冻土地区钻孔桩基础设计探讨
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摘要：如何选择桩基础成桩形式、如何确定桩基础抗冻拔承重稳定性成为了冻土地区工程设计的难点。冻土地区的钻孔桩基础设计需要严格考虑到各方面的因素，确保冻土地区桩基础的稳定性和可靠性。
关键词：冻土地区钻孔桩基础设计
中图分类号： S611 文献标识码： A
我国的冻土分布为世界第三大冻土分布国家，有百分之二十的国土被冻土所覆盖，既有高纬度的多年冻土，也有季节性冻土。这些冻土地区的多会发生冻融和冻胀的冻害，因此，严重影响干寒区的工程施工与安全，是制约该地区经济发展的主要因素。钻孔桩基础是冻土地区主要的工程基础形式，它拥有桩定沉降位移小、承载能力高以及适应性强等优点，但是在冻土地区，仍旧会因为冻害的发生产生桩基不均匀下沉、整桩冻拔甚至拔断等情况，严重影响着工程的整体稳定与安全。因此如何选择桩基础成桩形式、如何确定桩基础抗冻拔承重稳定性成为了冻土地区工程设计的难点。因此，研究冻土地区的钻孔桩基础设计是很有实现意义的事。
一、冻土的特性
1.冻土的性质
冻土可以看做是由土颗粒、液态未冻水以及气体和粘塑性冰组成的温度敏感性土体，在冻土建设工程中，冻土一般会处于六种不同状态：冻结、融化、未冻结、已融化、正冻结、正融化。建设冻土地区工程的基础工作是要掌握和理解冻土的性质，一般来说，冻土的物理性质和状态可以用四个指标来衡量：冻土的总重量含水量、单位体积的土颗粒重和冻土重、冻土的未冻水含量。
2.冻胀特性
多年冻土地区的冻土发生冻胀的主要原因是冻土中的水分发生了冻结，以冰的形式来填充土颗粒间隙，是的体积产生膨胀致使土体冻胀。而季节性冻土一般则只会在冬季发生冻胀。尤其是当温度持续负温的时候，冻胀现象更为严重。影响冻胀的主要因素有：土中水分以及补给来源、土的粒度、外荷作用、冻结条件以及交换盐基。当桩基础与地基土发生冻胀的时候，二者会牢固的冻结在一起，地基土冻胀变形，为了克服桩基础的约束力，便会产生冻胀力。在切向、法向以及水平方向对桩基础产生力的影响，引起地桩基础的结构变形或者产生结构唯一。因此冻胀力分析是桩基础设计的指标之一。
二、冻土地区桩基础的分类与选择
冻土地区一般选用钻孔桩基础是因为钻孔桩基础横截面较小，在施工过程中对冻土的扰动面和破坏面小，上限下移不明显，对冻土本身的冻结状态干扰较小。但是根据冻土地区的自然气候环境、地质条件的不同，会选择不同形式的桩基础的构造形式。桩基础选择的主要依据是在充分考虑到冻土的融沉变形的时候，桩基础的变形是否在结构物的承受范围之内。钻孔桩基础可以分为三类，分别适应不同地质条件的冻土地基：钻孔插入桩基础、钻孔灌注桩基础、钻孔打入桩基础。
钻孔插入桩基础：这类桩基础适用于一般种类的冻土地基以及岩性地基，在施工中，对地基的热扰动小，因而地基回冻快，但是整体性能相对较低，承载能力低，不适应高水平负荷的桩，而且由于技术限制，目前建造的桩基直径长度有限。试用范围有一定的局限性。
钻孔灌注桩基础：这类桩基础适用于处于坚硬的冻结状态下的地基，它的有点在于制作方法简单，整体的承载能力比较强，并且能够节省材料，同时还不受地下水条件的限制，能够建造直径较大的桩，但缺点在于施工过程中，对地基的热扰动较大，因而地基回冻较为缓慢，施工效率低。
钻孔打入桩基础：这类桩基础主要适用于沙土类冻土地基，整体性能不错，承载负荷能力也不错，对地基的热扰动干扰最小，但是回冻时间因为地质的原因仍旧比较慢，并且容易发生沉桩困难的问题，同时因为其沉桩过程需要的设备比较复杂，因而设计师较少选用此类型桩。
在进行冻土地区桩基础设计的时候，应该考虑到各方面的因素，既要综合考虑冻胀作用与融陷作用给地基带来的破坏，还要考虑到冻土地基的实际自然条件以及地质区别，同时还要尽可能预先的设计好有效的防冻防破坏等防护措施，在这样的条件下，选择最适合最经济的桩基础设计，保证桩基础的建筑安全以及正常使用。
三、冻胀程度分析
根据冻土地基的冻胀特性，在冻胀过程中，冻土会对桩基础产生水平方向、法向、切向的冻胀力。在自然条件下，冻土地基的地质条件不尽相同，土壤中粘土含量、颗粒矿物成分不同使得不同冻土土体的冻胀情况不同。因此，在发生冻胀情况是，土体会产生不同方向和数值的冻胀力，目前对冻胀力的计算大都分为两部分：法向冻胀力与且切向冻胀力。冻土土体的法向冻胀力是沿着桩基础表面的法线方向，主要对桩基础的侧面和地面产生冻胀力作用。法向冻胀力的数值大小主要取决于冻土的性质以及土层的压缩性质。切向冻胀力是沿着冻土与桩基基础接触表面的切线方向的，主要对桩基础侧边作用。因为冻土的性质不同，因此对冻胀力的取值不具有确切的方法，许多工程师做过大量的研究，一般在工程设计中多运用经验公式来计算冻胀力。设计过程中需要计算到切向冻胀力条件下桩基础是否满足到承载力的要求，需要进行抗拔稳定性验算。
一般情况下，基桩的抗拔极限承载力的计算公式为：T=∑λi Qsik Ui，Qsik为桩侧第 i 层土的极限侧阻力标准值；Ui为桩身周长,T为基桩抗拔极限承载力，λi为抗拔系数。基桩的抗冻拔稳定性数值与冻深影响系数、切向冻胀力、冻土的标准冻深、桩身周长的乘积，如果基桩的抗拔极限承载能力T小于这个值的话，那么该桩基的抗冻拔稳定性较差。
四、单桩竖向承载力常用计算方法设计计算
桩基设计的一个重要工作的就是单桩竖向承载力的设计计算，极限承载力为桩基土极限侧阻力与端阻力之和。常用的集中计算方法有以下几种：
静载荷实验法：最传统可靠的方法，通过在桩身与桩底埋设的元件来测定桩端阻力喝桩侧阻力,同时还能够进行单桩垂直承载能力的实验，能够为设计提供合理的单桩承载能力。
静力计算法：将桩当作深基础,在假设的不同地基破坏模式中算的竖向极限承载力，之后除以该环境下的安全系数，确定竖向极限承载力，需要分别计算桩端阻力与桩侧阻力。
经验法：根据多年来对冻土地区钻孔桩基础的研究以及实践经验，有许多经验方法被收入了计算单桩竖向承载力的规范中。例如《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008)中规定的钻孔灌注桩的极限承载能力的计算公式为：桩底底面积与桩尖处土的极限承载力二者乘积，桩周长、桩底部的有效长度、桩侧土的平均极限摩擦阻力三者乘积，取二者乘积之和作为单桩的极限承载能力。
五、结语
冻土地区的桩基础设计需要严格考虑到各方面的因素，进行详细的冻胀分析，选择合理的成桩形式，并且要仔细计算单桩竖向承载力，确保冻土地区桩基础的稳定性和可靠性。对于自然环境相对恶劣的冻土地区，桩基础设计还需要考虑到结构的耐久性问题，保证桩基础结构在一定的时间内能够保证正常的功能实现。
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