季冻区桥梁桩基接桩位置冻胀的防治

王志远

（中交路桥北方工程有限公司，北京 100024）

0 引言

季节性冻土地区由于土体的反复冻融，对桩基础的危害极大[1-2]。据调查寒冷地区桩基础冻胀现象发生频率在90%以上，而桥梁接桩位置正处于发生冻胀的位置。所谓接桩是指桩基与墩柱连接部位，为了钢筋的焊接和直径的变化调整，而将桩基向下扩1m，连接好桩基和墩柱钢筋后，重新浇筑桩基混凝土的工艺。由于桩基接桩位置的钢筋需要进行调直、弯折，并与墩柱钢筋进行连接，二次浇筑混凝土，在接桩位置会形成施工缝，长期受水影响，钢筋极容易生锈。接桩施工一般是需要在基坑内进行，基坑伴有水和泥沙，施工环境较差，接桩处是比较薄弱的位置，而内蒙地区的气候特点，接桩位置处于发生冻胀的位置，所以接桩位置的冻胀防治具有重大意义。

1 工程概况

国道111线腾克至甘河农场段公路建设项目起讫桩号为K1713+000~K1763+757.301，路线主线长约50.757km，采用双向四车道一级公路标准建设，路基宽26m，设计速度100km/h。全线设大桥681.5m/3座，中桥386m/8座，小桥38m/2座。该项目共有桩基417根，所有桩基接墩柱工艺全部采用接桩的办法，该项目区季节性冻土标准冻深为2.4m~2.6m，冻深正处于桩基接桩位置，由于内蒙地区冬季时间长、气温低，因此冻胀病害的防治对桥梁的安全至关重要。

2 桩基接桩位置冻胀产生的主要原因

当气温降至0℃以下时，桥梁桩基侧的土体开始冻结，按照内蒙地区的气候特点，冻结深度在2.4m~2.6m。首先土基表层的土体先冻结，由于气温降低，温度由表层传递至土体下层，使冻结深度持续增加，此时土体下的水分在土体内由温度较高处向温度较低处移动，使土基的上层水分增多并冻结成冰[3]。该过程随时间的增加，未冻区有充分的水供给，水分继续移动，使桥梁桩顶处大量聚冰，由于聚冰积累越多，因此冻胀也就越大。

3 桩基受力分析

3.1 冻拔分析

冻拔即作用在桩表面的切向冻胀力总和[4]，大于作用其自重、桩侧摩阻力以及上部荷载总和，此时桩基就会发生整体冻拔，可用式（1）表示。

式中：W—切向冻胀力总和；G—桩基自重；F—桩侧摩阻力；N—桩顶荷载之和。

3.2 拔断分析

桩基拔断即因为总切向冻胀力的作用，桩身截面抗拉强度不足，因此被拔断，如公式（2）所示。

式中：G1—验算截面上部桩自重；F1—验算截面上部桩侧摩阻力：A—验算截面纵向钢筋面积：R—纵向钢筋抗拉设计强度。

3.3 抗冻拔稳定性分析

季冻区钢筋混凝土桩基为满足其抗冻拔稳定性，应满足不能整体发生冻拔，也不能被拔断两个条件，可用式（3）、式（4）来表示。

式中：K为结构安全系数。

式中：r为钢筋安全系数。

4 季冻区冻胀作用的监测研究

桩基施工完毕后进行破桩头施工，在桩头位置布置电阻式应变传感器，接着浇筑接桩混凝土，基坑回填之前在接桩混凝土侧面布置振弦式土压力计，回填基坑后持续测试钢筋应变变化以及土压力计的读数变化，通过数据变化验证冻胀对桩的冻拔作用，同时对地表进行监测，检验冻胀对桩接柱位置地表隆起的影响，根据监测数据进行分析。

4.1 测点布置

4.1.1 电阻式应变传感器布置

接桩钢筋笼安装完成后，找到钢筋笼的东西南北4个方位的4根主筋来进行钢筋应变观测，以桩头顶部即桩柱结合部的位置为对称轴，在其以上、以下5cm处以及25cm处的位置黏贴电阻式应变传感器，每根主筋布置4个应变传感器，4根主筋共布置16个应变传感器。另外在北面和西面贴近主筋应变传感器位置的螺旋箍筋上，分别布置4个应变传感器，即箍筋共布置8个传感器，总共24个电阻式应变传感器，24个观测点，测点布置如图1所示。

图1 电阻式应变传感器测点布置图（单位cm）

4.1.2 振弦式土压力计布置

基坑回填之前，在桩头北面和东面（朝向基坑内其他桩基）的底部和顶部的混凝土侧面分别安置一个土压力计，共4个土压力计，其安放位置如图2所示。

图2 振弦式土压力计布置图

4.2 数据分析

4.2.1 电阻式应变传感器数据采集及应变分析

利用IMC动静态数据采集系统进行数据采集，每15d采集一次数据，每次采集时间30min，共采集12次，每次采集时的温度见表1。

表1 应变采集次数与温度变化

根据采集时的温度与钢筋应变可以发现几点冻胀作用对钢筋应变的影响规律：1）随着温度的降低，主筋的应变持续上升，箍筋的应变持续下降。说明切向冻胀力使桩基上拔，从而使主筋得到拉伸，产生正的应变，而水平冻胀力通过挤压桩基，使箍筋得到压缩，从而产生负的应变。温度越低，土中的冻胀力越大，钢筋的应变越明显。2）主筋与箍筋上的应变片从上到下共分为4层，从图3中可以看出钢筋的应变分为4个水平，从上到下的应变逐渐减小，说明离地面越近，其所受冻胀力越明显，钢筋的应变越大。四个方向每层的钢筋应变相差不大，说明四个方向所受到的切向冻胀力相差很小，桩体受力比较均匀。

图3为选取的主筋1上4个测点的采集次数与钢筋应变，图4为箍筋上选取的4个测点的采集次数与钢筋应变情况。

图3 主筋16个测点的采集次数与钢筋应变

图4 箍筋8个测点的采集次数与钢筋应变

4.2.2 振弦式土压力计数据采集及分析

采用常州市金坛勘探土木工程仪器厂生产的土压力计，每个仪器都带有编号，测量范围为0MPa~1.0MPa。数据采集仪使用金码测控的综合测试仪JMZX-3006L。

对土压力计做好标定后，埋入桩头混凝土的侧表面，每15d采集一次数据，每次采集5组数据，采集时的温度见表1，利用公式计算其土压力[5]。对桩体的侧表面，其所受土压力的变化主要受水平冻胀力的影响，对所埋入的4个土压力计经过多次数据采集，整理分析，可以看出：1）随着温度的降低，土中切向冻胀力逐渐增大，桩体所受土压力也逐渐增大，当温度变化不大时，其土压力值仅有些许变化，说明温度对土压力的影响很大。2）在桩头顶部的土压力略大于桩头底部的土压力，说明桩头顶部所受切向冻胀力大于底部，但相差不大。3）桩头东面与北面土压力的数值相差不大，说明土中水分较均匀，同一水平面的切向冻胀力很相近。图5为土压力数值变化情况。

图5 土压力统计

4.3 桩基接桩冻胀力监测总结

接桩处所受冻胀力主要包括切向冻胀力与水平冻胀力，如果桩体所受水平冻胀力不均，就有可能使桩体发生倾斜，当切向冻胀力大于桩体自重时，就会使桩体发生冻拔，严重情况会发生拔断现象，可见冻胀力对桩体的影响很大。相对来说，接桩处是整个桩体最薄弱的地方，对接桩处钢筋应变以及桩体所受土压力的长期监测，总结其变化规律，分析受力特点，有针对地对接桩处做好防护措施，利于整体施工的顺利进行。

5 桥梁桩基接桩位置冻胀的防治措施

5.1 改善季冻区桩基配合比

对混凝土配合比优化，降低水胶比、控制含水率，优选原材料[6]，优化骨料级配，在混凝土中掺入优质引气剂等，提高混凝土的抗冻等级，从而提高混凝土的抗冻性。

5.2 提高接桩施工质量

桩基施工主要是通过水下灌注混凝土的工艺，一般桩基超灌注0.5m~1m，然后进行桩头的破除，施工接桩，由于桩基破桩头过程中很容易使钢筋弯折，操作不当甚至使钢筋折断，同时泥水对接桩接触面影响，会使接桩位置处很容易形成薄弱层。所以，有必要采取有效的措施来提高桩基接桩位置处的施工质量。通过季冻区接桩位置防冻胀施工技术研究，桩基在下发钢筋笼过程中，在桩顶接桩位置对钢筋进行缠绕透明胶带，外套PVC管，透明胶带有很好的防水作用，使钢筋不易生锈，外套PVC管可以有效提高桩头的破除质量，使钢筋与混凝土不接触，在破桩头后保证了钢筋顺直，通过有效的弯折使钢筋与墩柱钢筋进行对接焊接。

5.3 施加砂垫层

冻胀的产生，主要是因为水的冻结导致的，解决这一问题，可有效的减小冻胀病害的影响[7]。项目在接桩施工时在接桩底施加砂垫层，砂垫层宽度为桩周边向外侧延伸1m，向外的坡度为2%，形成一个圆形截水垫层，有效阻断地下水向上发展，同时也作为接桩模板的底模，降低混凝土浇筑过程中的漏浆问题，也为作业人员提供了一个平整的地面，改善了基坑下作业不良的环境，减少水对冻胀的影响。

5.4 改变桩侧介质

通过力学分析可知，冻胀主要是切向冻胀力引起的[8]，使桩基产生冻拔现象。可以通过改变接桩侧土的性质和土体与桩的接触面，消减切向冻胀力，通过季冻区接桩位置防冻胀施工技术研究，接桩侧土体采用河卵石填筑，河卵石材料间空隙比较大，当发生冻胀时不同粒径的河卵石通过嵌挤可以缩小体积，抵消一部分变形，使切向的力变小。桩侧粘贴厚度2cm的XPE材质弹性垫，在受到冻胀力时，通过弹性变形，消减部分力，可以减少冻胀病害的影响。

6 总结

桩基在土体中会受到冻胀力的影响，而接桩的位置是整个结构最薄弱的部位，因此研究接桩处的受力情况，采取一定的防治措施，减小冻胀作用对该部位的影响，显得尤为重要。该文依托于国道111线腾克至甘河农场项目，通过现场对接桩部位钢筋的应变以及桩体所受土压力的长期监测，得到了大量的现场数据，并分析总结其受力特点以及变化规律。针对接桩处的实际受力情况，有针对地提出了几点接桩处冻胀的防治措施，包括改善配合比、提高施工质量、施加砂垫层以及改变桩侧介质，通过采用这几点防治措施，可以很好地减小冻胀作用对接桩处的影响，有利于提高结构的稳定性和耐久性，为类似工程项目提供借鉴。