樁基地溫變化規(guī)律

1、融區(qū)與多年凍土區(qū)過(guò)渡帶鉆孔灌注樁 施工及其周?chē)翆拥販刈兓?guī)律的初步探索張加全 王文軍摘要：針對(duì)青藏高原的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)鉆孔灌注樁及其周?chē)翆訙囟茸兓^(guò)程的研究，了解混凝土溫度與地基土溫度的變化規(guī)律，作為選擇混凝土防凍措施和混凝土拌和料溫度的依據(jù)。通過(guò)對(duì)孔壁、樁側(cè)（距樁側(cè)35cm）、基準(zhǔn)測(cè)溫孔（距承臺(tái)中心20m）的地溫觀測(cè)，把握混凝土施工材料及施工方法對(duì)鉆孔灌注樁的回凍規(guī)律的影響。對(duì)鉆孔機(jī)具的性能、鉆進(jìn)效率、成樁工藝、樁體混凝土灌注工藝進(jìn)行研究。關(guān)鍵詞：鉆孔灌注樁 施工 周?chē)翆?地溫變化1工程概況1.1工程地質(zhì)及地形地貌青藏鐵路格拉段沱沱河試驗(yàn)段dk1229+200-dk1230+700為融區(qū)

2、與多年凍土過(guò)渡帶段，線路通過(guò)地區(qū)屬沱沱河北岸沖洪積平原，地形平坦，地面高程4542-4560，地面沖溝較發(fā)育，地表植被稀疏，局部地段半固定沙丘、半固定沙地發(fā)育。本段多年凍土屬高溫極不穩(wěn)定區(qū)，年平均地溫tcp-0.50c，其中鉆孔灌注樁試驗(yàn)所處地段為島狀多年凍土區(qū)。地表為第四紀(jì)細(xì)砂、礫砂層，以下依次為粉質(zhì)粘土、多冰凍土、含土冰層、風(fēng)化泥巖，并夾有砂巖層。凍土上限2-3.5m，凍土下限為10-24m。1.2 氣候特征該試驗(yàn)段屬高原亞寒帶半干旱氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)寒冷干旱，氣候多變。一年內(nèi)凍結(jié)期長(zhǎng)達(dá)7-8個(gè)月。年平均氣溫-4度，年平均降雨量248.5mm，年平均蒸發(fā)量1638.9mm；最大風(fēng)速30m/s，年

3、平均風(fēng)速3.9m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)；最大積雪厚度30cm。1.3 水文地質(zhì)特征本段地表無(wú)常年流水，各寬淺谷地為季節(jié)性流水，地下水在融區(qū)內(nèi)主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，水量較大，水位不穩(wěn)定；多年凍土區(qū)主要為凍結(jié)層上水，水量較小，水位不穩(wěn)定。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給。樁基試驗(yàn)場(chǎng)地范圍內(nèi)，距地表16m以下（第二層砂巖層以下）存在承壓水。2鉆孔灌注樁試樁的施工2.1試樁采用的原材料及配合比 水 泥 采用甘肅省祁連山牌32.5r級(jí)普通硅酸鹽水泥。 粗骨料 取自通天河的河卵石，骨料粒徑規(guī)格為540mm。 細(xì)骨料 取自通天河的河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7。 水 混凝土拌合用水，采用飲用水。外加劑 采用鐵道

4、部科學(xué)研究院生產(chǎn)的dz-1型低溫早強(qiáng)高性能混凝土復(fù)合型外加劑。配合比 考慮到青藏線混凝土的耐久性要求，混凝土配制強(qiáng)度比設(shè)計(jì)強(qiáng)度高一個(gè)等級(jí)。2.2 試樁的施工基樁的施工包括清理場(chǎng)地埋設(shè)護(hù)筒鉆孔作業(yè)清孔下放鋼筋籠下放導(dǎo)管進(jìn)行水下混凝土的澆筑等工序。試驗(yàn)基樁的施工是在進(jìn)行了工程樁施工完畢后進(jìn)行的。開(kāi)始鉆孔前，帶有測(cè)試元件的鋼筋籠已制作完畢。鉆孔作業(yè)采用hc60型r-618旋挖鉆機(jī)，該旋挖鉆機(jī)為意大利soil mec公司設(shè)計(jì)制造的一種新型鉆孔灌注樁施工機(jī)械，本鉆機(jī)由履帶式走行機(jī)構(gòu)、全液壓驅(qū)動(dòng)、智能控制系統(tǒng)組成，柴油動(dòng)力?？稍诟鞣N不同的土層、泥巖、高含冰量地層及砂巖等地質(zhì)條件下進(jìn)行鉆孔作業(yè)，尤其在泥巖、

5、多冰、富冰地層中更為實(shí)用，在風(fēng)化泥巖層中鉆進(jìn)速度可達(dá)6-8m/h，對(duì)施工場(chǎng)地的要求很低，移位甚為方便，鉆桿剛度大，定位準(zhǔn)確，能夠保證鉆孔的垂直度。在鉆機(jī)工作室內(nèi)有一鉆孔深度計(jì)數(shù)器，鉆機(jī)司機(jī)可隨時(shí)掌握鉆孔深度。由于每次鉆斗裝滿鉆渣后，提離孔位卸于地表，因而可以對(duì)鉆孔樁的工程地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確記錄。與常規(guī)泥漿護(hù)壁反循環(huán)鉆機(jī)施工相比較，運(yùn)用旋挖鉆機(jī)可以提高工效二十倍以上。2#墩4#樁施工時(shí)，采用常規(guī)泥漿護(hù)壁反循環(huán)鉆機(jī)施工15天左右才可成一孔，而且在遇到硬巖時(shí)無(wú)法施工，而運(yùn)用旋挖鉆機(jī)通常6-12小時(shí)即可成孔。此外采用旋挖鉆機(jī)不需要泥漿護(hù)壁，減小對(duì)周?chē)h(huán)境的污染；由于這種施工方法成孔速度快，成孔質(zhì)量好

6、，孔壁規(guī)則，具有自動(dòng)測(cè)孔深，控制鉆孔傾斜度，因而成孔垂直度好，對(duì)周?chē)鷥鐾镰h(huán)境擾動(dòng)少，融化圈亦小，對(duì)保持地基土的天然狀態(tài)有利；能夠在一定程度上節(jié)約混凝土數(shù)量?？傊?，采用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行凍土區(qū)鉆孔灌注樁的施工具有很大的優(yōu)越性，值得推廣使用，但其設(shè)備造價(jià)高。在dk1229+540中橋鉆孔樁施工過(guò)程中，第一根鉆孔樁鉆進(jìn)過(guò)程中孔內(nèi)有冰塊，待該樁施工完畢后，進(jìn)行該橋墩下其它基樁施工時(shí)則不再有冰塊存在。4#墩基礎(chǔ)的兩根基樁在施工過(guò)程中有相互穿透的情況，與地下承壓水和地層條件有關(guān)；說(shuō)明鉆孔施工及樁身混凝土在硬化過(guò)程中產(chǎn)生的水化熱對(duì)該地區(qū)凍土層的環(huán)境影響很大，同時(shí)也說(shuō)明融區(qū)與多年凍土過(guò)渡帶凍土層較為脆弱。試樁的施工

7、開(kāi)始于2001年10月5日上午10：30分，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)標(biāo)高，清孔完畢后的時(shí)刻為18：30，總鉆孔時(shí)間為8h，其中兩層0.6m厚的砂巖層鉆孔耗時(shí)4小時(shí)（包括修理焊接鉆頭的時(shí)間）。成孔深度24.7m，凈樁長(zhǎng)21.8m（至承臺(tái)底面標(biāo)高），成孔平均樁徑1.05m，設(shè)計(jì)樁徑1.0m。樁底持力層為泥灰?guī)r。在鉆進(jìn)過(guò)程中，在第二層厚度為0.6m的砂巖層鉆穿之前，鉆孔內(nèi)無(wú)水，但當(dāng)埋深15.4m16.0m的砂巖層鉆穿后，地下水即冒出護(hù)筒頂，呈溢流狀態(tài)，說(shuō)明16.0m以下地下水具有承壓性質(zhì)?；炷恋臄嚢柙诎韬驼窘y(tǒng)一拌制，用混凝土罐車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸，采用導(dǎo)管法進(jìn)行水下混凝土灌注，鋼筋籠及導(dǎo)管采用吊車(chē)安裝。混凝土原材料的溫度

8、及混凝土出機(jī)、入摸溫度見(jiàn)表一。表 一 溫度測(cè)試結(jié)果表日期時(shí)間溫度測(cè)試記錄（）砂石水泥水機(jī)棚料場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)混凝土出機(jī)混凝土灌注時(shí)孔內(nèi)混凝土入模后10.518：00754205449836地溫測(cè)試及分析為把握氣候條件、施工方法、施工材料、臨近結(jié)構(gòu)物對(duì)凍土地溫的影響以及對(duì)回凍規(guī)律的認(rèn)識(shí)，以便于安排后續(xù)施工（制作承臺(tái)、進(jìn)行橋墩橋臺(tái)的施工等），把握施工工期，對(duì)凍土區(qū)樁基必須進(jìn)行地溫觀測(cè)。.測(cè)溫孔的布設(shè).測(cè)溫孔的平面布設(shè)該試樁共設(shè)置了個(gè)測(cè)溫孔，即基準(zhǔn)測(cè)溫孔（以下簡(jiǎn)稱(chēng)基準(zhǔn)孔）、樁側(cè)測(cè)溫孔（以下簡(jiǎn)稱(chēng)樁側(cè)孔）和孔壁測(cè)溫孔（以下簡(jiǎn)稱(chēng)孔壁孔）?；鶞?zhǔn)孔距離橋梁中線m；原設(shè)計(jì)樁側(cè)孔距離鉆孔灌注樁孔壁，后考慮施工需埋設(shè)護(hù)筒，護(hù)

9、筒直徑.m，為保證樁側(cè)孔不被破壞，其距離改為；孔壁測(cè)溫孔敷設(shè)于鋼筋籠外側(cè)，從鋼筋籠的幾何尺寸和測(cè)溫管的尺寸設(shè)計(jì)來(lái)講，測(cè)溫管應(yīng)緊貼孔壁，即測(cè)溫管與孔壁相切。3.1.2測(cè)溫孔的立面布設(shè)基準(zhǔn)測(cè)溫孔深度為15m，即取年平均地溫變化深度（該項(xiàng)工作由測(cè)溫孔施工單位中鐵西北科學(xué)研究院確定）；樁側(cè)測(cè)溫孔深度為28m?？妆跍y(cè)溫孔與鋼筋籠長(zhǎng)度相同，并露出地面0.5m，地面下24.3m。3.1.3 測(cè)溫元件的布置如圖3.1所示，基準(zhǔn)測(cè)溫孔（以下簡(jiǎn)稱(chēng)基準(zhǔn)孔）、樁側(cè)測(cè)溫孔（以下簡(jiǎn)稱(chēng)樁側(cè)孔）和孔壁測(cè)溫孔。各測(cè)溫孔的熱電偶測(cè)點(diǎn)布置如圖所示。上部22個(gè)測(cè)點(diǎn)間距為 0.5m，以下分別為1.0m和1.5m。3.2地溫的觀測(cè)及分析

10、3.2.1 地溫觀測(cè)為把握樁身混凝土澆筑后以及在形成強(qiáng)度過(guò)程中對(duì)凍土層地溫的影響，在試驗(yàn)基樁澆筑后第二天即開(kāi)始進(jìn)行地溫的觀測(cè)工作。地溫觀測(cè)所用測(cè)試儀器采用上海產(chǎn)uj33-d型電位差計(jì)。自2001年10月6日起至2001年10月12日止（試樁澆筑后7天），基準(zhǔn)測(cè)溫孔、樁側(cè)測(cè)溫孔和孔壁測(cè)溫孔，每天進(jìn)行地溫觀測(cè)。（注：其中樁側(cè)測(cè)溫孔第五天測(cè)溫元件連接失效，后經(jīng)測(cè)試元件埋設(shè)單位西北院修復(fù)后正常）。3.2.2 地溫測(cè)試曲線的分析3.2.2.1 基準(zhǔn)測(cè)溫孔基準(zhǔn)測(cè)溫孔地溫變化主要受大氣溫度變化的影響。根據(jù)測(cè)溫結(jié)果可知，地溫沿不同深度的變化規(guī)律基本上處于正溫范圍或零度附近。有些測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)出地溫隨深度增大的趨

11、勢(shì)，而有些則測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)出地溫隨深度減小的趨勢(shì)，其變化規(guī)律尚待研究。（這里有測(cè)試儀器的使用、儀器的測(cè)試誤差等問(wèn)題，應(yīng)引起注意。）基準(zhǔn)測(cè)溫孔地溫之所以基本上處于正溫范圍或零度附近，有一個(gè)原因就是，由于鉆孔時(shí)打穿了承壓水，而本區(qū)又位于高溫極不穩(wěn)定去，年平均地溫tcp-0.50c,承壓水的不斷冒出，使得孔周?chē)膬鐾寥诨y以回凍。3圖3.1基準(zhǔn)測(cè)溫孔、樁側(cè)測(cè)溫孔、孔壁測(cè)溫孔的熱電偶測(cè)點(diǎn)布置圖7圖3.2 基準(zhǔn)孔地溫隨深度的變化曲線3.2.2.2 樁側(cè)孔與孔壁孔地溫曲線及分析圖3.3 樁側(cè)孔地溫隨深度的變化曲線圖3.4 孔壁孔地溫隨深度的變化曲線從樁側(cè)孔與孔壁孔地溫曲線可知，由于施工擾動(dòng)及樁身混凝土澆筑

12、后產(chǎn)生的大量水化熱，使樁周土層的地溫急劇升高。在樁身混凝土澆筑后4天達(dá)到最大，樁側(cè)孔的地溫在原天然凍土上限附近的地溫上升至5-6。c；而孔壁孔地溫在原天然凍土上限附近的地溫上升至11.512.5。c。隨后樁內(nèi)混凝土溫度開(kāi)始下降。樁底處的地溫也在升高，如同樣在樁身混凝土澆筑后4天后，孔壁孔地溫測(cè)得的地溫為6.8。c，而樁側(cè)孔測(cè)得的樁底以下3.0m處的地溫為0.7。c。 4.結(jié)論4.1樁基工程將改變地基土的熱平衡條件，施工活動(dòng)產(chǎn)生的各種熱量，比如鉆孔的摩擦熱、泥漿的熱量、灌注樁混凝土的水化熱等，使樁基地溫場(chǎng)發(fā)生變化，引起樁周地基土一定范圍升溫及融化。4.2基準(zhǔn)測(cè)溫孔地溫之所以基本上處于正溫范圍或零度附近，有一個(gè)原因就是，由于鉆孔時(shí)打穿了承壓水，而本區(qū)又位于高溫極不穩(wěn)定區(qū)，年平均地溫tcp-0.50c,承壓水的不斷冒出，使得孔周?chē)膬鐾寥诨y以回凍4.3 自混凝土開(kāi)始灌注起，鉆孔灌注樁內(nèi)的溫度呈逐漸升高走勢(shì)，到第四天達(dá)到最大值（10左右），隨后樁內(nèi)混凝土溫度開(kāi)始下降。4.4 樁側(cè)表面的凍土溫度在不同深度方向受到不同程度的擾動(dòng)，在-12m以上區(qū)段對(duì)土體擾動(dòng)明顯且波動(dòng)值較大，在-12m以深的區(qū)段對(duì)土體擾動(dòng)趨小且波動(dòng)不大。4.5 鉆孔灌注樁體與多年凍土接壤處的地溫隨樁體混凝土的溫升過(guò)程逐漸升高。且徑向距離越遠(yuǎn)，擾動(dòng)程度越小。4.6 從溫度