樁位融凍法在柔性樁復(fù)合地基冬季施工中的應(yīng)用

【摘要】在柔性復(fù)合地基的冬季施工中，由于凍土層的存在，造成施工難度增大，成孔機(jī)械在突破凍土層開口時，進(jìn)展緩慢。直接開孔能耗比較大，藁城新民居的復(fù)合地基處理采用夯實水泥土樁形式在冬季施工中采取了樁位融凍法，成功消除了凍土層對施工的影響，提高了施工效率，并節(jié)約了工程成本。

【關(guān)鍵詞】夯實水泥土樁 冬季施工 樁位加熱

工程概況

藁城新民居工程中有多層住宅樓為31棟，地基處理采用夯實水泥土樁復(fù)合地基處理。根據(jù)業(yè)主的工期整體安排，要求春節(jié)前至少完成16棟樓的地基處理，來年開春后為主體施工單位創(chuàng)造條件。因此地基處理工程于2010年12月下旬開工，由于氣溫很低基礎(chǔ)開槽后槽底很快凍結(jié)，凍土層逐漸加厚達(dá)到40cm。夯實水泥土樁的成孔機(jī)械為長螺旋鉆機(jī)和機(jī)械洛陽鏟，直接在在樁位上進(jìn)行鉆空作業(yè)，難度極大，耗電量很大，僅開口突破凍土層就需要30min以上，施工效率很低。原來解決凍土層對施工影響時，采取方法是對基坑進(jìn)行覆蓋防凍措施，在開槽后立即進(jìn)行覆蓋草簾；或者對樁位的凍土層進(jìn)行破碎，然后再進(jìn)行鉆孔成樁。這兩種方法的成本比較高，同時施工效率也很低。選擇合適的方法來處理樁位的凍土層對提高施工效率和降低施工成本非常關(guān)鍵。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]顯示和以往的試驗表明水泥土樁在低溫時樁體沒有強(qiáng)度，樁體強(qiáng)度隨著溫度的回升而增長，不會發(fā)生凍脹效應(yīng)。因此樁體所需的土料在成樁施工過程中不受凍，在水泥土樁成樁后低溫對水泥土樁沒有危害，只是樁體強(qiáng)度很低而已。隨著大氣溫度的回升后水泥土樁強(qiáng)度逐漸上升，在樁身強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后，再進(jìn)行樁頭清理和褥墊層的施工作業(yè)，復(fù)合地基承載力完全可以滿足施工技術(shù)規(guī)范和設(shè)計要求。

解決凍土層對施工的影響常見的方法有：火烤法、電極加熱、破碎凍土層和槽底覆蓋防凍四種工藝。經(jīng)過分析比較，我們認(rèn)為采取對原樁位的融凍法處理較經(jīng)濟(jì)合理，在技術(shù)上具有可操作性。

文獻(xiàn)[3]對于融凍法處理凍土層常規(guī)工藝為火烤法和電極加熱兩種工藝，由于本項目的工程量比較大，夯實水泥土樁在冬季施工完成數(shù)量約10000根，必須解決凍土層對施工的影響。實施起來火烤法施工經(jīng)濟(jì)、方便。我們對樁位處進(jìn)行加熱融凍處理。共計完成16棟樓房基礎(chǔ)的夯實水泥土樁施工，

樁位融凍工藝設(shè)計

一、樁位融凍需要熱量計算

需要進(jìn)行融凍處理的樁位直徑D=350mm，樁位實際面積為0.096㎡，融凍處理面積取值0.125㎡（D=400mm）。施工期間本地的最低氣溫≥-10℃，凍土深度為≤40cm，需要融凍樁位的凍土層的體積為0.05m3，施工區(qū)域原狀土的比重為1.65g/㎝3，原狀土的含水量為26%；土的比熱C土為1.2～2.2kJ/Kg℃[4]，水的比熱C水為4.19kJ/Kg℃，冰的熔化熱△Hm為336kJ/ kg℃。原狀土在融凍過程中的溫度變化平均值△T=6℃

為簡化計算，融凍熱量Q總只考慮加熱時，土吸收的熱量Q土和土體中所含水分吸收的熱量Q水和冰的熔化吸收的熱量Q融化

Q土=M土×C土×△T=671.06 kJ

Q水= M水×C水×△T =430.02 kJ

Q融化= M水×△Hm=5748.96 kJ

Q總=Q土+Q水+Q融化=6850 kJ

經(jīng)計算將樁位凍土層融化需要吸收的熱量為6850kJ。

二、融凍方法

火烤融凍

選取鋸末作為加熱材料，鋸末的燃燒熱值約為31500-33500 kJ/kg。在燃燒過程中不容易起明火苗，這樣熱量損失小。同時未燃燒的鋸末起到保溫作用，有利于熱量向土層內(nèi)傳遞。在充分考慮融凍過程中各種因素（熱傳遞過程中的熱量損失），完成一個樁位的融凍需要熱量大約14200kJ。將鋸末燃燒熱的有功效率取值為0.2，則融化單個樁位的鋸末用量在綜合考慮后按2.5㎏/樁來設(shè)置。

電極加熱法

采取電極加熱法進(jìn)行融凍處理，將Φ12的鋼筋制作長度為40cm的電極插入凍土層中，通電進(jìn)行加熱。經(jīng)估算完成一個樁位的融凍作業(yè)需消耗3～4度電。

本項目采用鋸末火烤樁位融凍法進(jìn)行施工作業(yè)，鋸末堆放點燃數(shù)量按照第二天的工程樁的施工數(shù)量進(jìn)行安排。夯實水泥土樁晚間不進(jìn)行施工作業(yè)，因此在晚上進(jìn)行加熱融凍，保證白天工程施工的正常進(jìn)行。如果遇到特殊情況，白天不能正常施工，則加熱處理過的樁位重新進(jìn)行處理。

樁位融凍法效果評價

施工期間基坑內(nèi)的最大凍土深度為40cm，我們對融凍處理后的樁位選取四根樁在樁位用N10輕型觸探儀進(jìn)行試驗探測共進(jìn)行了12組試驗，在樁徑范圍內(nèi)輕型觸探儀的擊數(shù)同原裝土，結(jié)果表明凍土層已經(jīng)被融化，凍土層融化范圍滿足成樁需要。具體探測結(jié)果詳見表1

從N10輕型觸探儀的錘擊次數(shù)明顯看出，樁位周圍沒有實施加熱融化區(qū)域還處于沒有化開的狀態(tài)。采用原樁位融凍方法取得預(yù)想效果，但鋸末火烤存在的問題是在堆放鋸末時，造成融凍面的中心偏離設(shè)計樁位中心，從而造成樁位的偏差較大。由于加熱融凍的面積略大于樁的截面積，控制好融凍面的中心和樁位的中心重合是關(guān)鍵。

融凍法經(jīng)濟(jì)效益比較

我們對復(fù)合地基冬季施工采取的解決凍土層的四種工藝進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益比較。采取凍土破碎法施工，機(jī)械費(fèi)用比較高。同時破碎的凍土不能作為夯實水泥土樁的土料，需要清理出去，還要補(bǔ)足樁體施工用的土料；草簾覆蓋法的材料和人工成本比較高，同時影響施工的進(jìn)行，效率比較低；電熱墊融凍法、鋸末火烤法的費(fèi)用比較小，凍土融化后可以作為施工用的土料。

本項目冬季施工中采取鋸末火烤樁位融凍處理9973根，消耗鋸末27.6噸。

在同時施工其他項目中處理凍土采用的方法是凍土破碎和草簾覆蓋法，經(jīng)了解破碎設(shè)備每個臺班完成300根樁。設(shè)備租金為1200元/臺班。草簾的費(fèi)用為5元/㎡。

對四種方法進(jìn)行了處理凍土層單樁的成本對比，結(jié)果見表2

采取樁位融凍法處理凍土層的成本比較小，施工效率得到明顯的提高。同時夯實水泥土樁的土料采取原孔土進(jìn)行拌合、夯實，沒有凍土，夯實水泥土樁的施工按照規(guī)范和冬季施工要求執(zhí)行。在今年開春后進(jìn)行樁頭清理后進(jìn)過單樁復(fù)合地基檢測和褥墊層施工，經(jīng)驗收復(fù)合地基符合施工規(guī)范和設(shè)計要求。

結(jié)語

采用樁位融凍法處理凍土層明顯提高施工效率，降低施工難度。

冬季施工中只進(jìn)行水泥土樁的成樁施工，采取樁位融凍法僅對樁位處進(jìn)行加熱融凍處理，樁間土不需要進(jìn)行加熱融凍處理，施工單位可以根據(jù)現(xiàn)場條件選擇使用鋸末火烤或者電加熱。

對于其他類型的復(fù)合地基施工，冬季成樁作業(yè)施工同樣可以采用樁位加熱融凍方法來提高施工效率。樁位融凍法成本低，操作簡單，適合北方地區(qū)的地基處理冬季施工中采用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣使用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]寧寶寬，陳四利，劉斌.凍融循環(huán)對水泥土力學(xué)性質(zhì)影響的研究.低溫建筑技術(shù) ，2004年第5期（總第101期）

[2]《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79—2002

[3]《建筑工程冬季施工規(guī)程》JGJ104-97

[4]余正.土壤的比熱和熱導(dǎo)率的測量.土壤，1986年第1期