桩基础在冻土地区施工问题探讨

桩基础在冻土地区施工问题探讨

翟建华

武威职业学院甘肃武威733000

摘要：冻土地区施工一个最大难题就是破坏其原始形态，冻土区桥梁桩基础施工亦是如此，施工中会以各种形式和路径给冻土引进一定的热量，这些热量在土层中传播到周围的多年冻土中,破坏冻土的稳定冻结状态。其中不可避免的就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，水化热会逐渐解冻地层，导致土层承载力降低，影响到桩基础的稳定性，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,能为施工工艺和施工方法提供理论依据，有很重要的实用价值。

关键词：高原冻土；桩基础；施工技术

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,土体中液相与固相相互转换，从而土体的体积产生收缩或者膨胀，称为冻土融沉冻胀现象。冻土地区土层在冻结过程中，水分冻结成冰，体积膨胀，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，冻土水分体积扩张产生内应力，内应力作用下孔隙水侵入推开土颗粒并冻结所产生的力,称为冻胀力。冻胀力扩散接触到基础表面，当建筑物的自重应力和附加应力不足以与之平衡时，结构物将在冻胀力的作用下产生冻胀变形,严重时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,不断产生融化下沉伴随着孔隙水的流逝，即为冻土融沉性，这个过程中冻土中的冰变成了水，整体体积减小，还有孔隙中的水随之流出土层，导致土体的孔隙比减小，这时候土体的承载力在双重作用下大大的降低，对工程而言是破坏性的。

2、冻土区桩基础施工技术

2.1施工准备

(1)进场前通过学习掌握冻土的基本机理、特性和力学性能，以及施工相应的规范和实施细则。

(2)桥梁施工前对设计文件进行系统研究核对，对桥梁所处的地质水文状况进行全面调查和核实，复杂地形还要加密勘察点位，确保勘察的准确度。

(3)尽可能施工最先进的机械设备和配套设备，并考虑到高原缺氧的施工环境，尽可能提高提高机器的工作效率。

(4)进行周密科学的施工组织设计，做好施工材料的采购和储备，施工机械的进出场安排等辅助工作。

(5)由于冻土地区的融沉冻胀情况，控制桩应该设置在相对稳定的基岩上，如果条件有限，尽量将控制点埋设在冻土层以下一定深度，埋置使用混凝土限位，周围回填粗粒土维护其稳定性。

2.2施工工艺和方法

(1)钻机选择:借鉴青藏铁路施工经验，在桩基施工时宜采用螺旋钻机开孔。

(2)施工准备:首先施工放线，定出桩基础的桩位，采用骑马桩快速恢复桩位。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。场地平整采用以填带挖，尽量减少开挖土地对原状土造成的扰动，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。护筒一般采用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;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。安放之前,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,应精密调整机架杆垂直、位置正确,防止钻杆在下沉过程中遇到软硬不均的地下土而发生晃动所引起桩孔增大及孔底虚土增多。

(5)螺旋钻机干法钻孔:护筒埋设完成后,进行正式钻进。螺旋钻机是利用螺旋叶片切削土体，顺时针旋入切削土体，逆时针旋出带出土体，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,干作业法不利于保护孔壁稳定性时，宜采用湿作业法。湿作业法相比于干作业法不同之处主要有以下几点

①泥浆拌制及废碴处理:泥浆护壁采用优质泥浆，采用制浆机制浆，存入特质的泥浆池中，以防发生不良反应。现场不仅有泥浆池还有沉淀池，串联并用。钻孔所需泥浆不得随意排放，尽可能考虑到环境的影响，正确的做法是将沉淀了的废渣和砂石装入翻斗泥浆车外运到设计制定的地点进行掩埋。

②钻孔:开钻时,缓慢的启动钻机，保证速度处于低档，钻至护筒下1m后,再以正常速度钻进。在钻进的过程中注意泥浆循环，及时将沉淀池中的废渣和砂石排除，保持泥浆的稠度。在钻进过程中随时注意土层变化，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,进行检查确认钻机到位后，停止钻进并及时清孔，清孔采用换浆法，此时将钻头提起一定高度，钻头不停转动，泥浆循环继续进行，不得采用钻深设计标高代替清孔的方法进行清孔。

④检孔:成孔以后要进行检孔，对钻孔的孔深、孔径及孔底质量情况等关键参数进行检查，最后采用笼式探孔器整体对孔的外形进行检查。

(7)钢筋笼制作与安装:钢筋笼的焊接对于低温高寒地区是不小的考验，基本上应符合以下要求：钢筋的接长采用闪光对焊中的预热闪光对焊或闪光→预热→闪光焊工艺。当断面不够平整时采用预热闪光，一定要将钢筋头休整平直，然后加压顶锻形成坚固的钢筋接头。

针对冻土区桥梁桩基施工,要很大程度上借鉴青藏线路上采用的改变消极被动保护冻土的措施，而是积极主动的采用保护冻土措施，当地居民采用的建筑物地下埋设通风管、抛石护坡与碎块石互层通风管等方法，在某些地区使用液态氮热棒保护冻土路基稳定性。因此,主动的地温调控技术作为保护冻土路基的措施是一条可行的方法,可以不同程度的在寒区工程建设中使用。

参考文献：

[1]马巍.多年冻土区铁路路基热状况对工程扰动及气候变化的响应[J].中国科学.2013

[2]冻融作用对超固结土强度的影响[J].齐吉琳,马巍.岩土工程学报.2010

[3]张泽平，土木工程施工[M].天津科学技术出版社.2014