季凍區橋梁樁基接樁位置凍脹的防治

王志遠

（中交路橋北方工程有限公司，北京 100024）

0 引言

季節性凍土地區由于土體的反復凍融，對樁基礎的危害極大[1-2]。據調查寒冷地區樁基礎凍脹現象發生頻率在90%以上，而橋梁接樁位置正處于發生凍脹的位置。所謂接樁是指樁基與墩柱連接部位，為了鋼筋的焊接和直徑的變化調整，而將樁基向下擴1m，連接好樁基和墩柱鋼筋后，重新澆筑樁基混凝土的工藝。由于樁基接樁位置的鋼筋需要進行調直、彎折，并與墩柱鋼筋進行連接，二次澆筑混凝土，在接樁位置會形成施工縫，長期受水影響，鋼筋極容易生銹。接樁施工一般是需要在基坑內進行，基坑伴有水和泥沙，施工環境較差，接樁處是比較薄弱的位置，而內蒙地區的氣候特點，接樁位置處于發生凍脹的位置，所以接樁位置的凍脹防治具有重大意義。

1 工程概況

國道111線騰克至甘河農場段公路建設項目起訖樁號為K1713+000~K1763+757.301，路線主線長約50.757km，采用雙向四車道一級公路標準建設，路基寬26m，設計速度100km/h。全線設大橋681.5m/3座，中橋386m/8座，小橋38m/2座。該項目共有樁基417根，所有樁基接墩柱工藝全部采用接樁的辦法，該項目區季節性凍土標準凍深為2.4m~2.6m，凍深正處于樁基接樁位置，由于內蒙地區冬季時間長、氣溫低，因此凍脹病害的防治對橋梁的安全至關重要。

2 樁基接樁位置凍脹產生的主要原因

當氣溫降至0℃以下時，橋梁樁基側的土體開始凍結，按照內蒙地區的氣候特點，凍結深度在2.4m~2.6m。首先土基表層的土體先凍結，由于氣溫降低，溫度由表層傳遞至土體下層，使凍結深度持續增加，此時土體下的水分在土體內由溫度較高處向溫度較低處移動，使土基的上層水分增多并凍結成冰[3]。該過程隨時間的增加，未凍區有充分的水供給，水分繼續移動，使橋梁樁頂處大量聚冰，由于聚冰積累越多，因此凍脹也就越大。

3 樁基受力分析

3.1 凍拔分析

凍拔即作用在樁表面的切向凍脹力總和[4]，大于作用其自重、樁側摩阻力以及上部荷載總和，此時樁基就會發生整體凍拔，可用式（1）表示。

式中：W—切向凍脹力總和；G—樁基自重；F—樁側摩阻力；N—樁頂荷載之和。

3.2 拔斷分析

樁基拔斷即因為總切向凍脹力的作用，樁身截面抗拉強度不足，因此被拔斷，如公式（2）所示。

式中：G1—驗算截面上部樁自重；F1—驗算截面上部樁側摩阻力：A—驗算截面縱向鋼筋面積：R—縱向鋼筋抗拉設計強度。

3.3 抗凍拔穩定性分析

季凍區鋼筋混凝土樁基為滿足其抗凍拔穩定性，應滿足不能整體發生凍拔，也不能被拔斷兩個條件，可用式（3）、式（4）來表示。

式中：K為結構安全系數。

式中：r為鋼筋安全系數。

4 季凍區凍脹作用的監測研究

樁基施工完畢后進行破樁頭施工，在樁頭位置布置電阻式應變傳感器，接著澆筑接樁混凝土，基坑回填之前在接樁混凝土側面布置振弦式土壓力計，回填基坑后持續測試鋼筋應變變化以及土壓力計的讀數變化，通過數據變化驗證凍脹對樁的凍拔作用，同時對地表進行監測，檢驗凍脹對樁接柱位置地表隆起的影響，根據監測數據進行分析。

4.1 測點布置

4.1.1 電阻式應變傳感器布置

接樁鋼筋籠安裝完成后，找到鋼筋籠的東西南北4個方位的4根主筋來進行鋼筋應變觀測，以樁頭頂部即樁柱結合部的位置為對稱軸，在其以上、以下5cm處以及25cm處的位置黏貼電阻式應變傳感器，每根主筋布置4個應變傳感器，4根主筋共布置16個應變傳感器。另外在北面和西面貼近主筋應變傳感器位置的螺旋箍筋上，分別布置4個應變傳感器，即箍筋共布置8個傳感器，總共24個電阻式應變傳感器，24個觀測點，測點布置如圖1所示。

圖1 電阻式應變傳感器測點布置圖（單位cm）

4.1.2 振弦式土壓力計布置

基坑回填之前，在樁頭北面和東面（朝向基坑內其他樁基）的底部和頂部的混凝土側面分別安置一個土壓力計，共4個土壓力計，其安放位置如圖2所示。

圖2 振弦式土壓力計布置圖

4.2 數據分析

4.2.1 電阻式應變傳感器數據采集及應變分析

利用IMC動靜態數據采集系統進行數據采集，每15d采集一次數據，每次采集時間30min，共采集12次，每次采集時的溫度見表1。

表1 應變采集次數與溫度變化

根據采集時的溫度與鋼筋應變可以發現幾點凍脹作用對鋼筋應變的影響規律：1）隨著溫度的降低，主筋的應變持續上升，箍筋的應變持續下降。說明切向凍脹力使樁基上拔，從而使主筋得到拉伸，產生正的應變，而水平凍脹力通過擠壓樁基，使箍筋得到壓縮，從而產生負的應變。溫度越低，土中的凍脹力越大，鋼筋的應變越明顯。2）主筋與箍筋上的應變片從上到下共分為4層，從圖3中可以看出鋼筋的應變分為4個水平，從上到下的應變逐漸減小，說明離地面越近，其所受凍脹力越明顯，鋼筋的應變越大。四個方向每層的鋼筋應變相差不大，說明四個方向所受到的切向凍脹力相差很小，樁體受力比較均勻。

圖3為選取的主筋1上4個測點的采集次數與鋼筋應變，圖4為箍筋上選取的4個測點的采集次數與鋼筋應變情況。

圖3 主筋16個測點的采集次數與鋼筋應變

圖4 箍筋8個測點的采集次數與鋼筋應變

4.2.2 振弦式土壓力計數據采集及分析

采用常州市金壇勘探土木工程儀器廠生產的土壓力計，每個儀器都帶有編號，測量范圍為0MPa~1.0MPa。數據采集儀使用金碼測控的綜合測試儀JMZX-3006L。

對土壓力計做好標定后，埋入樁頭混凝土的側表面，每15d采集一次數據，每次采集5組數據，采集時的溫度見表1，利用公式計算其土壓力[5]。對樁體的側表面，其所受土壓力的變化主要受水平凍脹力的影響，對所埋入的4個土壓力計經過多次數據采集，整理分析，可以看出：1）隨著溫度的降低，土中切向凍脹力逐漸增大，樁體所受土壓力也逐漸增大，當溫度變化不大時，其土壓力值僅有些許變化，說明溫度對土壓力的影響很大。2）在樁頭頂部的土壓力略大于樁頭底部的土壓力，說明樁頭頂部所受切向凍脹力大于底部，但相差不大。3）樁頭東面與北面土壓力的數值相差不大，說明土中水分較均勻，同一水平面的切向凍脹力很相近。圖5為土壓力數值變化情況。

圖5 土壓力統計

4.3 樁基接樁凍脹力監測總結

接樁處所受凍脹力主要包括切向凍脹力與水平凍脹力，如果樁體所受水平凍脹力不均，就有可能使樁體發生傾斜，當切向凍脹力大于樁體自重時，就會使樁體發生凍拔，嚴重情況會發生拔斷現象，可見凍脹力對樁體的影響很大。相對來說，接樁處是整個樁體最薄弱的地方，對接樁處鋼筋應變以及樁體所受土壓力的長期監測，總結其變化規律，分析受力特點，有針對地對接樁處做好防護措施，利于整體施工的順利進行。

5 橋梁樁基接樁位置凍脹的防治措施

5.1 改善季凍區樁基配合比

對混凝土配合比優化，降低水膠比、控制含水率，優選原材料[6]，優化骨料級配，在混凝土中摻入優質引氣劑等，提高混凝土的抗凍等級，從而提高混凝土的抗凍性。

5.2 提高接樁施工質量

樁基施工主要是通過水下灌注混凝土的工藝，一般樁基超灌注0.5m~1m，然后進行樁頭的破除，施工接樁，由于樁基破樁頭過程中很容易使鋼筋彎折，操作不當甚至使鋼筋折斷，同時泥水對接樁接觸面影響，會使接樁位置處很容易形成薄弱層。所以，有必要采取有效的措施來提高樁基接樁位置處的施工質量。通過季凍區接樁位置防凍脹施工技術研究，樁基在下發鋼筋籠過程中，在樁頂接樁位置對鋼筋進行纏繞透明膠帶，外套PVC管，透明膠帶有很好的防水作用，使鋼筋不易生銹，外套PVC管可以有效提高樁頭的破除質量，使鋼筋與混凝土不接觸，在破樁頭后保證了鋼筋順直，通過有效的彎折使鋼筋與墩柱鋼筋進行對接焊接。

5.3 施加砂墊層

凍脹的產生，主要是因為水的凍結導致的，解決這一問題，可有效的減小凍脹病害的影響[7]。項目在接樁施工時在接樁底施加砂墊層，砂墊層寬度為樁周邊向外側延伸1m，向外的坡度為2%，形成一個圓形截水墊層，有效阻斷地下水向上發展，同時也作為接樁模板的底模，降低混凝土澆筑過程中的漏漿問題，也為作業人員提供了一個平整的地面，改善了基坑下作業不良的環境，減少水對凍脹的影響。

5.4 改變樁側介質

通過力學分析可知，凍脹主要是切向凍脹力引起的[8]，使樁基產生凍拔現象?？梢酝ㄟ^改變接樁側土的性質和土體與樁的接觸面，消減切向凍脹力，通過季凍區接樁位置防凍脹施工技術研究，接樁側土體采用河卵石填筑，河卵石材料間空隙比較大，當發生凍脹時不同粒徑的河卵石通過嵌擠可以縮小體積，抵消一部分變形，使切向的力變小。樁側粘貼厚度2cm的XPE材質彈性墊，在受到凍脹力時，通過彈性變形，消減部分力，可以減少凍脹病害的影響。

6 總結

樁基在土體中會受到凍脹力的影響，而接樁的位置是整個結構最薄弱的部位，因此研究接樁處的受力情況，采取一定的防治措施，減小凍脹作用對該部位的影響，顯得尤為重要。該文依托于國道111線騰克至甘河農場項目，通過現場對接樁部位鋼筋的應變以及樁體所受土壓力的長期監測，得到了大量的現場數據，并分析總結其受力特點以及變化規律。針對接樁處的實際受力情況，有針對地提出了幾點接樁處凍脹的防治措施，包括改善配合比、提高施工質量、施加砂墊層以及改變樁側介質，通過采用這幾點防治措施，可以很好地減小凍脹作用對接樁處的影響，有利于提高結構的穩定性和耐久性，為類似工程項目提供借鑒。