樁基地溫變化規(guī)律

1、融區(qū)與多年凍土區(qū)過渡帶鉆孔灌注樁 施工及其周圍土層地溫變化規(guī)律的初步探索張加全 王文軍摘要：針對青藏高原的特點(diǎn)，通過對鉆孔灌注樁及其周圍土層溫度變化過程的研究，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)。通過對孔壁、樁側(cè)（距樁側(cè)35cm）、基準(zhǔn)測溫孔（距承臺中心20m）的地溫觀測，把握混凝土施工材料及施工方法對鉆孔灌注樁的回凍規(guī)律的影響。對鉆孔機(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 周圍土層 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、與多年凍土過渡帶段，線路通過地區(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)期長達(dá)7-8個月。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)計強(qiáng)度高一個等級。2.2 試樁的施工基樁的施工包括清理場地埋設(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。開始鉆孔前，帶有測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、智能控制系統(tǒng)組成，柴油動力?？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，對施工場地的要求很低，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)有一鉆孔深度計數(shù)器，鉆機(jī)司機(jī)可隨時掌握鉆孔深度。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，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，而且在遇到硬巖時無法施工，而運(yùn)用旋挖鉆機(jī)通常6-12小時即可成孔。此外采用旋挖鉆機(jī)不需要泥漿護(hù)壁，減小對周圍環(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，具有自動測孔深，控制鉆孔傾斜度，因而成孔垂直度好，對周圍凍土環(huán)境擾動少，融化圈亦小，對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捎眯阢@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)備造價高。在dk1229+540中橋鉆孔樁施工過程中，第一根鉆孔樁鉆進(jìn)過程中孔內(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則不再有冰塊存在。4#墩基礎(chǔ)的兩根基樁在施工過程中有相互穿透的情況，與地下承壓水和地層條件有關(guān)；說明鉆孔施工及樁身混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的水化熱對該地區(qū)凍土層的環(huán)境影響很大，同時也說明融區(qū)與多年凍土過渡帶凍土層較為脆弱。試樁的施工

7、開始于2001年10月5日上午10：30分，鉆進(jìn)至設(shè)計標(biāo)高，清孔完畢后的時刻為18：30，總鉆孔時間為8h，其中兩層0.6m厚的砂巖層鉆孔耗時4小時（包括修理焊接鉆頭的時間）。成孔深度24.7m，凈樁長21.8m（至承臺底面標(biāo)高），成孔平均樁徑1.05m，設(shè)計樁徑1.0m。樁底持力層為泥灰?guī)r。在鉆進(jìn)過程中，在第二層厚度為0.6m的砂巖層鉆穿之前，鉆孔內(nèi)無水，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)，說明16.0m以下地下水具有承壓性質(zhì)。混凝土的攪拌在拌和站統(tǒng)一拌制，用混凝土罐車進(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)管采用吊車安裝?；炷猎牧系臏囟?/p>

8、及混凝土出機(jī)、入摸溫度見表一。表 一 溫度測試結(jié)果表日期時間溫度測試記錄（）砂石水泥水機(jī)棚料場現(xiàn)場混凝土出機(jī)混凝土灌注時孔內(nèi)混凝土入模后10.518：00754205449836地溫測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)物對凍土地溫的影響以及對回凍規(guī)律的認(rèn)識，以便于安排后續(xù)施工（制作承臺、進(jìn)行橋墩橋臺的施工等），把握施工工期，對凍土區(qū)樁基必須進(jìn)行地溫觀測。.測溫孔的布設(shè).測溫孔的平面布設(shè)該試樁共設(shè)置了個測溫孔，即基準(zhǔn)測溫孔（以下簡稱基準(zhǔn)孔）、樁側(cè)測溫孔（以下簡稱樁側(cè)孔）和孔壁測溫孔（以下簡稱孔壁孔）。基準(zhǔn)孔距離橋梁中線m；原設(shè)計樁側(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；孔壁測溫孔敷設(shè)于鋼筋籠外側(cè)，從鋼筋籠的幾何尺寸和測溫管的尺寸設(shè)計來講，測溫管應(yīng)緊貼孔壁，即測溫管與孔壁相切。3.1.2測溫孔的立面布設(shè)基準(zhǔn)測溫孔深度為15m，即取年平均地溫變化深度（該項工作由測溫孔施工單位中鐵西北科學(xué)研究院確定）；樁側(cè)測溫孔深度為28m。孔壁測溫孔與鋼筋籠長度相同，并露出地面0.5m，地面下24.3m。3.1.3 測溫元件的布置如圖3.1所示，基準(zhǔn)測溫孔（以下簡稱基準(zhǔn)孔）、樁側(cè)測溫孔（以下簡稱樁側(cè)孔）和孔壁測溫孔。各測溫孔的熱電偶測點(diǎn)布置如圖所示。上部22個測點(diǎn)間距為 0.5m，以下分別為1.0m和1.5m。3.2地溫的觀測及分析

10、3.2.1 地溫觀測為把握樁身混凝土澆筑后以及在形成強(qiáng)度過程中對凍土層地溫的影響，在試驗(yàn)基樁澆筑后第二天即開始進(jìn)行地溫的觀測工作。地溫觀測所用測試儀器采用上海產(chǎn)uj33-d型電位差計。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)測溫孔、樁側(cè)測溫孔和孔壁測溫孔，每天進(jìn)行地溫觀測。（注：其中樁側(cè)測溫孔第五天測溫元件連接失效，后經(jīng)測試元件埋設(shè)單位西北院修復(fù)后正常）。3.2.2 地溫測試曲線的分析3.2.2.1 基準(zhǔn)測溫孔基準(zhǔn)測溫孔地溫變化主要受大氣溫度變化的影響。根據(jù)測溫結(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。有些測試結(jié)果呈現(xiàn)出地溫隨深度增大的趨

11、勢，而有些則測試結(jié)果呈現(xiàn)出地溫隨深度減小的趨勢，其變化規(guī)律尚待研究。（這里有測試儀器的使用、儀器的測試誤差等問題，應(yīng)引起注意。）基準(zhǔn)測溫孔地溫之所以基本上處于正溫范圍或零度附近，有一個原因就是，由于鉆孔時打穿了承壓水，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，使得孔周圍的凍土融化而難以回凍。3圖3.1基準(zhǔn)測溫孔、樁側(cè)測溫孔、孔壁測溫孔的熱電偶測點(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，孔壁孔地溫測得的地溫為6.8。c，而樁側(cè)孔測得的樁底以下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)測溫孔地溫之所以基本上處于正溫范圍或零度附近，有一個原因就是，由于鉆孔時打穿了承壓水，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，使得孔周圍的凍土融化而難以回凍4.3 自混凝土開始灌注起，鉆孔灌注樁內(nèi)的溫度呈逐漸升高走勢，到第四天達(dá)到最大值（10左右），隨后樁內(nèi)混凝土溫度開始下降。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，在-12m以上區(qū)段對土體擾動明顯且波動值較大，在-12m以深的區(qū)段對土體擾動趨小且波動不大。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程逐漸升高。且徑向距離越遠(yuǎn)，擾動程度越小。4.6 從溫度