高寒地区桥梁灌注桩施工工艺研究

姜卫华

（新疆交通建设（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830016）

0 引言

新疆地区位于亚欧大陆中部，地势高、纬度高，该地区日温差及年温差较大，降雨稀少，属于典型的内陆气候。同时，新疆地区冬季干燥寒冷，夏季则极为炎热，不仅年温差较大，昼夜温差也较大。该地区属冻土类地基，气候、地理条件对基础施工控制提出了严格的要求。

目前，桥梁基础根据基桩施工方法不同，基本形式分为沉桩（预制桩）和灌注桩，两者施工方法的区别，不仅在于采用的机具和工艺过程的不同，而且将影响桩与桩周土接触边界处的状态，进而影响桩土间的共同作用性能。本文将着重介绍灌注桩的施工。

1 高寒区钻孔灌注桩的施工

高寒地区钻孔灌注桩的施工主要需考虑地基土因冻胀而引起的一系列问题，下文首先介绍地基冻胀土分类，然后阐述施工流程及施工中的注意事项。

1.1 冻土分类

季节性冻土地区桥梁桩基的破坏很多是由地基土冻胀造成的。由于水冻结成冰后体积增大约9%，造成冻土的体积膨胀。

冻土的分类也是按照冻胀变形量大小，结合其对建筑物的危害程度分为四类，以野外冻胀观测得出的冻胀系数为分类标准，计算公式如下：

式中：Δh——地面最大冻胀量，m；

z0——最大冻结深度，m。

在Kd＜1%、1%≤Kd＜3.5%、3.5%≤Kd＜6%、6%≤Kd＜13、Kd≥13时，分别为Ⅰ～Ⅴ类冻胀土，级别越高，冻胀变形及危害越大。

灌注桩是在现场地基中钻挖桩孔，然后浇筑钢筋混凝土或混凝土而成的桩。灌注桩可选择适当的钻具设备和施工方法，适用于各类地基土，并可做成较大直径以提高桩的承载力，避免预制桩打桩时对周围土体的挤压影响和振动及噪声对周围环境的影响。但在成桩过程中应采取相应的措施和方法保证孔壁的稳定并提高桩体的质量，尤其是在冻土地区。

1.2 高寒区钻孔灌注桩的施工流程

钻孔灌注桩施工需根据土质、桩径大小、入土深度和机具设备等条件选用适当的钻具和钻孔方法，以保证能顺利达到预计孔深，然后清孔、吊放钢筋笼架、灌注水下混凝土。

目前常采用的钻具有旋转钻、冲击钻和冲转钻三种类型，冻土区适宜采用第一种进行开挖作业。为稳固孔壁采用孔口埋设护筒和在孔内灌入粘土泥浆的方法，并使孔内液面高出孔外水位，以在孔内形成一向外的静压力而起到护壁、固壁作用。其主要施工工艺简要介绍如下。

1.2.1 准备工作

1.2.1.1 场地准备

施工前应将场地平整好，以便安装钻架进行钻孔。钻架位置应整平夯实，清除杂物。若支架安装在水中，需进行支架结构强度、刚度以及稳定性的验算。

1.2.1.2 埋置护筒

护筒作为固定桩位、保护孔口、防止孔口土层坍塌及隔离孔内外表层水的构件，需埋置稳固且准确。常用钢护筒及混凝土护筒如图1所示，护筒内径应比钻头直径稍大，旋转钻需增大0.1～0.2m。

图1 护筒示意图

1.2.1.3 制备泥浆

泥浆在钻孔中具有非常重要的作用，在孔内产生较大的悬浮液压力，防止坍孔。泥浆向孔外土层渗漏，在钻进过程中，由于钻头的活动，孔壁形成一层胶泥，具有护壁作用。

1.2.1.4 安装钻机式钻架

钻孔过程中，成孔中心必须对准桩位中心，钻架必须平稳，不发生位移、倾斜和沉陷。

1.2.2 钻孔

旋转钻进成孔，利用钻具的旋转切削土体钻进，在钻进的同时常采用循环泥浆的方法护壁排渣。

1.2.3 清孔及装吊钢筋骨架

清孔的目的是除去孔底沉淀的钻渣和泥浆，以保证灌注的钢筋混凝土质量及桩的承载力。常采用的清孔方法有抽浆清孔、掏渣清孔及换浆清孔等。

1.2.4 灌注水下混凝土

目前我国多采用直升导管法灌注水下混凝土。

1.3 冻土区灌注桩施工注意事项

冻土区灌注桩基存在冻土膨胀及承载力变化等问题，除严格按照计算进行外，还需在施工时注意以下几点：

a）桩基础施工方案的确定是施工的前提，在冻土区进行桥梁基础建设施工，应针对当地地质土层结构与气温变化规律进行严格勘测和分析，优化适用于冻土地区的施工工艺与材料；

b）选择具有冻土施工资质、经验丰富的施工技术人员，严格预测施工技术参数，尽量选用适于高寒冻土区工作的高效率施工机械；

c）旋挖钻机施工初期必须防止料筒升降时碰坏孔壁，旋挖钻机钻进过程中应严格控制钻进速度，避免造成孔壁坍塌、钻孔紧缩现象。卡钻埋钻是旋挖钻机最易发生的施工事故，施工过程中应采取有效措施加以预防和处理，最大程度提高冻土桥梁桩基础施工效益。

2 高寒冻土区灌注桩设计施工要点分析

2.1 考虑地基土冻胀影响基础最小埋深

地表实测冻胀量并不随冻深的增加按比例增大，当冻深达到一定深度后冻胀量将增加很少甚至不再随冻深增大，因为结合水的冻结，土中水的迁移需要一定的负温，而接近最大冻结深度处负温较小所以冻胀量也小。因此对有些冻胀土可将桥梁基础底面埋在冻结线以上某一深度，使基底下保留的季节性冻土层产生的膨胀量小于桥墩的容许变形值。基底最小埋置深度可用下式表达：

式中：z——桥位处标准冻深，采用地表无积雪和植被等覆盖条件下，多年实测最大冻深的平均值，无实测资料时可参考全国标准冻深线图结合调查确定（该图见《公桥基规》），m；

mt——标准冻结修正系数，表示上面结构物对冻深的影响；

hd——基底下容许残留冻土厚度，根据我国东北地区实测资料，结合静定结构桥涵特点，当为弱冻胀土时，hd=0.24z+0.031；当为Ⅲ类冻胀土时，hd=0.22z；当为强冻胀土时，hd=0，m。

2.2 冻土地基基桩承载力的确定

采取保持冻结原则时，多年冻土地基基桩轴向容许承载力由季节性融土的摩阻力F1（冬季则变成切向冻胀力）、多年冻土层内桩侧冻结力F2和桩尖反力R三部分组成。其中桩与桩侧土的冻结力常是承载力的主要部分。除通过试桩的静载试验外，单桩轴向容许承载力[P]（单位：kN）由下式计算：

式中：f——各季节融土层单位面积容许摩阻力，单位为kPa，粘性土为20kPa，砂性土为30kPa；

A1i——地面到人为上限间各融土层桩侧面积，m2；

τji——各多年冻土层在长期荷载和该土层月平均最高地温时单位面积容许冻结力，可以从各地基础设计规范或有关手册查用，kPa；

Azi——各多年冻土层与桩侧的冻结面积，m2；

m0——桩尖支承力折减系数，根据不同施工方法按m0＝0.5～0.9取值，钻孔插入桩由于桩底有不密实残留土则取小值；

A——桩底支承面积，m2。

2.3 多年冻土地区灌注桩基础抗拔验算

多年冻土地区，当季节融化层为冻胀土或强冻胀土时，基桩冻拔稳定验算公式如下：

式中：Qm——基础与多年冻土的长期冻结力，对基桩Qm=∑τjiAzi，kN；

N——作用桩顶竖向荷载，取结构恒载或施工中冬季最小恒载；

W——基桩自重；

k——安全系数；

T——冻土层（包括冰层）对桩的总冻拔力。

2.4 灌注桩防冻土融沉问题的解决措施

针对多年冻土区地基，应根据冻土的稳定状态和修筑结构物后地基地温、冻深等可能发生的变化，采取保持冻结原则或容许融化原则。当采取后者进行计算时，除满足融土地基承载力要求外，尚应满足结构物对沉降的要求。冻土地基总融沉量由两部分组成，一是冻土解冻后冰融化体积缩小和部分水在融化过程中被挤出土粒重新排列所产生下沉量；二是融化完成后，在土自重和恒载作用下产生的压缩下沉。最终沉降量计算如下：

式中：Ai——第i层冻土融化系数；

hi——第i层冻土厚度，m；

αi——第i层冻土压缩系数，由试验确定，kPa-1；

σci——第i层冻土中点处自重应力，kPa；

σpi——第i层冻土中点处结构物恒载附加应力，kPa。

计算融沉值作为基础设计依据，此外，还需满足以下措施以进一步控制融沉问题：

a）换填基底土：对采用融化原则计算的基底土可换填碎卵、砺石或者粗砂等，换填深度可达季节融化深度或到受压层深度；

b）选择好施工季节：采用保持冻结原则时，基础宜在冬季施工；采用融化原则时，最好在夏季施工；

c）注意隔热措施：采取保持冻结原则时，施工中注意保护地表上覆盖植被，或以保温性能较好的材料铺盖地表，减少热渗入量；施工和养护中，保证结构物周围排水通畅，防止地表水灌入基坑内；

d）如抗冻胀稳定性不够，可在季节融化层范围内，采取基础四侧换土或者改善基础表面平滑度的措施来保证稳定性。

3 结语

本文详细论述了高寒地区桥梁钻孔灌注桩施工工艺、高寒区冻胀土基础埋深、桩基承载力确定及抗拔验算、减小融沉措施等，从概念及计算原理上详细阐明问题所在，对实际工程设计及施工具有比较重要的指导意义。

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