桩筏在岛状冻土路基应用的可行性探究

张 冬 何东坡

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

所谓冻土，是指在0 ℃以下，冰与岩土的混合物。在冻土路基上修筑的道路，若不采用工程措施，冻土路基常会发生冻胀融沉而引发一系列路面病害问题，然而采取了一定的工程措施，也有很多达不到预期目标，如中国东北岛状冻土区，依然会发生很多道路病害，为了保护冻土路基上的工程质量，仍需对冻土路基的处理方法不断进行探究。通常情况下，依据冻土的连续性，可分为连续冻土和岛状冻土。连续性冻土多分布在我国海拔较高的青藏高原地区，岛状冻土多分布在高纬高寒地区，如我国的大小兴安岭地区。我国东北地区岛状冻土的含冰量高、冻土层厚、地温高、退化明显、热稳定性差，因此与其他地区相比其受工程建设扰动更为敏感，施工建设难度更大。这里主要针对我国东北岛状冻土区提出采用桩筏的处理措施，来最大程度地解决岛状冻土区路基的冻胀融沉难题。

1 冻土区路基的冻胀融沉原理

冻土的冻胀融沉程度主要是由冻土的含水量以及土体颗粒组成决定，粉砂、粉土、黏土类型的冻土地基更容易出现冻胀融沉，引发各种路面病害[1]。

1.1 冻土的冻胀性

碎石土，砾，粗、中、细沙不考虑土体的冻胀类别，对于粉砂和黏性土根据其含水量不同有可能判定为冻胀或者强冻胀[2，3]。土体的冻胀主要与毛细水有关，毛细水从水源处沿土体空隙上升，而毛细水的上升高度，随着空隙减小，上升高度越大，粗砂的理论毛细上升高度为2 cm与4 cm之间，而黏土理论毛细上升高度在5 m和6 m之间[4]。毛细水一旦结冰会形成冰核，会不断从周围汇集水分，冰核会慢慢变大，使土体变大，出现冻胀现象。冻土路基一旦处理不当，很容易出现冻胀现象。

1.2 冻土的融沉性

碎石土，砾，粗、中砂(粒径小于0.075 mm的颗粒含量不大于15%)，考虑含水量不同只划分为不融沉和弱融沉，一般可作为持力层。碎石土，砾，粗、中砂中粒径小于0.075 mm的颗粒含量大于15%时，当含水量不小于15%时可评定为融沉或者强融沉，粉砂、细沙、黏土当含水量过多时，也可评定为融沉或者强融沉，含冰土层则直接评定为融陷。冻土的强度主要由冰和土体颗粒共同承担，一旦冻土出现融化，整个冻土强度都会呈现不同程度的下降，土体颗粒越细，原有含水量越大，土体中各颗粒更容易被冰晶或冰块所分隔，不能直接相互嵌锁形成有效的土体强度，冻土强度会下降得很快，更容易出现融沉现象，颗粒越大，土颗粒越有可能形成空间骨架，冰颗粒融化后，冻土的强度可以由土体承担，强度下降有限，有可能出现弱融沉或者不融沉。

2 桩筏在岛状冻土区路基的应用

2.1 桩筏提出的工程背景

国道京漠公路樟岭(塔漠界)至西林吉段A1合同段地处大兴安岭地区漠河县内，沿线多为岛状多年冻土区，冻土类型有少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土及含土冰层。为保证路基稳定，综合地质勘察部门的建议，提出了岛状多年冻土区公路地基处理技术—桩筏处理措施。

2.2 桩筏的整体结构布置

桩筏的整体结构设计形式为筏板+桩基+混凝土垫层+EPS板+砂砾褥垫层，其中筏板与桩基整体浇筑，为方便施工，EPS板下铺设砂砾褥垫找平层。设计时可通过设定筏板厚度，选取若干组桩径、桩距组合，通过造价来最终确定桩长桩距组合。首先应根据地质勘察资料，确定桩基持力层，即确定桩长，同时确定桩基端阻参数。选取桩径，进行单桩承载力特征值的预估，根据上部受力，确定桩数和桩距。由桩数和桩长计算出所需桩的总长度，根据市场调研的桩长每延米的单价估算出总造价，最终确定出满足承载力需要又相对节约成本的桩径和桩距的组合。国道京漠公路K409+300～K409+400段岛状冻土区桩筏给出建议值为35 cm筏板+PHC-400AB(95)预应力空心管桩+10 cm混凝土垫层+10 cm EPS板+砂砾褥垫层。

2.3 桩筏解决冻土路基冻胀融沉的原理

针对冻土路基的冻胀问题，桩筏体系在设计时，筏板底部会铺设一层EPS板，EPS板的弹性模量可以相对较低。EPS板可以起到三方面的作用：一是具有保温作用，减少上部温度向下的传递，可以尽量保护筏板底部的冻土维持原状，减少融沉量，施工时选择的时机应为低温时期，更容易保护冻土的稳定[5]；二是可以减少可能的水分汇集，提前占据水分空间，减少可能的冻胀量；三是EPS板可以提供冻土冻胀时的变形空间，使冻土的冻胀应力得到释放，起到保护筏板的作用，解决冻胀的问题。

针对冻土路基的融沉问题，桩筏体系在设计时，桩与筏板之间不设置褥垫层，直接相连，上部荷载全部由桩筏承担。上部荷载首先会传递到筏板上，经由筏板传递到桩基础，再由桩基础传递到持力层[6]。桩筏体系不是复合地基，之间不需要进行刚度调和，因此在筏板和桩基之间可以不设置褥垫层。桩筏体系原则上不需要筏板底部的冻土分担上部荷载，仅由桩基受力，但在冻土未融沉前，冻土也会分担部分荷载，可以改善筏板受力状态，偏于安全。一旦筏板底面下的冻土出现融沉现象，不会对路面造成影响，从而从力学的角度解决了冻土路基的融沉问题。

2.4 桩筏应用推广的优势

桩筏体系能够在理论上很好地解决冻土路基的冻胀融沉问题，在实际推广中也具有一定的优势：

1)具备更好的处理效果，相对于换填路基，在冻土路基的实际施工中，季节性冻土常常下接多年冻土，多年冻土的深度一般比较深，冻土路基难以换填彻底，冻土路基换填材料一般为砂砾或碎石，虽然不再容易发生冻胀，但当冻土路基受到外界扰动，冻土退化时，很容易再次引发冻土路基的融沉，从而使路面出现不均匀沉降，呈现波浪形，而桩筏处理的冻土路基，桩基进入冻土层深度一般较深，当岩基较浅时，有可能入岩，受到冻土退化的影响较小，甚至不受冻土退化的影响。2)节约施工空间，在换填冻土的道路施工时，冻土很难长距离运输，往往堆放在道基两侧，占用多余的空间，破坏当地植被，后期往往需要植被恢复，桩筏体系的作业空间只在道路路基范围内即可。3)适用的冻土深度更广泛，冻土路基的一般处理，处理冻深小于6 m换填，大于6 m架设冻土桥，冻土桥的成本较高，换填路基较深，增加施工难度和施工成本，桩筏体系的注重点为持力层的选取，持力层依据实际情况可深可浅，适用的冻土深度更广泛，持力层的深度越深，成本会相对增加，但其成本一般会小于冻土桥，考虑到后期运营维护，其成本也可能会低于换填路基。如果需处理冻土较浅，则直接换填，当需处理冻土深度较深，架设冻土桥又成本过高时，此时选用桩筏结构会更为合适，因此推荐需要处理冻土深度在6 m附近时选择桩筏结构，综合经济性5 m～8 m为宜，其他处理深度视情况也可采用。

3 结论

1)通过冻土的冻胀融沉性分析可以发现：碎石土,砾,粗、中砂为良好的冻土地基填料，可以有效减少冻土路基的冻胀融沉量，而粉砂、粉土、黏土类型冻土地基为不良地基，更容易出现冻胀融沉，需要进行处理。2)通过对岛状冻土区地基桩筏的结构分析，提出了岛状冻土区桩筏的结构形式为筏板+桩基+混凝土垫层+EPS板+砂砾褥垫层。3)通过桩筏解决岛状冻土冻胀融沉分析，可以得出桩筏结构能够很好的解决冻土路基的冻胀融沉问题，值得推广。4)桩筏在实际推广应用过程中，推荐处理深度为6 m左右，建议范围为5 m～8 m为宜。