严寒地区路基CFG 桩冻胀破坏机理研究

刘庆军

（中铁十四局集团第四工程有限公司，济南 250031）

1 引言

目前，我国在东北严寒地区已建成多条铁路客运专线并投入运营。后续多条线路正在施工或即将开工，对于部分软基段落，一般设计采用CFG 桩进行处理。受工期影响，部分CFG桩需进行越冬施工。根据哈（尔滨）牡（丹江）铁路和哈（尔滨）佳（木斯）铁路的施工经验，CFG 桩在施工完成后如未及时填筑路基需要进行越冬时，需对CFG 桩采取覆土措施，防止冻胀导致出现浅层断桩【1】。即将外露的CFG 桩顶进行覆土保护，覆土厚度超过冻胀深度，以防止土壤冻胀对CFG 桩造成冻胀破坏。但该项处理措施的理论依据不足，且处理时需提前覆土，影响了正常施工，同时大量土方倒运，成本较高。为明确冻胀发育机理对CFG 桩的破坏，本文根据相关文献对冻胀作用力进行了理论计算，分析了冻胀发育机理，提出了新的防冻胀措施，并在牡（丹江）佳（木斯）铁路施工过程中进行了验证，明确了CFG 桩受冻胀破坏的影响因素，对严寒地区铁路路基CFG桩越冬施工具有一定的指导意义。

2 工程概况

牡佳高速铁路均位于黑龙江省，根据既有气象资料表明，沿线各地区历年最冷月平均气温为-15.3～-18.23℃，累年极端最低气温为-32.8～-38.8℃，属严寒地区，沿线地貌主要为低山丘陵区及冲洪积平原，土壤最大冻结深度2.4m。铁路路基软基段落处理形式多采用CFG 桩形式。以牡佳高铁佳木斯市桦南县桦南镇的CFG 桩段落为例，基底地层结构自上而下分别为黏土（3～5m）、粉质黏土（1～2m）、粗砂（2～4m）、砾砂结构（2～6m），地下水埋深0.8～2.5m，主要赋存于黏性土及砂类土中，由大气降水入渗补给和地下径流补给，蒸发排泄，地下水及土壤对混凝土结构不具侵蚀性。CFG 桩基础桩径为0.5m，采用长螺旋钻孔，管内泵压送混合料成桩工艺，桩体强度等级为C20，桩长介于4.5～7.8m 之间。

3 冻胀作用力的计算

根据现场施工经验，路基工程CFG 桩基础易受冻胀作用影响从而出现断桩，导致出现较大的质量破坏和经济损失，因此，准确判断CFG 桩冻胀破坏机理并提前采取规避措施成为严寒地区CFG 桩施工的首要任务。通过对严寒地区基础结构所受的冻胀作用力进行分析，将冻胀作用力分为2 部分，分别为切向冻胀力和法向冻胀力。

法向冻胀力为地基在上部荷载的作用下，拟计算的某一深度处冻结锋面上，在基础附加应力扩散面积之内冻胀应力的积分【2】，是基础底部下卧土体发生冻胀时对基础发生的向上的作用力，由于CFG 桩长大于最大冻结深度，因此，在进行受力分析时，不予考虑法向冻胀力的影响。

切向冻胀力是垂直于冻结锋面，平行于基础侧面的冻胀力，当土体向上冻胀时，以冻结力为媒介，顺着冻胀方向作用于基础侧面【3】，可分为单位切向冻胀力和相对切向冻胀力。单位切向冻胀力是指基侧表面单位面积上的冻胀力，即切向冻胀总力除以冻土层中基础的侧表面积得到平均单位切向冻胀力。相对切向冻胀力是指基础单位周边长度上的切向冻胀力，即切向冻胀总力除以基础周边长度【4】。

在进行冻胀受力分析前，先确定现场路基基底土壤的冻胀级别和冻胀量，对土壤的冻胀性进行分类。需要确定的相关参数包括土的名称、冻前天然含水量ω（%）、冻结期间地下水位距冻结面的最小距离hw、平均冻胀率η（%）、冻胀等级和冻胀类别【5】。

以佳木斯市桦南县牡佳高铁沿线路基基底土壤性质进行分析，确定冻前天然含水量为4%＜ω＜10%，冻结期间地下水位距冻结面的最小距离hw＜1.5m，根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》附录G，将现场土壤界定为弱冻胀土。如表1所示。

表1 单位切向冻胀力取值范围

3.1 总切向冻胀力计算

根据相关公式，在有实测冻深的情况下，总切向冻胀力计算为：

式中，T 为总切向冻胀力；τa为单位切向冻胀力，kPa；U 为桩在冻层内周长，m；Hp为实测土的冻深，m；τ1为冰的单位切向冻胀力，kPa；Hp1为实测冰的厚度，m。

根据现场冻深及实测冰的厚度等参数，得出总切向冻胀力T 的取值范围为51.8～172.7kN。

CFG 桩的强度等级为C20，根据经验公式，C20 混凝土的抗剪强度与抗压强度值之间的关系为【6】：

式中，τ 为混凝土抗剪强度；fcu，k为混凝土抗压强度，取值为20MPa；K 为混凝土抗剪强度与抗压强度值取值系数，取值0.095～0.121。

CFG 桩中剪切应力计算公式为：

式中，T 为剪切应力；A 为 CFG 桩截面面积；τ 为混凝土抗剪强度。

在进行现场施工时，为确保混合料的泵送，配合比与混凝土配比相同，混合料抗剪力取下限，可得C20 混合料剪切应力为372.8kN，通过上述计算可知，CFG 桩的桩身混合料抗剪应力远远大于总切向冻胀力。因此，当CFG 桩达到设计强度时，总切向冻胀力对CFG 桩完整性的影响远远不足以造成剪切破坏。

3.2 抗冻拔力计算

根据切向冻胀力对桩基作用的分析，为保证CFG 桩抗冻拔稳定性，必须保证冻胀区段的冻拔力小于CFG 混合料的容许应力，即：

式中，σ 为验算截面应力，kPa；K 为结构安全系数，取值 1.2；T为总切向冻胀力，kN；P 为作用在单桩上的恒载，kN；G1为拉断截面以上桩身自重，kN；F1为拉断截面以上暖土层对桩侧的摩阻力，kN；A 为拉断截面面积，m2；[σ] 为材料容许应力，kPa，CFG 桩C20 混合料容许应力根据设计取值为1 100kPa。

根据上述公式，以平均桩长5.0m，平均冻胀深度2.2m，断桩位置1.0m 为例进行抗冻拔计算，按照总切向冻胀力为51.8～172.7kPa 的取值范围，得出截面应力σ 的取值范围为-1 883.2～-1 144.0kPa，远远小于混合料容许应力。

4 理论验证

根据冻胀作用力计算结果，可以确定CFG 桩在经过越冬后造成的断桩破坏不是受冻胀力直接影响，通过对哈牡、哈佳铁路施工时出现的CFG 断桩进行排查，发现越冬后断桩的情况包括以下4 点：

1）机械扰动，CFG 桩在施工过程中大型机械在桩顶行走未采取保护措施，或桩头开挖时由于机械碰撞造成桩头扰动；

2）桩身垂直度偏差较大，通过对断桩进行开挖，发现部分桩身垂直度偏差超标；

3）桩顶存在“蘑菇头”现象，桩顶标高及超灌问题未得到有效控制；

4）受工期影响，部分CFG 桩为冬季施工，且施工完成后在CFG 混合料强度正常增长前未采取有效的覆盖保温措施。

根据理论计算结果，结合现场情况，分析CFG 桩越冬后断桩的原因如下：

1）机械扰动造成桩身上部受到挤压破坏；

2）桩身垂直度偏差较大，造成切向冻胀力和竖向冻拔力的累加，达到桩身抗剪极限，严重情况下导致桩身断裂；

3）桩顶扩大，受冻土膨胀影响，桩顶周围土体冻胀对扩大的桩头部分产生的冻拔力大于桩身断裂截面以上的自重，导致断桩问题出现；

4）冬季施工时，桩身在混合料未达到抗剪强度前受到切向冻胀力破坏，即冬季施工时未采取有效措施保证桩身混合料强度的增长，在急速降温的情况下，造成切向冻胀力对桩身产生破坏。

上述原因中，第1）条为施工工艺问题，与是否越冬无关。针对第2）、3）、4）条原因，采取了下列措施进行验证：

1）严格控制桩身垂直度；

2）避免冬季施工，所有CFG 桩施工在进入冬季施工前结束；

3）采取新工艺，在施工过程中通过小型挖机和人工配合，及时清理钻渣，控制桩顶超灌，避免了“蘑菇头”问题的发生；

4）选取了20 根桩进行试验，在越冬前切除桩头后进行低应变检测，桩身完整性良好。越冬期间保持桩头裸露，未采取覆盖保温措施，至第二年春融后再次进行低应变检测，检测结果与越冬前结果一致。

5 结语

当铁路路基设计有CFG 桩且需要越冬时，需对基底土层的冻胀性进行严格判断，不同土壤的冻胀性对CFG 桩冻胀的破坏程度不同。当土层为弱冻胀或一般性冻胀的情况下，可采取上述措施保证CFG 桩的越冬质量，即避免冬季施工、保证混合料质量和垂直度、避免桩头超灌。采取上述做法可极大地节省覆土保温的费用，且措施方便可行，具有可推广性，对严寒地区的CFG 桩越冬施工具有指导意义。