嚴(yán)寒地區(qū)凍土層對(duì)樁基承載力影響分析與應(yīng)用

廖福興

(中鐵十三局集團(tuán)第四工程有限公司)

1 工程概況

1.1 試樁設(shè)計(jì)參數(shù)

扎龍?zhí)卮髽蚬こ淘囼?yàn)樁共設(shè)計(jì)3組，布置及相關(guān)參數(shù)詳見下表1。

表1 試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 地質(zhì)條件

試驗(yàn)樁位置位于扎龍濕地保護(hù)區(qū)，地形平坦開闊，試樁地層為濕地區(qū)域，巖性為黏土、粉質(zhì)黏土、粘土、粉質(zhì)粘土、粉砂、中砂。

1.3 氣候條件

所處地區(qū)屬于嚴(yán)寒氣候地區(qū)，極端最低氣溫-43℃，近年最冷1月份多數(shù)在-34℃。土壤最大凍結(jié)深度為2.72m。

2 試驗(yàn)樁施工方案

2.1 基本情況

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

2.2 試驗(yàn)樁的設(shè)計(jì)

按照錨固樁加力架法，設(shè)計(jì)每組試驗(yàn)樁共11根，其中試驗(yàn)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(yàn)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(cè)阻力和端阻力。(3)檢驗(yàn)成樁工藝及質(zhì)量控制。

3 現(xiàn)場施工與檢測

3.1 試驗(yàn)樁位置及參數(shù)

第一組試驗(yàn)樁位于中心里程DK223+411.70處，設(shè)計(jì)試驗(yàn)樁共3根，錨樁8根。鉆孔樁樁徑Φ1.00m，樁長47m，試驗(yàn)樁單樁設(shè)計(jì)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(jī)成孔，導(dǎo)管法灌注水下混凝土的施工方案。按冬季施工實(shí)施，采取冬季施工措施。

3.3 樁身質(zhì)量檢測

樁的完整性良好，樁身質(zhì)量合格。

2010年3月29日，經(jīng)北京鐵五院檢測中心進(jìn)行低應(yīng)變檢測，3根試驗(yàn)樁，都是Ⅰ類樁，樁的完整性良好，樁身質(zhì)量合格。

3.4 單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)

(1)單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)的基本原理

單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，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(shí)測單樁在不同荷載作用下的樁頂沉降，得到靜載試驗(yàn)的Q-S曲線及S-lgt等輔助曲線，然后根據(jù)曲線推求單樁豎向抗壓極限承載力等參數(shù);根據(jù)安裝于樁身側(cè)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(shí)驗(yàn)采用錨樁反力梁法，采用4錨1試。基準(zhǔn)梁由兩根6m長型號(hào)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(jù)沉降隨荷載變化的特征確定。對(duì)于陡型Q-S曲線，取其發(fā)生明顯陡降的起始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載值。

②根據(jù)沉降隨時(shí)間變化的特征確定。取s-lgt曲線尾部出現(xiàn)明顯向下彎曲的前一級(jí)荷載值。當(dāng)在某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍，且24h尚未達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，取前一級(jí)荷載值。最后，編制單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)荷載-沉降匯總表，繪制有關(guān)試驗(yàn)曲線，繪制樁身軸力分布圖，計(jì)算不同土層的分層側(cè)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(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

2010年4月22～27日，北京鐵五院檢測中心對(duì)3根試驗(yàn)樁進(jìn)行了單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)

4.2 對(duì)極限承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求的樁的處理方案

(1)選取一根工程本體樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)檢測。

(2)在試樁位置另一側(cè)，利用既有的錨樁，翻邊加倍再做4根試驗(yàn)樁，6根錨樁，擴(kuò)大抽檢數(shù)量。

4.3 影響因素分析

寒區(qū)凍層土段的樁基側(cè)阻力受影響較大。

第一組試樁施工時(shí)間為2010年1月29日至2010年2月7日。

試樁檢測時(shí)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(jié)凍深范圍內(nèi)，當(dāng)試驗(yàn)過程中凍土被破壞后，減小了摩阻力，必然對(duì)試驗(yàn)樁承載力產(chǎn)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(shí)測數(shù)據(jù)充分說明了這一點(diǎn)。

4.3.1 實(shí)測樁身分層極限摩阻力分析

冬季施工的第一組試樁實(shí)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(shí)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(shí)實(shí)測樁身分層極限摩阻力值相差23.1kPa。

表3 第一組試驗(yàn)樁(冬季施工)樁身分層極限摩阻力表

表4 復(fù)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(shù)據(jù)值

試樁檢測時(shí)間，正處于北方的冰凍融化期，對(duì)于非凍層部分，凍層部分形成一個(gè)硬蓋，當(dāng)受力到一定程度會(huì)突然破壞，試驗(yàn)過程中凍土層被破壞后，會(huì)喪失摩阻力。在試驗(yàn)荷載持續(xù)作用下，摩阻力的突然喪失，會(huì)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(jié)果判斷。

5 結(jié)束語

通過驗(yàn)試樁施工和檢測，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)參數(shù)，總結(jié)了施工工藝，確定了施工參數(shù)，對(duì)全橋鉆孔樁施工具有指導(dǎo)意義。

但樁基的側(cè)摩阻力在遇到冬季凍層段時(shí)有所降低，影響樁基承載力，是在冬季進(jìn)行樁基靜載試驗(yàn)檢測時(shí)需要充分考慮的因素。