嚴寒地區路基CFG 樁凍脹破壞機理研究

劉慶軍

（中鐵十四局集團第四工程有限公司，濟南 250031）

1 引言

目前，我國在東北嚴寒地區已建成多條鐵路客運專線并投入運營。后續多條線路正在施工或即將開工，對于部分軟基段落，一般設計采用CFG 樁進行處理。受工期影響，部分CFG樁需進行越冬施工。根據哈（爾濱）牡（丹江）鐵路和哈（爾濱）佳（木斯）鐵路的施工經驗，CFG 樁在施工完成后如未及時填筑路基需要進行越冬時，需對CFG 樁采取覆土措施，防止凍脹導致出現淺層斷樁【1】。即將外露的CFG 樁頂進行覆土保護，覆土厚度超過凍脹深度，以防止土壤凍脹對CFG 樁造成凍脹破壞。但該項處理措施的理論依據不足，且處理時需提前覆土，影響了正常施工，同時大量土方倒運，成本較高。為明確凍脹發育機理對CFG 樁的破壞，本文根據相關文獻對凍脹作用力進行了理論計算，分析了凍脹發育機理，提出了新的防凍脹措施，并在牡（丹江）佳（木斯）鐵路施工過程中進行了驗證，明確了CFG 樁受凍脹破壞的影響因素，對嚴寒地區鐵路路基CFG樁越冬施工具有一定的指導意義。

2 工程概況

牡佳高速鐵路均位于黑龍江省，根據既有氣象資料表明，沿線各地區歷年最冷月平均氣溫為-15.3～-18.23℃，累年極端最低氣溫為-32.8～-38.8℃，屬嚴寒地區，沿線地貌主要為低山丘陵區及沖洪積平原，土壤最大凍結深度2.4m。鐵路路基軟基段落處理形式多采用CFG 樁形式。以牡佳高鐵佳木斯市樺南縣樺南鎮的CFG 樁段落為例，基底地層結構自上而下分別為黏土（3～5m）、粉質黏土（1～2m）、粗砂（2～4m）、礫砂結構（2～6m），地下水埋深0.8～2.5m，主要賦存于黏性土及砂類土中，由大氣降水入滲補給和地下徑流補給，蒸發排泄，地下水及土壤對混凝土結構不具侵蝕性。CFG 樁基礎樁徑為0.5m，采用長螺旋鉆孔，管內泵壓送混合料成樁工藝，樁體強度等級為C20，樁長介于4.5～7.8m 之間。

3 凍脹作用力的計算

根據現場施工經驗，路基工程CFG 樁基礎易受凍脹作用影響從而出現斷樁，導致出現較大的質量破壞和經濟損失，因此，準確判斷CFG 樁凍脹破壞機理并提前采取規避措施成為嚴寒地區CFG 樁施工的首要任務。通過對嚴寒地區基礎結構所受的凍脹作用力進行分析，將凍脹作用力分為2 部分，分別為切向凍脹力和法向凍脹力。

法向凍脹力為地基在上部荷載的作用下，擬計算的某一深度處凍結鋒面上，在基礎附加應力擴散面積之內凍脹應力的積分【2】，是基礎底部下臥土體發生凍脹時對基礎發生的向上的作用力，由于CFG 樁長大于最大凍結深度，因此，在進行受力分析時，不予考慮法向凍脹力的影響。

切向凍脹力是垂直于凍結鋒面，平行于基礎側面的凍脹力，當土體向上凍脹時，以凍結力為媒介，順著凍脹方向作用于基礎側面【3】，可分為單位切向凍脹力和相對切向凍脹力。單位切向凍脹力是指基側表面單位面積上的凍脹力，即切向凍脹總力除以凍土層中基礎的側表面積得到平均單位切向凍脹力。相對切向凍脹力是指基礎單位周邊長度上的切向凍脹力，即切向凍脹總力除以基礎周邊長度【4】。

在進行凍脹受力分析前，先確定現場路基基底土壤的凍脹級別和凍脹量，對土壤的凍脹性進行分類。需要確定的相關參數包括土的名稱、凍前天然含水量ω（%）、凍結期間地下水位距凍結面的最小距離hw、平均凍脹率η（%）、凍脹等級和凍脹類別【5】。

以佳木斯市樺南縣牡佳高鐵沿線路基基底土壤性質進行分析，確定凍前天然含水量為4%＜ω＜10%，凍結期間地下水位距凍結面的最小距離hw＜1.5m，根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》附錄G，將現場土壤界定為弱凍脹土。如表1所示。

表1 單位切向凍脹力取值范圍

3.1 總切向凍脹力計算

根據相關公式，在有實測凍深的情況下，總切向凍脹力計算為：

式中，T 為總切向凍脹力；τa為單位切向凍脹力，kPa；U 為樁在凍層內周長，m；Hp為實測土的凍深，m；τ1為冰的單位切向凍脹力，kPa；Hp1為實測冰的厚度，m。

根據現場凍深及實測冰的厚度等參數，得出總切向凍脹力T 的取值范圍為51.8～172.7kN。

CFG 樁的強度等級為C20，根據經驗公式，C20 混凝土的抗剪強度與抗壓強度值之間的關系為【6】：

式中，τ 為混凝土抗剪強度；fcu，k為混凝土抗壓強度，取值為20MPa；K 為混凝土抗剪強度與抗壓強度值取值系數，取值0.095～0.121。

CFG 樁中剪切應力計算公式為：

式中，T 為剪切應力；A 為 CFG 樁截面面積；τ 為混凝土抗剪強度。

在進行現場施工時，為確保混合料的泵送，配合比與混凝土配比相同，混合料抗剪力取下限，可得C20 混合料剪切應力為372.8kN，通過上述計算可知，CFG 樁的樁身混合料抗剪應力遠遠大于總切向凍脹力。因此，當CFG 樁達到設計強度時，總切向凍脹力對CFG 樁完整性的影響遠遠不足以造成剪切破壞。

3.2 抗凍拔力計算

根據切向凍脹力對樁基作用的分析，為保證CFG 樁抗凍拔穩定性，必須保證凍脹區段的凍拔力小于CFG 混合料的容許應力，即：

式中，σ 為驗算截面應力，kPa；K 為結構安全系數，取值 1.2；T為總切向凍脹力，kN；P 為作用在單樁上的恒載，kN；G1為拉斷截面以上樁身自重，kN；F1為拉斷截面以上暖土層對樁側的摩阻力，kN；A 為拉斷截面面積，m2；[σ] 為材料容許應力，kPa，CFG 樁C20 混合料容許應力根據設計取值為1 100kPa。

根據上述公式，以平均樁長5.0m，平均凍脹深度2.2m，斷樁位置1.0m 為例進行抗凍拔計算，按照總切向凍脹力為51.8～172.7kPa 的取值范圍，得出截面應力σ 的取值范圍為-1 883.2～-1 144.0kPa，遠遠小于混合料容許應力。

4 理論驗證

根據凍脹作用力計算結果，可以確定CFG 樁在經過越冬后造成的斷樁破壞不是受凍脹力直接影響，通過對哈牡、哈佳鐵路施工時出現的CFG 斷樁進行排查，發現越冬后斷樁的情況包括以下4 點：

1）機械擾動，CFG 樁在施工過程中大型機械在樁頂行走未采取保護措施，或樁頭開挖時由于機械碰撞造成樁頭擾動；

2）樁身垂直度偏差較大，通過對斷樁進行開挖，發現部分樁身垂直度偏差超標；

3）樁頂存在“蘑菇頭”現象，樁頂標高及超灌問題未得到有效控制；

4）受工期影響，部分CFG 樁為冬季施工，且施工完成后在CFG 混合料強度正常增長前未采取有效的覆蓋保溫措施。

根據理論計算結果，結合現場情況，分析CFG 樁越冬后斷樁的原因如下：

1）機械擾動造成樁身上部受到擠壓破壞；

2）樁身垂直度偏差較大，造成切向凍脹力和豎向凍拔力的累加，達到樁身抗剪極限，嚴重情況下導致樁身斷裂；

3）樁頂擴大，受凍土膨脹影響，樁頂周圍土體凍脹對擴大的樁頭部分產生的凍拔力大于樁身斷裂截面以上的自重，導致斷樁問題出現；

4）冬季施工時，樁身在混合料未達到抗剪強度前受到切向凍脹力破壞，即冬季施工時未采取有效措施保證樁身混合料強度的增長，在急速降溫的情況下，造成切向凍脹力對樁身產生破壞。

上述原因中，第1）條為施工工藝問題，與是否越冬無關。針對第2）、3）、4）條原因，采取了下列措施進行驗證：

1）嚴格控制樁身垂直度；

2）避免冬季施工，所有CFG 樁施工在進入冬季施工前結束；

3）采取新工藝，在施工過程中通過小型挖機和人工配合，及時清理鉆渣，控制樁頂超灌，避免了“蘑菇頭”問題的發生；

4）選取了20 根樁進行試驗，在越冬前切除樁頭后進行低應變檢測，樁身完整性良好。越冬期間保持樁頭裸露，未采取覆蓋保溫措施，至第二年春融后再次進行低應變檢測，檢測結果與越冬前結果一致。

5 結語

當鐵路路基設計有CFG 樁且需要越冬時，需對基底土層的凍脹性進行嚴格判斷，不同土壤的凍脹性對CFG 樁凍脹的破壞程度不同。當土層為弱凍脹或一般性凍脹的情況下，可采取上述措施保證CFG 樁的越冬質量，即避免冬季施工、保證混合料質量和垂直度、避免樁頭超灌。采取上述做法可極大地節省覆土保溫的費用，且措施方便可行，具有可推廣性，對嚴寒地區的CFG 樁越冬施工具有指導意義。