萬學(xué)儉 趙樂剛

摘要：東北高緯度嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路施工中不可避免地要經(jīng)歷冬季，需冬施或者在建狀態(tài)越冬。路基工程在冬季停工時(shí)極易受凍。本文根據(jù)某項(xiàng)目工程實(shí)例，分析凍害產(chǎn)生的機(jī)理和原因、處理和預(yù)防的措施，為多年凍土和季節(jié)性凍土地區(qū)的路基冬期施工積累經(jīng)驗(yàn)，可供同類工程施工中參考借鑒。

關(guān)鍵詞：嚴(yán)寒地區(qū);路基;凍害;教訓(xùn)

1工程概況

1.1自然及氣候氣象條件

新建東北地區(qū)某客運(yùn)專線鐵路位于寒冷地帶，施工中涉及防凍脹、防雪害、冬季施工等技術(shù)難題。該地區(qū)冬季一般持續(xù)4個(gè)月左右，有效施工期較短。為滿足工期要求，部分工程需安排冬期施工，大部分工程需在建狀態(tài)下越冬，尤其是路基工程基底處理和土工結(jié)構(gòu)物冬停時(shí)極易受凍，來年繼續(xù)施工時(shí)易將未解凍土層埋于土層深處，造成反復(fù)凍融引起結(jié)構(gòu)物病害，甚至造成永久凍層。

工程所處地區(qū)地形起伏變化較大，工程地處嚴(yán)寒地區(qū)，地表普遍分布季節(jié)性凍土，一般每年10月下旬開始凍結(jié)，次年3月達(dá)到最大凍結(jié)深度，最大凍結(jié)深度1.91～2.05m，路基經(jīng)受周期性凍融循環(huán)作用，極易引起凍脹，因此對路基填料、施工質(zhì)量要求嚴(yán)格。

工點(diǎn)位于河谷及山間洼地、溝塘等地段，分布有淤泥質(zhì)土，灰黑色，軟塑～流塑。河谷區(qū)主要分布在水田地表層，一般厚度0.3～0.8m，路基基底需換填處理。沿線不良地質(zhì)主要為松軟土，松軟土主要為黃褐色、灰褐色粉質(zhì)黏土、黏土，軟塑，局部流塑。松軟土承載力、壓縮模量較低，路基基底加固處理時(shí)防排水措施不當(dāng)易形成地基內(nèi)富水造成凍害。

本地區(qū)屬中溫帶，濕潤～亞濕潤大陸性氣候，冬季寒冷漫長，夏季濕熱短暫，春季干燥多風(fēng)。多年平均極低氣溫-38℃，年平均氣溫4.4℃，累年最低月平均氣溫-18.4℃。地處嚴(yán)寒地區(qū)，秋季降雨不易蒸發(fā)，導(dǎo)致表層土天然含水率增高，冬季易遭受凍害，春季融雪積水，更易出現(xiàn)反復(fù)凍融現(xiàn)象。

1.2施工情況

某客運(yùn)專線工程車站路基（里程DK138+966～DK139+030）段基底加固處理措施為CFG樁，樁徑0.5m，樁長6m，樁間距2m，共33排32列969根。設(shè)計(jì)地質(zhì)情況分別為粉質(zhì)黏土～粉砂;粉質(zhì)黏土～中砂;粉質(zhì)黏土～粗砂;凍結(jié)深度1.91m。

本段CFG樁施工日期為2015年9月26日至10月11日。施工前將地表土清除，并將場地平整至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高以上50cm。采用長螺旋鉆機(jī)施工，地泵灌注混凝土，通過工藝試驗(yàn)確定的拔管速度和工藝保證混凝土灌注連續(xù)，灌注量滿足設(shè)計(jì)數(shù)量。樁頭標(biāo)高均控制在設(shè)計(jì)樁頂以上50cm以內(nèi)，現(xiàn)場樁間土開挖時(shí)無大樁頭現(xiàn)象。樁體混凝土檢查試件28天強(qiáng)度為23.2～27.1Mpa。

施工方案、作業(yè)指導(dǎo)書、技術(shù)交底中均提到以下內(nèi)容：CFG樁施工前，需將地面平整至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高50cm以上，對于原地面較高的區(qū)域需要開挖并清運(yùn)，對于原地面低于設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高以上50cm的，需要將原有耕植土或不良土質(zhì)挖除，并重新填筑至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高以上50cm，保證鉆機(jī)移動(dòng)時(shí)平穩(wěn)，不對已完成的樁體造成影響，施工完成后采取先鋪50cm厚稻草，在松鋪2米厚填料覆蓋保溫越冬。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙有關(guān)要求，按“先試驗(yàn)后施工”的原則，正式施工前對3根CFG樁進(jìn)行了工藝性試樁，驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)，獲取施工工藝參數(shù)，提出過程質(zhì)量控制方法及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

CFG樁施打順序采用從線路中心向兩側(cè)順序推進(jìn)?，F(xiàn)場施工按照設(shè)計(jì)樁位在現(xiàn)場進(jìn)行布樁，使用全站儀精確放樣出樁位中心，并用鋼釬打入50cm深后灌入白灰。鉆機(jī)就位后，鉆桿垂直對準(zhǔn)樁位中心，確保CFG樁垂直度偏差不大于1%。鉆孔開始時(shí)，關(guān)閉鉆頭閥門，向下移動(dòng)鉆桿至鉆頭觸地時(shí)，啟動(dòng)馬達(dá)鉆進(jìn)，先慢后快，同時(shí)檢查鉆孔的偏差并及時(shí)糾正，在成孔過程中，如發(fā)現(xiàn)鉆桿搖晃或難鉆時(shí)，應(yīng)放慢進(jìn)尺，在動(dòng)力頭底面停留位置相應(yīng)的鉆機(jī)塔身處作醒目標(biāo)記，當(dāng)動(dòng)力頭底面達(dá)到標(biāo)記處樁長即滿足設(shè)計(jì)要求。鉆進(jìn)過程中將注漿軟管擺放圓順，避免軟管自由下落出現(xiàn)折角，造成堵爆管事故。

現(xiàn)場CFG樁施工原始記錄資料：現(xiàn)場施工中按施工配合比拌制混合料，坍落度控制在160mm～200mm之間。施工過程中坍落度的損失速度根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)測試得出，并根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整坍落度，避免因坍落度損失過快造成混合料堵管，確保鉆桿內(nèi)管及輸送軟、硬管內(nèi)混合料連續(xù)。

鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高后停止鉆進(jìn)，開始泵送混合料灌注，當(dāng)鉆桿芯管充滿混合料后開始拔管，采用靜止提拔鉆桿，根據(jù)試驗(yàn)提拔灌注速度控制在2～2.5m/min，保持混合料面始終高于鉆頭面20cm以上。確保鉆桿內(nèi)管及輸送軟、硬管內(nèi)混合料連續(xù)。施工中提鉆與混合料供應(yīng)進(jìn)行配合，保證提鉆和泵料的一致，未泵料不能進(jìn)行拔管，以防斷樁。記錄灌注過程中泵送的次數(shù)，通過不斷試驗(yàn)，確定施工泵送砼次數(shù)及拔管速度，施工時(shí)樁頂高程高出設(shè)計(jì)高程50cm，灌注成樁后，樁頂蓋土封頂進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

冬季施工時(shí)，混合料入孔溫度不得低于5℃，對樁頭和樁間采取保溫措施。具體的根據(jù)混合料距離施工現(xiàn)場遠(yuǎn)近，采取混合料倉加熱、拌合用水加熱、運(yùn)輸罐車覆蓋保溫層和施工現(xiàn)場地表覆蓋塑料保溫膜等措施，以保證混合料滿足施工所需溫度，成樁后及時(shí)對樁頭覆蓋等措施進(jìn)行保溫。

現(xiàn)場施工過程按照施工方案、作業(yè)指導(dǎo)書、技術(shù)交底組織施工，現(xiàn)場過程資料反映施工過程中混凝土塌落度、鉆進(jìn)電流值、混凝土投料量、鉆進(jìn)深度、砼入孔溫度滿足要求。

冬停前，現(xiàn)場擬安排施工樁帽，對1～14排樁（共計(jì)398根）鉆渣及樁間土進(jìn)行了清理，因天氣突變降溫未繼續(xù)進(jìn)行下步施工，但未回填覆土保溫，導(dǎo)致樁頭暴露越冬，其余地段亦未覆蓋保溫。2016年4月對該段15～33排樁開挖并同已暴露的樁一起截除樁頭。

1.3檢測結(jié)論

2016年4月27日后續(xù)工序施工前對此段CFG樁進(jìn)行低應(yīng)變檢測，發(fā)現(xiàn)部分樁出現(xiàn)斷樁，斷樁深度為樁頂以下1.1m～1.91m，在現(xiàn)場對其中的三根斷樁開挖，使樁體表面外露，具體情況如下：

⑴10-20#樁在樁頂以下1.59m處斷裂，裂縫寬度25mm，如圖1。

⑵13-19#樁在樁頂以下1.91m處斷裂，裂縫寬度20mm，如圖2。

⑶13-20#樁在樁頂以下1.1m處斷裂，裂縫寬度3mm，如圖3。

根據(jù)以上問題，由第三方檢測單位對本段969根樁逐樁檢測，檢測初步結(jié)果為：1-14排合計(jì)樁398根，缺陷樁194根，缺陷率48.74%。15-33排合計(jì)樁575根，缺陷樁49根，缺陷率為8.52%。除個(gè)別因樁間土開挖和樁頭截除時(shí)機(jī)械設(shè)備擠壓造成的淺部斷樁外（樁頭下20～50cm），其余均在樁頭下110～195cm。

缺陷樁主要集中在1-14排，即冬停期間未覆蓋部分。15-33排部分樁頭覆蓋層不足，也存在凍斷現(xiàn)象。缺陷樁分布如圖4。

2凍漲原因分析

2.1凍漲機(jī)理

根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)研究證明，凍漲的過程分為四個(gè)階段，分別為初始凍漲、快速凍漲、平穩(wěn)凍漲和融化回落。其中初始凍漲一般持續(xù)20～45天左右，凍漲量和凍深波動(dòng)性顯著;快速凍漲一般持續(xù)20天左右，產(chǎn)生的凍漲量占95%以上，凍深處于發(fā)展中;平穩(wěn)凍漲持續(xù)時(shí)間最長，一般在70～110天左右，但產(chǎn)生的凍漲量很小，凍深增加速度緩慢;融化回落速度一般很快，基本上都是殘余變形。

凍漲產(chǎn)生的必要條件是：溫度、土體內(nèi)細(xì)顆粒（粒徑<0.075mm）含量、水。其中以土體細(xì)顆粒含量和地下水位為主要原因。粗顆粒土粒徑較大，其顆粒表面化學(xué)能較小，表面極少存在薄膜水，并不產(chǎn)生或極少產(chǎn)生水分正向遷移，因此粗顆粒土是凍漲的不敏感材料。隨著土體內(nèi)細(xì)顆粒含量的增加，其比表面積增大，使得土與水的相互作用能力不斷增大，相應(yīng)的凍漲敏感性也不斷增強(qiáng)。土的變形源于顆粒的位置調(diào)整和轉(zhuǎn)動(dòng)以及其間水分相變產(chǎn)生的體積增大，結(jié)構(gòu)變形也是體積增大的另一個(gè)主要原因。

土體凍漲理論的核心是水分遷移機(jī)理，即季節(jié)性凍土凍結(jié)時(shí)，凍結(jié)層隨著凍結(jié)鋒面自上而下移動(dòng)，土中水分向凍結(jié)鋒面遷移并發(fā)生聚冰作用，由于水凍結(jié)時(shí)體積膨脹，引起土體體積增大，產(chǎn)生凍漲，粗粒土的凍漲是其孔隙水的凍結(jié)膨脹及其引起的顆粒位移。

2.2管理原因

工程所在地為高緯度嚴(yán)寒地區(qū)，設(shè)計(jì)資料顯示局部存在季節(jié)性凍土層，凍結(jié)深度1.92m。結(jié)合東北地區(qū)氣候氣象特點(diǎn)和類似工程經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)文件和各級交底中，均明確強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)物凍漲的可能性，工程項(xiàng)目的特點(diǎn)決定了工程半成品越冬。施工單位進(jìn)場后對相關(guān)設(shè)計(jì)及交底資料進(jìn)行了詳細(xì)研判，征詢了本地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)豐富的建設(shè)、監(jiān)理單位人員，制定了針對性的交底、作業(yè)指導(dǎo)書、冬施方案和措施并報(bào)批。在施工中因氣候突變降溫未嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)交底，未對半成品保護(hù)即越冬，甚至對已開挖樁頭部分未采取任何措施使得樁頭直接裸露過冬。施工管理人員對高寒地區(qū)冬季凍結(jié)的特點(diǎn)掌握不足，存在一定的僥幸心理，導(dǎo)致凍漲事件發(fā)生。

2.3 CFG樁斷樁原因分析

CFG樁斷樁原因主要有以下幾種：

⑴混凝土灌注過程中，提拔鉆桿速度未按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)控制，提拔過快，導(dǎo)致鉆頭底面高于灌注混凝土面，出現(xiàn)縮頸造成斷樁。

⑵成樁后，清除樁間土?xí)r樁身混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)值，或者采用大型機(jī)械設(shè)備清理樁間土觸碰、擠壓樁身，造成樁身的淺部斷樁。

⑶在嚴(yán)寒地區(qū)，由于未對樁身采取覆蓋保溫，導(dǎo)致在凍土深度范圍內(nèi)，由于土層含水量高引起的凍脹，從而產(chǎn)生裂縫。

針對現(xiàn)場采用小型挖掘機(jī)配合人工施工的情況排除大型機(jī)械觸碰及擠壓引起的樁身斷裂（現(xiàn)場樁身斷縫水平整齊），同時(shí)現(xiàn)場挖掘機(jī)挖出地層顯示樁身周圍淤泥質(zhì)粘土已板結(jié)，斷樁位置處于板結(jié)層下，排除上部機(jī)械作業(yè)時(shí)擠壓樁間土造成CFG樁受剪破壞因素。查現(xiàn)場CFG樁施工過程中成孔及灌樁原始記錄，

混凝土灌注過程鉆桿提拔速度符合工藝性試驗(yàn)要求的2～2.5m/min的速度，未出現(xiàn)混凝土供應(yīng)不及時(shí)的情況，且挖出樁身完整，樁徑滿足設(shè)計(jì)，未見縮頸，斷樁處砼面平整干凈未見夾泥層，排除施工過程中提鉆過快造成縮頸引起的斷樁。通過第三方檢測初步結(jié)果及現(xiàn)場挖出三根樁基斷裂顯示情況，三根斷裂樁基裂縫處樁徑、混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，且裂縫內(nèi)均為新鮮混凝土貫通界面，根據(jù)檢測結(jié)果，斷樁主要集中于1-14排，判斷本段CFG樁1-14排由于越冬期挖除渣土及樁間土，未進(jìn)行覆蓋保溫，導(dǎo)致樁基由于凍脹斷裂。

3處理方案

3.1確定處理范圍

經(jīng)對該區(qū)域所有CFG樁檢測，1-14排斷樁集中，斷樁位置集中在1.9m左右，已不具備地基加固的作用，因此對1-14排CFG樁全部廢除，對地基重新進(jìn)行加固。其余地段為零星斷樁，除個(gè)別相鄰位置連續(xù)斷樁外，基本上處于隨機(jī)位置，且斷裂位置部分處于1.9m凍結(jié)線左右，大部分位于地表下30～40cm范圍，主要是清理樁間土和截除樁頭時(shí)大型設(shè)備靠近樁頭擠壓所致。對15-33排所有斷裂的CFG樁在其周圍進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。斷樁處理方案如圖5。

3.2處理措施

對1-14排CFG樁，處理方案一是全部挖除2m，保留未斷樁部分（4m），在其上進(jìn)行級配碎石換填;方案二為在現(xiàn)狀地表上，按照1：1進(jìn)行補(bǔ)樁，即原有CFG樁四周樁間重新設(shè)樁，深度加至8m，樁徑不變。經(jīng)檢算，方案一地基承載力不能滿足要求其工程量大，因此按照方案二處理。

其余地段按照單根補(bǔ)樁方案補(bǔ)樁，即在斷裂樁一側(cè)重新打設(shè)CFG樁，長度為6m。

以上方案均報(bào)設(shè)計(jì)，以設(shè)計(jì)聯(lián)系單形式下發(fā)執(zhí)行。經(jīng)單樁承載力和復(fù)核地基承載力檢測，處理后的地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

4教訓(xùn)及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

經(jīng)分析，本案例CFG樁凍漲為在高寒地區(qū)施工路基提供以下教訓(xùn)：

⑴施工前應(yīng)使全員對工程所在區(qū)域的氣候氣象條件和工程特點(diǎn)詳盡了解，認(rèn)識(shí)到自然凍害的特點(diǎn)，掌握其規(guī)律。本案例就是因現(xiàn)場人員對凍害沒有清晰的認(rèn)識(shí)，想當(dāng)然地覺得CFG樁在進(jìn)入冬季施工前已完成施工，未重視該處越冬防護(hù)是本案例的直接原因。

⑵施工中不但要重點(diǎn)關(guān)注正在施工的工程質(zhì)量管控，對已完工程的復(fù)查復(fù)檢工作以及對交底的落實(shí)到位也是保證越冬工程質(zhì)量的前提。因?yàn)橘|(zhì)量管理上不夠全面，對制度的認(rèn)識(shí)和落實(shí)上不夠到位，忽視了已完工程越冬保溫是案例的主要原因。

⑶項(xiàng)目管理人員突變的環(huán)境變化是否會(huì)對已完工程造成影響準(zhǔn)備不充分，思想上不夠重視導(dǎo)致復(fù)查工作流于形式，這是本案例的根本原因。

⑷質(zhì)量管理中責(zé)任不明確，分工不夠細(xì)致。質(zhì)量管理體系在運(yùn)行過程中，一直過于重視施工過程中質(zhì)量責(zé)任劃分，忽視了對已完工程質(zhì)量檢測責(zé)任的劃分，對復(fù)查的工作沒有明確責(zé)任劃分，導(dǎo)致在復(fù)查工作上管理混亂，這是本案例的重要原因之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫曉光. 嚴(yán)寒地區(qū)路基凍害的成因、預(yù)防及整治措施[J]. 科技創(chuàng)業(yè)家， 2012（2）.

（作者單位：中鐵一局集團(tuán)第二工程有限公司）