使鉆頭進入土體，以旋轉切入的方式將土體擠入料頭并帶出土體，將其裝入自卸汽車。施工過程中，需特別注意施工現場的地質情況，有針對性地選擇不同的鉆頭進行施工，可有效提高施工進度。

(三)濕法作業模塊的利用。目前，凍土區橋梁樁基施工采用濕法作業是比較常見的現象。之所以這樣是因為濕法作業對于保證孔壁的穩定性更有利，而干法作業是不能進行孔壁的穩定性的控制的。因此，在工作模塊中，濕法作業模塊的重要性體現出來，在干法作業的基礎上優化濕法作業模塊，尤其是對相關作業流程中的泥漿攪拌模塊及其相關模塊進行優化調整，在制漿機制漿模塊中可通過選擇優質粘土進行優化，經過優化后的工作模塊可以幫助鉆機在鉆孔樁泥漿排入方面提升更好的效果。在這一工作流程中，排出的泥漿不能隨意處理，需在現場安排一個泥漿池、一個沉淀池，并相互串聯并用。鉆孔過程產生的沉淀廢碴由人工裝上運輸車輛運至指定地點后再進行傾倒。

對于鉆孔控制模塊的設置，在凍土地區橋梁樁基回凍過程單樁承載力和橋梁施工的推進非常重要，需保證鉆進的速度。泥漿循環模塊的優化需要對施工土層變化情況進行分析，以保證其相關沉降模塊的優化，針對不同土層，應采取不同的鉆速、鉆壓，泥漿比重的控制也非常重要，應用換漿法對于進模塊及其清孔模塊的優化具有重要意義。

鋼筋籠制作與安裝：在低溫條件下對鋼筋籠進行制作與安裝，需要結合凍土區特殊的環境特點，相關工作分加工、焊接、安裝三個步驟，其中鋼筋接長采用預熱閃光對焊或閃光→預熱→閃光焊工藝的施工流程要求。

五、凍土區樁基礎施工技術

(一)施工準備。第一，針對凍土區的情況，對凍土知識進行細致的了解，并制定相應的規范、細則，保證施工人員對現場施工條件充分了解；第二，對橋梁工程設計文件進行深入分析，明確各項參數信息，同時實地調查核實橋梁位置的地質情況，如在施工過程中發現問題還可進行補充勘探；第三，做好施工需要的機械設備的選型和配套工作，選擇施工機械時必需考慮到施工現場的自然環境，選擇高效且適應凍土環境的機械；第四，結合施工進度計劃，將施工材料的采購和儲備與施工進度處于同步狀態；第五，通過對橋梁樁基施工區域的土層、基層數據的研究，采用混凝土包裹防護，如果由于施工時間出現跨凍融季節的情況，在埋入凍土層時就需要將埋深擴大到高于2倍的天然上限，同時在樁周回填粗粒土，防止因凍融引起樁位變動。

(二)施工工藝和方法。

1.鉆機選擇。經過長期的實踐經驗積累，發現旋挖鉆機成孔是最適應于凍土區橋梁樁基施工的鉆孔技術，因此可選擇旋挖鉆機進行相關施工。

2.施工準備。首先測量放樣，確定各基礎樁的樁位。樁的縱橫偏差需控制在≤±5cm范圍內，并在施工點周圍設置護樁。采用以填代挖的方法進行鉆孔場地布置，在鉆機底座下發動機散熱部分可以用聚苯乙烯泡沫塑料隔熱板進行鋪設，這樣做可以有效減少地表施工對地基土的熱擾動和熱侵入。

3.埋設護筒。除了對護筒的孔口進行鉆孔作業的正常保護外，還要對凍土樁基礎抗拔力載體造成的影響采取有效防治措施。在護筒被埋入凍土之前，可在其表面涂上渣油，目的是減少護筒外表面的親水程度，在成樁后并不拆除護筒，這樣做可以使凍土對樁基礎上拔力有效減少。護筒的制作材料厚度為5～6mm的鋼板，卷制時需保證護筒內徑比樁徑大15～20cm，在多年凍土地區護筒埋至凍土上限以下≥0.5m；在護筒外涂上渣油后，對其埋設方法也要進行相應的調整。在施工過程中，如可確定施工環境沒有地表水積存問題，土體的穩定性也較好，就可以用一個比護筒略大一級的螺旋鉆頭施鉆至凍土上限以下>0.5m深度，孔鉆好后放入護筒，用渣油拌制的粗粒土回填，密實護筒外側與孔壁所形成的空隙。

4.鉆機就位。利用鉆機的自動系統使鉆機就位，調整好架桿的位置和垂直度。

5.旋挖鉆機干法鉆孔。正式鉆進時，根據施工現場的自然環境和地質情況，選擇相應的鉆頭采用旋挖鉆進的方式進行鉆孔。

6.濕法作業。如施工區域的地質條件結合了粘性土、砂類土、碎石類處于地下水位以下等情況時，干法作業是無法保證孔壁穩定性的，濕法作業是最佳的操作方法，此時需對作業流程做以下調整。

(1)泥漿拌制及廢碴處理。施工現場所用泥漿需各設置一個能夠串聯并用的泥漿池和沉淀池，采用制漿機制漿，存入鋼制泥漿池中。鉆孔樁附近不得挖坑作泥漿池，所需泥漿不得隨意就地排放。鉆孔過程產生的沉淀廢碴需運出施工場地。

(2)鉆孔。先以低檔慢速進行鉆進，到達至護筒下1m后，再以正常速度鉆進。土層的變化是決定鉆速、鉆壓的重要指標，應對土層情況進行及時了解，以及時調整相關數據。

(3)清孔。到鉆進深度達到標高后，停止鉆進采用換漿法進行清孔，此時需將鉆具提升30cm保持鉆頭不停轉動，以轉動的離心力將孔內的泥漿帶出，即可達到清孔目的。

(4)檢孔。檢孔工作在成孔過程中和灌注混凝土之前需不斷進行，檢查的主要數據包括孔深、孔徑及孔底質量情況。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。以鋼筋接長采用預熱閃光對焊或閃光——預熱——閃光焊工藝完成鋼筋籠的加工、焊接、安裝。

六、結語

橋梁樁基對于橋梁工程來說是重要的基礎，其單樁承載力決定了橋梁的整體承載力。交通網絡的快速發展使得越來越多的橋梁工程在自然環境惡劣、地質條件復雜的地區開展，凍土區就是其中最具挑戰性的區域。隨著相關研究的不斷深入，相信這些問題會得到有效解決，使我國的橋梁建設技術更上一層樓。