樁筏在島狀凍土路基應用的可行性探究

張 冬 何東坡

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

所謂凍土，是指在0 ℃以下，冰與巖土的混合物。在凍土路基上修筑的道路，若不采用工程措施，凍土路基常會發(fā)生凍脹融沉而引發(fā)一系列路面病害問題，然而采取了一定的工程措施，也有很多達不到預期目標，如中國東北島狀凍土區(qū)，依然會發(fā)生很多道路病害，為了保護凍土路基上的工程質量，仍需對凍土路基的處理方法不斷進行探究。通常情況下，依據凍土的連續(xù)性，可分為連續(xù)凍土和島狀凍土。連續(xù)性凍土多分布在我國海拔較高的青藏高原地區(qū)，島狀凍土多分布在高緯高寒地區(qū)，如我國的大小興安嶺地區(qū)。我國東北地區(qū)島狀凍土的含冰量高、凍土層厚、地溫高、退化明顯、熱穩(wěn)定性差，因此與其他地區(qū)相比其受工程建設擾動更為敏感，施工建設難度更大。這里主要針對我國東北島狀凍土區(qū)提出采用樁筏的處理措施，來最大程度地解決島狀凍土區(qū)路基的凍脹融沉難題。

1 凍土區(qū)路基的凍脹融沉原理

凍土的凍脹融沉程度主要是由凍土的含水量以及土體顆粒組成決定，粉砂、粉土、黏土類型的凍土地基更容易出現凍脹融沉，引發(fā)各種路面病害[1]。

1.1 凍土的凍脹性

碎石土，礫，粗、中、細沙不考慮土體的凍脹類別，對于粉砂和黏性土根據其含水量不同有可能判定為凍脹或者強凍脹[2，3]。土體的凍脹主要與毛細水有關，毛細水從水源處沿土體空隙上升，而毛細水的上升高度，隨著空隙減小，上升高度越大，粗砂的理論毛細上升高度為2 cm與4 cm之間，而黏土理論毛細上升高度在5 m和6 m之間[4]。毛細水一旦結冰會形成冰核，會不斷從周圍匯集水分，冰核會慢慢變大，使土體變大，出現凍脹現象。凍土路基一旦處理不當，很容易出現凍脹現象。

1.2 凍土的融沉性

碎石土，礫，粗、中砂(粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不大于15%)，考慮含水量不同只劃分為不融沉和弱融沉，一般可作為持力層。碎石土，礫，粗、中砂中粒徑小于0.075 mm的顆粒含量大于15%時，當含水量不小于15%時可評定為融沉或者強融沉，粉砂、細沙、黏土當含水量過多時，也可評定為融沉或者強融沉，含冰土層則直接評定為融陷。凍土的強度主要由冰和土體顆粒共同承擔，一旦凍土出現融化，整個凍土強度都會呈現不同程度的下降，土體顆粒越細，原有含水量越大，土體中各顆粒更容易被冰晶或冰塊所分隔，不能直接相互嵌鎖形成有效的土體強度，凍土強度會下降得很快，更容易出現融沉現象，顆粒越大，土顆粒越有可能形成空間骨架，冰顆粒融化后，凍土的強度可以由土體承擔，強度下降有限，有可能出現弱融沉或者不融沉。

2 樁筏在島狀凍土區(qū)路基的應用

2.1 樁筏提出的工程背景

國道京漠公路樟嶺(塔漠界)至西林吉段A1合同段地處大興安嶺地區(qū)漠河縣內，沿線多為島狀多年凍土區(qū)，凍土類型有少冰凍土、多冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土及含土冰層。為保證路基穩(wěn)定，綜合地質勘察部門的建議，提出了島狀多年凍土區(qū)公路地基處理技術—樁筏處理措施。

2.2 樁筏的整體結構布置

樁筏的整體結構設計形式為筏板+樁基+混凝土墊層+EPS板+砂礫褥墊層，其中筏板與樁基整體澆筑，為方便施工，EPS板下鋪設砂礫褥墊找平層。設計時可通過設定筏板厚度，選取若干組樁徑、樁距組合，通過造價來最終確定樁長樁距組合。首先應根據地質勘察資料，確定樁基持力層，即確定樁長，同時確定樁基端阻參數。選取樁徑，進行單樁承載力特征值的預估，根據上部受力，確定樁數和樁距。由樁數和樁長計算出所需樁的總長度，根據市場調研的樁長每延米的單價估算出總造價，最終確定出滿足承載力需要又相對節(jié)約成本的樁徑和樁距的組合。國道京漠公路K409+300～K409+400段島狀凍土區(qū)樁筏給出建議值為35 cm筏板+PHC-400AB(95)預應力空心管樁+10 cm混凝土墊層+10 cm EPS板+砂礫褥墊層。

2.3 樁筏解決凍土路基凍脹融沉的原理

針對凍土路基的凍脹問題，樁筏體系在設計時，筏板底部會鋪設一層EPS板，EPS板的彈性模量可以相對較低。EPS板可以起到三方面的作用：一是具有保溫作用，減少上部溫度向下的傳遞，可以盡量保護筏板底部的凍土維持原狀，減少融沉量，施工時選擇的時機應為低溫時期，更容易保護凍土的穩(wěn)定[5]；二是可以減少可能的水分匯集，提前占據水分空間，減少可能的凍脹量；三是EPS板可以提供凍土凍脹時的變形空間，使凍土的凍脹應力得到釋放，起到保護筏板的作用，解決凍脹的問題。

針對凍土路基的融沉問題，樁筏體系在設計時，樁與筏板之間不設置褥墊層，直接相連，上部荷載全部由樁筏承擔。上部荷載首先會傳遞到筏板上，經由筏板傳遞到樁基礎，再由樁基礎傳遞到持力層[6]。樁筏體系不是復合地基，之間不需要進行剛度調和，因此在筏板和樁基之間可以不設置褥墊層。樁筏體系原則上不需要筏板底部的凍土分擔上部荷載，僅由樁基受力，但在凍土未融沉前，凍土也會分擔部分荷載，可以改善筏板受力狀態(tài)，偏于安全。一旦筏板底面下的凍土出現融沉現象，不會對路面造成影響，從而從力學的角度解決了凍土路基的融沉問題。

2.4 樁筏應用推廣的優(yōu)勢

樁筏體系能夠在理論上很好地解決凍土路基的凍脹融沉問題，在實際推廣中也具有一定的優(yōu)勢：

1)具備更好的處理效果，相對于換填路基，在凍土路基的實際施工中，季節(jié)性凍土常常下接多年凍土，多年凍土的深度一般比較深，凍土路基難以換填徹底，凍土路基換填材料一般為砂礫或碎石，雖然不再容易發(fā)生凍脹，但當凍土路基受到外界擾動，凍土退化時，很容易再次引發(fā)凍土路基的融沉，從而使路面出現不均勻沉降，呈現波浪形，而樁筏處理的凍土路基，樁基進入凍土層深度一般較深，當巖基較淺時，有可能入巖，受到凍土退化的影響較小，甚至不受凍土退化的影響。2)節(jié)約施工空間，在換填凍土的道路施工時，凍土很難長距離運輸，往往堆放在道基兩側，占用多余的空間，破壞當地植被，后期往往需要植被恢復，樁筏體系的作業(yè)空間只在道路路基范圍內即可。3)適用的凍土深度更廣泛，凍土路基的一般處理，處理凍深小于6 m換填，大于6 m架設凍土橋，凍土橋的成本較高，換填路基較深，增加施工難度和施工成本，樁筏體系的注重點為持力層的選取，持力層依據實際情況可深可淺，適用的凍土深度更廣泛，持力層的深度越深，成本會相對增加，但其成本一般會小于凍土橋，考慮到后期運營維護，其成本也可能會低于換填路基。如果需處理凍土較淺，則直接換填，當需處理凍土深度較深，架設凍土橋又成本過高時，此時選用樁筏結構會更為合適，因此推薦需要處理凍土深度在6 m附近時選擇樁筏結構，綜合經濟性5 m～8 m為宜，其他處理深度視情況也可采用。

3 結論

1)通過凍土的凍脹融沉性分析可以發(fā)現：碎石土,礫,粗、中砂為良好的凍土地基填料，可以有效減少凍土路基的凍脹融沉量，而粉砂、粉土、黏土類型凍土地基為不良地基，更容易出現凍脹融沉，需要進行處理。2)通過對島狀凍土區(qū)地基樁筏的結構分析，提出了島狀凍土區(qū)樁筏的結構形式為筏板+樁基+混凝土墊層+EPS板+砂礫褥墊層。3)通過樁筏解決島狀凍土凍脹融沉分析，可以得出樁筏結構能夠很好的解決凍土路基的凍脹融沉問題，值得推廣。4)樁筏在實際推廣應用過程中，推薦處理深度為6 m左右，建議范圍為5 m～8 m為宜。