嚴寒地區凍土層對樁基承載力影響分析與應用

廖福興

(中鐵十三局集團第四工程有限公司)

1 工程概況

1.1 試樁設計參數

扎龍特大橋工程試驗樁共設計3組，布置及相關參數詳見下表1。

表1 試驗樁設計參數

1.2 地質條件

試驗樁位置位于扎龍濕地保護區，地形平坦開闊，試樁地層為濕地區域，巖性為黏土、粉質黏土、粘土、粉質粘土、粉砂、中砂。

1.3 氣候條件

所處地區屬于嚴寒氣候地區，極端最低氣溫-43℃，近年最冷1月份多數在-34℃。土壤最大凍結深度為2.72m。

2 試驗樁施工方案

2.1 基本情況

試驗樁位置:選取兩墩間的場地作為鉆孔樁試樁位置，試驗樁設在橋位的施工便道外側，距即有線距離約為15～45m。鉆機選擇為旋挖鉆機和反循環旋轉鉆機。鉆孔泥漿采用由水、膨潤土按比例配制而成。

2.2 試驗樁的設計

按照錨固樁加力架法，設計每組試驗樁共11根，其中試驗樁3根，錨樁8根。鉆孔樁樁徑Φ1.00m，樁身采用C30混凝土，樁帽采用C35混凝土。試驗樁及錨樁采用鉆孔灌注樁。

2.3 試樁目的

(1)測定單樁豎向荷載作用下的荷載和變形。(2)測定樁的分層側阻力和端阻力。(3)檢驗成樁工藝及質量控制。

3 現場施工與檢測

3.1 試驗樁位置及參數

第一組試驗樁位于中心里程DK223+411.70處，設計試驗樁共3根，錨樁8根。鉆孔樁樁徑Φ1.00m，樁長47m，試驗樁單樁設計承載力3626.32kN，單樁容許承載力3997.00kN。樁身采用C30混凝土。

3.2 施工方案

本組試樁采用旋挖鉆機成孔，導管法灌注水下混凝土的施工方案。按冬季施工實施，采取冬季施工措施。

3.3 樁身質量檢測

樁的完整性良好，樁身質量合格。

2010年3月29日，經北京鐵五院檢測中心進行低應變檢測，3根試驗樁，都是Ⅰ類樁，樁的完整性良好，樁身質量合格。

3.4 單樁豎向抗壓靜載荷試驗

(1)單樁豎向抗壓靜載試驗的基本原理

單樁豎向抗壓靜載試驗，是一種原位測試方法，其基本原理是將豎向荷載均勻地傳遞到樁基上，通過實測單樁在不同荷載作用下的樁頂沉降，得到靜載試驗的Q-S曲線及S-lgt等輔助曲線，然后根據曲線推求單樁豎向抗壓極限承載力等參數;根據安裝于樁身側面及樁底的測試儀測定樁的分層極限摩阻力和極限端阻力值。

本實驗采用錨樁反力梁法，采用4錨1試?；鶞柿河蓛筛?m長型號15b的工字鋼組成。

(2)單樁豎向抗壓極限承載力的確定

①根據沉降隨荷載變化的特征確定。對于陡型Q-S曲線，取其發生明顯陡降的起始點所對應的荷載值。

②根據沉降隨時間變化的特征確定。取s-lgt曲線尾部出現明顯向下彎曲的前一級荷載值。當在某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的2倍，且24h尚未達到穩定標準時，取前一級荷載值。最后，編制單樁豎向抗壓靜載試驗荷載-沉降匯總表，繪制有關試驗曲線，繪制樁身軸力分布圖，計算不同土層的分層側摩阻力和端阻力值，最后確定單樁豎向抗壓極限荷載。

4 試驗結果與分析

4.1 試驗結果

2010年4月22～27日，北京鐵五院檢測中心對3根試驗樁進行了單樁豎向抗壓靜載荷試驗，試驗結果見表2。

表2 單樁豎向抗壓靜載荷試驗

4.2 對極限承載力不能滿足設計要求的樁的處理方案

(1)選取一根工程本體樁進行靜載試驗檢測。

(2)在試樁位置另一側，利用既有的錨樁，翻邊加倍再做4根試驗樁，6根錨樁，擴大抽檢數量。

4.3 影響因素分析

寒區凍層土段的樁基側阻力受影響較大。

第一組試樁施工時間為2010年1月29日至2010年2月7日。

試樁檢測時間為4月22日至5月10日，正處于北方的冰凍融化期。在季節凍深范圍內，當試驗過程中凍土被破壞后，減小了摩阻力，必然對試驗樁承載力產生影響，一般磨擦樁，承載力以樁周土摩阻力為主，樁基靜載檢測實測數據充分說明了這一點。

4.3.1 實測樁身分層極限摩阻力分析

冬季施工的第一組試樁實測樁身分層極限摩阻力值在21～60kPa之間，平均值為41.7kPa。而在相同位置，夏季施工的翻邊試樁實測樁身分層極限摩阻力值在35～85kPa之間，平均值為64.8kPa。夏季施工檢測與冬季施工檢測時實測樁身分層極限摩阻力值相差23.1kPa。

表3 第一組試驗樁(冬季施工)樁身分層極限摩阻力表

表4 復核試樁(夏季施工)樁身分層極限摩阻力表

4.3.2 凍層段因受力突然破壞，影響檢測數據值

試樁檢測時間，正處于北方的冰凍融化期，對于非凍層部分，凍層部分形成一個硬蓋，當受力到一定程度會突然破壞，試驗過程中凍土層被破壞后，會喪失摩阻力。在試驗荷載持續作用下，摩阻力的突然喪失，會造成樁的受力瞬間減少，沉降量突然加大，超出檢測允許變化量差，影響檢測結果判斷。

5 結束語

通過驗試樁施工和檢測，驗證了設計參數，總結了施工工藝，確定了施工參數，對全橋鉆孔樁施工具有指導意義。

但樁基的側摩阻力在遇到冬季凍層段時有所降低，影響樁基承載力，是在冬季進行樁基靜載試驗檢測時需要充分考慮的因素。