多年冻土桩基快速成孔技术研究

王宝祥，马功旭

(黑龙江省龙建路桥第五工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150070)

1 桥梁工程施工中冻土地基的特性

1.1 冻土地基

一般情况下，冻土的组成成分及结构构造比较特殊，它在物理层面具有独特的受力特性，是一种带有冰晶的岩土，它的温度在0 ℃之下。冻土地基的组成成分包括液态水、固态水、气态水以及固体的矿物质颗粒这四大类。

1.2 冻土的工程特性及地基处理

液态水、固体矿物颗粒、气体水和固态水这4种物质是冻土的重要组成成分。除固体矿物颗粒外的其他三种物质均会受到温度的影响，随着温度的变化而变化。冻土按照性质主要可以分为三大类，分别是硬冻土、塑性冻土、松散型冻土。多年冻土根据所属土壤的含盐量以及有机物质的不同分为多年盐渍化冻土和多年冻土泥炭土。冻土还可以根据它的持续时间分为季节性冻土和永久冻土。根据土质本身的隆起程度和解冻性质还可以分为诸多类别的冻土。假设某一区域的冻土连续冻结超过三年以上，那么他的受力性质(物理受力)则会随着温度的变化而变化，永久冻土会在冻结状态下发生融化、冻胀的现象；而季节性冻土会在夏天时完全融化，在冬天时地面表层也会结冰，季节性冻土有着一年一次冻融交替的特性。

1.3 工程特性

冻土地基的工程特性就是在表层土质被冻结，这种状态下冻土是不具压缩性或者压缩性很低并且拥有较高强度的。冻土一旦融化，则会对承载力产生极大影响，极大程度减少承载力，压缩性变化较大，容易导致地基融陷的发生；受到冻胀的土质会对地基承载力造成极大的影响，甚至会有安全隐患。冻胀和融陷会受到颗粒土的粒径和含水率的影响，一般这二者成反比，颗粒土越粗，含水率就越小，土的冻胀和融陷性也越小；反之越大。

1.4 多年冻土

年平均气温保持在-0.1 ℃时，会坚硬冻结应力层地基土，融化的最大范围内有层间冻土和融沉土。采用维持冻土状态的处理方法，包括架空通风基础、填充通风管道基础、粗粒土填充物基础、热桩(棒材)基础、保温地板等措施。

年平均气温可维持在-0.5～1.0 ℃，此时冻土处于冻结的状态(塑性状态)，分布在受力层以上，超过融化最大深度的是弱融化沉降土或者不融化沉降土。永久冻土会受到高温导致的热影响。可采用低压缩土层作为持力层或者采用逐渐融化的方法增加基础埋深。

年平均气温应不低于-0.5 ℃，地基土在受力层以上，正处于塑性的冻结状态，超过融化最大深度以上有夹层冻土和融化湿陷性土。粗粒土可以用来代替细粒土或压实，增加基础埋深。

1.5 冻胀性

冻胀性是土在冻结过程中土体膨胀的特性。在地球这个大有机体下，受到大气温度变化的影响，土层中的水会发生一些性质上的改变，例如土体收缩或是膨胀。发生这种膨胀的现象就被称为冻胀，膨胀这种现象是由于土质中的自由水结冰引起冻土的体积膨胀而发生的。另一种收缩的现象被称为解冻过程。冻胀特性受到土层的深度、粒径、含水率和密度的影响。地基当中冻土冻胀的发生是影响冻土层内结构(即桥梁稳固性)的最重要因素。

2 冻土桩基地质层及设计方案

(1)认真学习冻土知识以及相应的规范、细则后进场；

(2)仔细核对设计文件后再进行施工，同时应全面调查与核实当地桥位的地质，如有必要时可以进行补充地质勘探；

(3)机械设备的选型和配套工作格外重要，务必要认真安排部署，在充分考虑功率的降效条件下采用高效率机械进行施工；

(4)按照项目部编制的施工进度计划，做出工程耗材的采购和储备应策；

(5)测量员放样应在稳定土层或基岩上设置控制桩，并做混凝土包裹防护处理，跨冻融季节使用埋入冻土层的控制桩时，埋深必须不低于二倍的天然上限，控制桩的周围用粗粒土进行回填，以避免冻融导致桩位偏移。

3 冻土桩基施工机械的选择

钻机的选择方面：钻机的选择必须满足快速施工原则的条件，同时通过国道嘉荫至临江公路嘉荫至汤旺河段改扩建工程的施工经验，以国道嘉荫至临江公路嘉荫至汤旺河段改扩建工程中使用的三一重工SR405旋挖钻为例，钻孔桩施工时宜采用与其同级别或以上旋挖钻机进行钻进。

4 冻土桩基快速成孔施工质量的控制要点

4.1 施工准备

首先需要工程测量员抵达施工现场进行测量放样工作，确定各个钻孔桩的桩心位置。钻孔桩桩心的纵横位置偏心不允许超过5 cm，同时应将护桩设置在桩的四周，设置后可以随时检验桩心是否偏移和标高是否变化。挑选好钻孔场地后，布置场地应以筑岛的方式展开，尽量摒弃挖土的方式以减少对原地表开挖引起的热扰动，热扰动会导致冻土层受热融化。并且应该在钻机驾驶舱及履带下铺设隔热板这样可以减少对原地表的热侵入，防止发生热交换导致的冻土融化。

4.2 埋设护筒

在嘉汤项目施工线，护筒布设方面应该采取其他相应的降低桩基础抗拔力的载体受冻土影响的有效措施采取，而并不仅仅为使钻孔作业正常进行而保护孔口。详细的步骤为在冻土层上限以上的一定高度埋入钢护筒，并在护筒外壁表面涂上油，在成孔后为减少外表面的亲水程度从而不需拆除钢护筒，进而减小在冻土影响下桩基础受到的上拔力。钢护筒应采用5～6 mm厚的钢板进行加工卷制，筒壁内孔径比桩基础设计直径大二十公分为宜；当在小兴安岭等冻土常年不化的地区进行施工时，护筒应埋置在冻土上限以下0.5 m及以下位置；同样需要在钢护筒外壁进行涂油，但是此时埋置方式与常见的方式并不相同。如果施工现场拥有稳定性好的地表土，同时施工环境中不存在地表水影响时，应先让钻机进场，而后用比钢护筒直径大十公分的钻头进行扩孔下钻，钻至冻土上限以下0.5 m之后的深度停止进尺，进行钢护筒埋设。与前文一样的是护筒外壁一定要涂油。

4.3 钻机就位

旋挖钻是利用自身可移动式履带车身移动到位的。在开钻之前，应当安排专业机械手提前对钻杆的垂直度进行校正，由测量员仔细复合来确保钻头位置正确，经过这两步的校正可以防止钻孔过程中扩孔或塌孔等情况的发生。

4.4 旋挖钻机干法钻孔

在安装护筒后进行正式钻孔。旋挖钻进是利用旋挖钻杆顶部的液压马达向下压，同时利用旋挖钻头旋入土中，土被挤到料斗中，然后从孔中放出来，直接进入自卸车。进行钻井时，各项目应根据工程所在区域的自有地质条件而选择相应的、合适的钻头。