严寒地区冻土层对桩基承载力影响分析与应用

廖福兴

(中铁十三局集团第四工程有限公司)

1 工程概况

1.1 试桩设计参数

扎龙特大桥工程试验桩共设计3组，布置及相关参数详见下表1。

表1 试验桩设计参数

1.2 地质条件

试验桩位置位于扎龙湿地保护区，地形平坦开阔，试桩地层为湿地区域，岩性为黏土、粉质黏土、粘土、粉质粘土、粉砂、中砂。

1.3 气候条件

所处地区属于严寒气候地区，极端最低气温-43℃，近年最冷1月份多数在-34℃。土壤最大冻结深度为2.72m。

2 试验桩施工方案

2.1 基本情况

试验桩位置:选取两墩间的场地作为钻孔桩试桩位置，试验桩设在桥位的施工便道外侧，距即有线距离约为15～45m。钻机选择为旋挖钻机和反循环旋转钻机。钻孔泥浆采用由水、膨润土按比例配制而成。

2.2 试验桩的设计

按照锚固桩加力架法，设计每组试验桩共11根，其中试验桩3根，锚桩8根。钻孔桩桩径Φ1.00m，桩身采用C30混凝土，桩帽采用C35混凝土。试验桩及锚桩采用钻孔灌注桩。

2.3 试桩目的

(1)测定单桩竖向荷载作用下的荷载和变形。(2)测定桩的分层侧阻力和端阻力。(3)检验成桩工艺及质量控制。

3 现场施工与检测

3.1 试验桩位置及参数

第一组试验桩位于中心里程DK223+411.70处，设计试验桩共3根，锚桩8根。钻孔桩桩径Φ1.00m，桩长47m，试验桩单桩设计承载力3626.32kN，单桩容许承载力3997.00kN。桩身采用C30混凝土。

3.2 施工方案

本组试桩采用旋挖钻机成孔，导管法灌注水下混凝土的施工方案。按冬季施工实施，采取冬季施工措施。

3.3 桩身质量检测

桩的完整性良好，桩身质量合格。

2010年3月29日，经北京铁五院检测中心进行低应变检测，3根试验桩，都是Ⅰ类桩，桩的完整性良好，桩身质量合格。

3.4 单桩竖向抗压静载荷试验

(1)单桩竖向抗压静载试验的基本原理

单桩竖向抗压静载试验，是一种原位测试方法，其基本原理是将竖向荷载均匀地传递到桩基上，通过实测单桩在不同荷载作用下的桩顶沉降，得到静载试验的Q-S曲线及S-lgt等辅助曲线，然后根据曲线推求单桩竖向抗压极限承载力等参数;根据安装于桩身侧面及桩底的测试仪测定桩的分层极限摩阻力和极限端阻力值。

本实验采用锚桩反力梁法，采用4锚1试。基准梁由两根6m长型号15b的工字钢组成。

(2)单桩竖向抗压极限承载力的确定

①根据沉降随荷载变化的特征确定。对于陡型Q-S曲线，取其发生明显陡降的起始点所对应的荷载值。

②根据沉降随时间变化的特征确定。取s-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值。当在某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且24h尚未达到稳定标准时，取前一级荷载值。最后，编制单桩竖向抗压静载试验荷载-沉降汇总表，绘制有关试验曲线，绘制桩身轴力分布图，计算不同土层的分层侧摩阻力和端阻力值，最后确定单桩竖向抗压极限荷载。

4 试验结果与分析

4.1 试验结果

2010年4月22～27日，北京铁五院检测中心对3根试验桩进行了单桩竖向抗压静载荷试验，试验结果见表2。

表2 单桩竖向抗压静载荷试验

4.2 对极限承载力不能满足设计要求的桩的处理方案

(1)选取一根工程本体桩进行静载试验检测。

(2)在试桩位置另一侧，利用既有的锚桩，翻边加倍再做4根试验桩，6根锚桩，扩大抽检数量。

4.3 影响因素分析

寒区冻层土段的桩基侧阻力受影响较大。

第一组试桩施工时间为2010年1月29日至2010年2月7日。

试桩检测时间为4月22日至5月10日，正处于北方的冰冻融化期。在季节冻深范围内，当试验过程中冻土被破坏后，减小了摩阻力，必然对试验桩承载力产生影响，一般磨擦桩，承载力以桩周土摩阻力为主，桩基静载检测实测数据充分说明了这一点。

4.3.1 实测桩身分层极限摩阻力分析

冬季施工的第一组试桩实测桩身分层极限摩阻力值在21～60kPa之间，平均值为41.7kPa。而在相同位置，夏季施工的翻边试桩实测桩身分层极限摩阻力值在35～85kPa之间，平均值为64.8kPa。夏季施工检测与冬季施工检测时实测桩身分层极限摩阻力值相差23.1kPa。

表3 第一组试验桩(冬季施工)桩身分层极限摩阻力表

表4 复核试桩(夏季施工)桩身分层极限摩阻力表

4.3.2 冻层段因受力突然破坏，影响检测数据值

试桩检测时间，正处于北方的冰冻融化期，对于非冻层部分，冻层部分形成一个硬盖，当受力到一定程度会突然破坏，试验过程中冻土层被破坏后，会丧失摩阻力。在试验荷载持续作用下，摩阻力的突然丧失，会造成桩的受力瞬间减少，沉降量突然加大，超出检测允许变化量差，影响检测结果判断。

5 结束语

通过验试桩施工和检测，验证了设计参数，总结了施工工艺，确定了施工参数，对全桥钻孔桩施工具有指导意义。

但桩基的侧摩阻力在遇到冬季冻层段时有所降低，影响桩基承载力，是在冬季进行桩基静载试验检测时需要充分考虑的因素。