王志遠(yuǎn)

（中交路橋北方工程有限公司，北京 100024）

0 引言

季節(jié)性凍土地區(qū)由于土體的反復(fù)凍融，對(duì)樁基礎(chǔ)的危害極大[1-2]。據(jù)調(diào)查寒冷地區(qū)樁基礎(chǔ)凍脹現(xiàn)象發(fā)生頻率在90%以上，而橋梁接樁位置正處于發(fā)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(diào)整，而將樁基向下擴(kuò)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(jìn)行調(diào)直、彎折，并與墩柱鋼筋進(jìn)行連接，二次澆筑混凝土，在接樁位置會(huì)形成施工縫，長(zhǎng)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(nèi)進(jìn)行，基坑伴有水和泥沙，施工環(huán)境較差，接樁處是比較薄弱的位置，而內(nèi)蒙地區(qū)的氣候特點(diǎn)，接樁位置處于發(fā)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(guó)道111線騰克至甘河農(nóng)場(chǎng)段公路建設(shè)項(xiàng)目起訖樁號(hào)為K1713+000~K1763+757.301，路線主線長(zhǎng)約50.757km，采用雙向四車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬26m，設(shè)計(jì)速度100km/h。全線設(shè)大橋681.5m/3座，中橋386m/8座，小橋38m/2座。該項(xiàng)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(xiàng)目區(qū)季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深為2.4m~2.6m，凍深正處于樁基接樁位置，由于內(nèi)蒙地區(qū)冬季時(shí)間長(zhǎng)、氣溫低，因此凍脹病害的防治對(duì)橋梁的安全至關(guān)重要。

2 樁基接樁位置凍脹產(chǎn)生的主要原因

當(dāng)氣溫降至0℃以下時(shí)，橋梁樁基側(cè)的土體開始凍結(jié)，按照內(nèi)蒙地區(qū)的氣候特點(diǎn)，凍結(jié)深度在2.4m~2.6m。首先土基表層的土體先凍結(jié)，由于氣溫降低，溫度由表層傳遞至土體下層，使凍結(jié)深度持續(xù)增加，此時(shí)土體下的水分在土體內(nèi)由溫度較高處向溫度較低處移動(dòng)，使土基的上層水分增多并凍結(jié)成冰[3]。該過(guò)程隨時(shí)間的增加，未凍區(qū)有充分的水供給，水分繼續(xù)移動(dòng)，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(cè)摩阻力以及上部荷載總和，此時(shí)樁基就會(huì)發(fā)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(cè)摩阻力；N—樁頂荷載之和。

3.2 拔斷分析

樁基拔斷即因?yàn)榭偳邢騼雒浟Φ淖饔?，樁身截面抗拉?qiáng)度不足，因此被拔斷，如公式（2）所示。

式中：G1—驗(yàn)算截面上部樁自重；F1—驗(yàn)算截面上部樁側(cè)摩阻力：A—驗(yàn)算截面縱向鋼筋面積：R—縱向鋼筋抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

3.3 抗凍拔穩(wěn)定性分析

季凍區(qū)鋼筋混凝土樁基為滿足其抗凍拔穩(wěn)定性，應(yīng)滿足不能整體發(fā)生凍拔，也不能被拔斷兩個(gè)條件，可用式（3）、式（4）來(lái)表示。

式中：K為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

式中：r為鋼筋安全系數(shù)。

4 季凍區(qū)凍脹作用的監(jiān)測(cè)研究

樁基施工完畢后進(jìn)行破樁頭施工，在樁頭位置布置電阻式應(yīng)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(cè)面布置振弦式土壓力計(jì)，回填基坑后持續(xù)測(cè)試鋼筋應(yīng)變變化以及土壓力計(jì)的讀數(shù)變化，通過(guò)數(shù)據(jù)變化驗(yàn)證凍脹對(duì)樁的凍拔作用，同時(shí)對(duì)地表進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢驗(yàn)凍脹對(duì)樁接柱位置地表隆起的影響，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1 測(cè)點(diǎn)布置

4.1.1 電阻式應(yīng)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(gè)方位的4根主筋來(lái)進(jìn)行鋼筋應(yīng)變觀測(cè)，以樁頭頂部即樁柱結(jié)合部的位置為對(duì)稱軸，在其以上、以下5cm處以及25cm處的位置黏貼電阻式應(yīng)變傳感器，每根主筋布置4個(gè)應(yīng)變傳感器，4根主筋共布置16個(gè)應(yīng)變傳感器。另外在北面和西面貼近主筋應(yīng)變傳感器位置的螺旋箍筋上，分別布置4個(gè)應(yīng)變傳感器，即箍筋共布置8個(gè)傳感器，總共24個(gè)電阻式應(yīng)變傳感器，24個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 電阻式應(yīng)變傳感器測(cè)點(diǎn)布置圖（單位cm）

4.1.2 振弦式土壓力計(jì)布置

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

圖2 振弦式土壓力計(jì)布置圖

4.2 數(shù)據(jù)分析

4.2.1 電阻式應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)采集及應(yīng)變分析

利用IMC動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每15d采集一次數(shù)據(jù)，每次采集時(shí)間30min，共采集12次，每次采集時(shí)的溫度見表1。

表1 應(yīng)變采集次數(shù)與溫度變化

根據(jù)采集時(shí)的溫度與鋼筋應(yīng)變可以發(fā)現(xiàn)幾點(diǎn)凍脹作用對(duì)鋼筋應(yīng)變的影響規(guī)律：1）隨著溫度的降低，主筋的應(yīng)變持續(xù)上升，箍筋的應(yīng)變持續(xù)下降。說(shuō)明切向凍脹力使樁基上拔，從而使主筋得到拉伸，產(chǎn)生正的應(yīng)變，而水平凍脹力通過(guò)擠壓樁基，使箍筋得到壓縮，從而產(chǎn)生負(fù)的應(yīng)變。溫度越低，土中的凍脹力越大，鋼筋的應(yīng)變?cè)矫黠@。2）主筋與箍筋上的應(yīng)變片從上到下共分為4層，從圖3中可以看出鋼筋的應(yīng)變分為4個(gè)水平，從上到下的應(yīng)變逐漸減小，說(shuō)明離地面越近，其所受凍脹力越明顯，鋼筋的應(yīng)變?cè)酱蟆Ｋ膫€(gè)方向每層的鋼筋應(yīng)變相差不大，說(shuō)明四個(gè)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(gè)測(cè)點(diǎn)的采集次數(shù)與鋼筋應(yīng)變，圖4為箍筋上選取的4個(gè)測(cè)點(diǎn)的采集次數(shù)與鋼筋應(yīng)變情況。

圖3 主筋16個(gè)測(cè)點(diǎn)的采集次數(shù)與鋼筋應(yīng)變

圖4 箍筋8個(gè)測(cè)點(diǎn)的采集次數(shù)與鋼筋應(yīng)變

4.2.2 振弦式土壓力計(jì)數(shù)據(jù)采集及分析

采用常州市金壇勘探土木工程儀器廠生產(chǎn)的土壓力計(jì)，每個(gè)儀器都帶有編號(hào)，測(cè)量范圍為0MPa~1.0MPa。數(shù)據(jù)采集儀使用金碼測(cè)控的綜合測(cè)試儀JMZX-3006L。

對(duì)土壓力計(jì)做好標(biāo)定后，埋入樁頭混凝土的側(cè)表面，每15d采集一次數(shù)據(jù)，每次采集5組數(shù)據(jù)，采集時(shí)的溫度見表1，利用公式計(jì)算其土壓力[5]。對(duì)樁體的側(cè)表面，其所受土壓力的變化主要受水平凍脹力的影響，對(duì)所埋入的4個(gè)土壓力計(jì)經(jīng)過(guò)多次數(shù)據(jù)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(dāng)溫度變化不大時(shí)，其土壓力值僅有些許變化，說(shuō)明溫度對(duì)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(shuō)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(shù)值相差不大，說(shuō)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(shù)值變化情況。

圖5 土壓力統(tǒng)計(jì)

4.3 樁基接樁凍脹力監(jiān)測(cè)總結(jié)

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(fā)生傾斜，當(dāng)切向凍脹力大于樁體自重時(shí)，就會(huì)使樁體發(fā)生凍拔，嚴(yán)重情況會(huì)發(fā)生拔斷現(xiàn)象，可見凍脹力對(duì)樁體的影響很大。相對(duì)來(lái)說(shuō)，接樁處是整個(gè)樁體最薄弱的地方，對(duì)接樁處鋼筋應(yīng)變以及樁體所受土壓力的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，總結(jié)其變化規(guī)律，分析受力特點(diǎn)，有針對(duì)地對(duì)接樁處做好防護(hù)措施，利于整體施工的順利進(jìn)行。

5 橋梁樁基接樁位置凍脹的防治措施

5.1 改善季凍區(qū)樁基配合比

對(duì)混凝土配合比優(yōu)化，降低水膠比、控制含水率，優(yōu)選原材料[6]，優(yōu)化骨料級(jí)配，在混凝土中摻入優(yōu)質(zhì)引氣劑等，提高混凝土的抗凍等級(jí)，從而提高混凝土的抗凍性。

5.2 提高接樁施工質(zhì)量

樁基施工主要是通過(guò)水下灌注混凝土的工藝，一般樁基超灌注0.5m~1m，然后進(jìn)行樁頭的破除，施工接樁，由于樁基破樁頭過(guò)程中很容易使鋼筋彎折，操作不當(dāng)甚至使鋼筋折斷，同時(shí)泥水對(duì)接樁接觸面影響，會(huì)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(lái)提高樁基接樁位置處的施工質(zhì)量。通過(guò)季凍區(qū)接樁位置防凍脹施工技術(shù)研究，樁基在下發(fā)鋼筋籠過(guò)程中，在樁頂接樁位置對(duì)鋼筋進(jìn)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(zhì)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(guò)有效的彎折使鋼筋與墩柱鋼筋進(jìn)行對(duì)接焊接。

5.3 施加砂墊層

凍脹的產(chǎn)生，主要是因?yàn)樗膬鼋Y(jié)導(dǎo)致的，解決這一問題，可有效的減小凍脹病害的影響[7]。項(xiàng)目在接樁施工時(shí)在接樁底施加砂墊層，砂墊層寬度為樁周邊向外側(cè)延伸1m，向外的坡度為2%，形成一個(gè)圓形截水墊層，有效阻斷地下水向上發(fā)展，同時(shí)也作為接樁模板的底模，降低混凝土澆筑過(guò)程中的漏漿問題，也為作業(yè)人員提供了一個(gè)平整的地面，改善了基坑下作業(yè)不良的環(huán)境，減少水對(duì)凍脹的影響。

5.4 改變樁側(cè)介質(zhì)

通過(guò)力學(xué)分析可知，凍脹主要是切向凍脹力引起的[8]，使樁基產(chǎn)生凍拔現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^(guò)改變接樁側(cè)土的性質(zhì)和土體與樁的接觸面，消減切向凍脹力，通過(guò)季凍區(qū)接樁位置防凍脹施工技術(shù)研究，接樁側(cè)土體采用河卵石填筑，河卵石材料間空隙比較大，當(dāng)發(fā)生凍脹時(shí)不同粒徑的河卵石通過(guò)嵌擠可以縮小體積，抵消一部分變形，使切向的力變小。樁側(cè)粘貼厚度2cm的XPE材質(zhì)彈性墊，在受到凍脹力時(shí)，通過(guò)彈性變形，消減部分力，可以減少凍脹病害的影響。

6 總結(jié)

樁基在土體中會(huì)受到凍脹力的影響，而接樁的位置是整個(gè)結(jié)構(gòu)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(duì)該部位的影響，顯得尤為重要。該文依托于國(guó)道111線騰克至甘河農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接樁部位鋼筋的應(yīng)變以及樁體所受土壓力的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，得到了大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并分析總結(jié)其受力特點(diǎn)以及變化規(guī)律。針對(duì)接樁處的實(shí)際受力情況，有針對(duì)地提出了幾點(diǎn)接樁處凍脹的防治措施，包括改善配合比、提高施工質(zhì)量、施加砂墊層以及改變樁側(cè)介質(zhì)，通過(guò)采用這幾點(diǎn)防治措施，可以很好地減小凍脹作用對(duì)接樁處的影響，有利于提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，為類似工程項(xiàng)目提供借鑒。