多年凍土樁基快速成孔技術研究

王寶祥，馬功旭

(黑龍江省龍建路橋第五工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150070)

1 橋梁工程施工中凍土地基的特性

1.1 凍土地基

一般情況下，凍土的組成成分及結構構造比較特殊，它在物理層面具有獨特的受力特性，是一種帶有冰晶的巖土，它的溫度在0 ℃之下。凍土地基的組成成分包括液態(tài)水、固態(tài)水、氣態(tài)水以及固體的礦物質(zhì)顆粒這四大類。

1.2 凍土的工程特性及地基處理

液態(tài)水、固體礦物顆粒、氣體水和固態(tài)水這4種物質(zhì)是凍土的重要組成成分。除固體礦物顆粒外的其他三種物質(zhì)均會受到溫度的影響，隨著溫度的變化而變化。凍土按照性質(zhì)主要可以分為三大類，分別是硬凍土、塑性凍土、松散型凍土。多年凍土根據(jù)所屬土壤的含鹽量以及有機物質(zhì)的不同分為多年鹽漬化凍土和多年凍土泥炭土。凍土還可以根據(jù)它的持續(xù)時間分為季節(jié)性凍土和永久凍土。根據(jù)土質(zhì)本身的隆起程度和解凍性質(zhì)還可以分為諸多類別的凍土。假設某一區(qū)域的凍土連續(xù)凍結超過三年以上，那么他的受力性質(zhì)(物理受力)則會隨著溫度的變化而變化，永久凍土會在凍結狀態(tài)下發(fā)生融化、凍脹的現(xiàn)象；而季節(jié)性凍土會在夏天時完全融化，在冬天時地面表層也會結冰，季節(jié)性凍土有著一年一次凍融交替的特性。

1.3 工程特性

凍土地基的工程特性就是在表層土質(zhì)被凍結，這種狀態(tài)下凍土是不具壓縮性或者壓縮性很低并且擁有較高強度的。凍土一旦融化，則會對承載力產(chǎn)生極大影響，極大程度減少承載力，壓縮性變化較大，容易導致地基融陷的發(fā)生；受到凍脹的土質(zhì)會對地基承載力造成極大的影響，甚至會有安全隱患。凍脹和融陷會受到顆粒土的粒徑和含水率的影響，一般這二者成反比，顆粒土越粗，含水率就越小，土的凍脹和融陷性也越小；反之越大。

1.4 多年凍土

年平均氣溫保持在-0.1 ℃時，會堅硬凍結應力層地基土，融化的最大范圍內(nèi)有層間凍土和融沉土。采用維持凍土狀態(tài)的處理方法，包括架空通風基礎、填充通風管道基礎、粗粒土填充物基礎、熱樁(棒材)基礎、保溫地板等措施。

年平均氣溫可維持在-0.5～1.0 ℃，此時凍土處于凍結的狀態(tài)(塑性狀態(tài))，分布在受力層以上，超過融化最大深度的是弱融化沉降土或者不融化沉降土。永久凍土會受到高溫導致的熱影響?？刹捎玫蛪嚎s土層作為持力層或者采用逐漸融化的方法增加基礎埋深。

年平均氣溫應不低于-0.5 ℃，地基土在受力層以上，正處于塑性的凍結狀態(tài)，超過融化最大深度以上有夾層凍土和融化濕陷性土。粗粒土可以用來代替細粒土或壓實，增加基礎埋深。

1.5 凍脹性

凍脹性是土在凍結過程中土體膨脹的特性。在地球這個大有機體下，受到大氣溫度變化的影響，土層中的水會發(fā)生一些性質(zhì)上的改變，例如土體收縮或是膨脹。發(fā)生這種膨脹的現(xiàn)象就被稱為凍脹，膨脹這種現(xiàn)象是由于土質(zhì)中的自由水結冰引起凍土的體積膨脹而發(fā)生的。另一種收縮的現(xiàn)象被稱為解凍過程。凍脹特性受到土層的深度、粒徑、含水率和密度的影響。地基當中凍土凍脹的發(fā)生是影響凍土層內(nèi)結構(即橋梁穩(wěn)固性)的最重要因素。

2 凍土樁基地質(zhì)層及設計方案

(1)認真學習凍土知識以及相應的規(guī)范、細則后進場；

(2)仔細核對設計文件后再進行施工，同時應全面調(diào)查與核實當?shù)貥蛭坏牡刭|(zhì)，如有必要時可以進行補充地質(zhì)勘探；

(3)機械設備的選型和配套工作格外重要，務必要認真安排部署，在充分考慮功率的降效條件下采用高效率機械進行施工；

(4)按照項目部編制的施工進度計劃，做出工程耗材的采購和儲備應策；

(5)測量員放樣應在穩(wěn)定土層或基巖上設置控制樁，并做混凝土包裹防護處理，跨凍融季節(jié)使用埋入凍土層的控制樁時，埋深必須不低于二倍的天然上限，控制樁的周圍用粗粒土進行回填，以避免凍融導致樁位偏移。

3 凍土樁基施工機械的選擇

鉆機的選擇方面：鉆機的選擇必須滿足快速施工原則的條件，同時通過國道嘉蔭至臨江公路嘉蔭至湯旺河段改擴建工程的施工經(jīng)驗，以國道嘉蔭至臨江公路嘉蔭至湯旺河段改擴建工程中使用的三一重工SR405旋挖鉆為例，鉆孔樁施工時宜采用與其同級別或以上旋挖鉆機進行鉆進。

4 凍土樁基快速成孔施工質(zhì)量的控制要點

4.1 施工準備

首先需要工程測量員抵達施工現(xiàn)場進行測量放樣工作，確定各個鉆孔樁的樁心位置。鉆孔樁樁心的縱橫位置偏心不允許超過5 cm，同時應將護樁設置在樁的四周，設置后可以隨時檢驗樁心是否偏移和標高是否變化。挑選好鉆孔場地后，布置場地應以筑島的方式展開，盡量摒棄挖土的方式以減少對原地表開挖引起的熱擾動，熱擾動會導致凍土層受熱融化。并且應該在鉆機駕駛艙及履帶下鋪設隔熱板這樣可以減少對原地表的熱侵入，防止發(fā)生熱交換導致的凍土融化。

4.2 埋設護筒

在嘉湯項目施工線，護筒布設方面應該采取其他相應的降低樁基礎抗拔力的載體受凍土影響的有效措施采取，而并不僅僅為使鉆孔作業(yè)正常進行而保護孔口。詳細的步驟為在凍土層上限以上的一定高度埋入鋼護筒，并在護筒外壁表面涂上油，在成孔后為減少外表面的親水程度從而不需拆除鋼護筒，進而減小在凍土影響下樁基礎受到的上拔力。鋼護筒應采用5～6 mm厚的鋼板進行加工卷制，筒壁內(nèi)孔徑比樁基礎設計直徑大二十公分為宜；當在小興安嶺等凍土常年不化的地區(qū)進行施工時，護筒應埋置在凍土上限以下0.5 m及以下位置；同樣需要在鋼護筒外壁進行涂油，但是此時埋置方式與常見的方式并不相同。如果施工現(xiàn)場擁有穩(wěn)定性好的地表土，同時施工環(huán)境中不存在地表水影響時，應先讓鉆機進場，而后用比鋼護筒直徑大十公分的鉆頭進行擴孔下鉆，鉆至凍土上限以下0.5 m之后的深度停止進尺，進行鋼護筒埋設。與前文一樣的是護筒外壁一定要涂油。

4.3 鉆機就位

旋挖鉆是利用自身可移動式履帶車身移動到位的。在開鉆之前，應當安排專業(yè)機械手提前對鉆桿的垂直度進行校正，由測量員仔細復合來確保鉆頭位置正確，經(jīng)過這兩步的校正可以防止鉆孔過程中擴孔或塌孔等情況的發(fā)生。

4.4 旋挖鉆機干法鉆孔

在安裝護筒后進行正式鉆孔。旋挖鉆進是利用旋挖鉆桿頂部的液壓馬達向下壓，同時利用旋挖鉆頭旋入土中，土被擠到料斗中，然后從孔中放出來，直接進入自卸車。進行鉆井時，各項目應根據(jù)工程所在區(qū)域的自有地質(zhì)條件而選擇相應的、合適的鉆頭。