Early refreezing law of large-diameter cast-in-place piles in permafrost regions
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摘要: 基于多年冻土区桩基混凝土的设计与施工, 研究了多年冻土区大直径钻孔灌注桩的早期回冻规律, 通过桩基现场试验并结合数值仿真模型分析了桩周混凝土水化热和桩周冻土回冻规律。分析结果表明: 在灌注完成后25 d内桩侧温度在1℃以上, 在灌注完成45 d后桩侧温度逐渐恢复到0℃; 数值模拟结果显示在灌注完成60 d后桩身温度下降至0℃, 在灌注完成200 d后桩周土体回冻至天然状态; 入模温度每提高2℃, 桩侧峰值温度提高1℃左右, 而2倍桩径处峰值温度提高0.5℃左右。可见, 在大直径桩基条件下桩基混凝土中可以不添加或少添加早强剂, 也没有必要刻意降低拌合物入模温度; 桩基的施工时间最好安排在暖季, 为混凝土的养生提供较好的外部条件。Abstract: Based on the design and construction of pile foundation concrete in permafrost regions, the early refreezing law of large-diameter cast-in-place pile in permafrost regions was studied. Through pile filed test and numerical simulation model, the hydrate heat of concrete and the permafrost refreezing law around pile were analyzed. Analysis result shows that pile side temperature is above 1 ℃ within 25 d after finishing pouring, and gradually recovers to 0 ℃ in 45 d after finishing pouring. Numerical simulation result shows that the pile temperature decreases to 0 ℃in 60 d after finishing pouring. The soil mass around pile is refrozen to natural state in 200 d after finishing pouring. Every 2 ℃ increase of molding temperature results in 1 ℃ increase of peak temperature at pile side and 0.5 ℃ increase of peak temperature at two times of pile diameters away. For large-diameter pile foundation, the addition of hardening accelerator to pile foundation concrete can be avoided or decreased. It is not necessary to sedulously decrease the molding temperature of mixture. The best construction time of pile foundation is in warm seasons, which can provide a good external condition for concrete curing.
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0. 引言
青藏高原多年冻土区气候恶劣, 平均海拔在4 500m以上, 冰冻期长, 一年中约有8个月处于冰冻期, 年平均气温低, 为-6℃~-2℃[1-3]。这就意味着混凝土的拌和、运输、灌注只能在较低的温度下进行, 桩周围的温度环境则是其自然的养护环境。而对于混凝土来说, 其强度和养护的温、湿度有着直接的联系, 过低的养护温度会导致混凝土的强度上升缓慢, 若配合比不合理甚至达不到设计强度, 将影响到结构的安全。多年冻土区桩周冻土回冻时间, 特别是保持在0℃以上的时间, 对桩基混凝土的配合比设计、养生方案设计、后续施工时间都有重要影响, 因此, 多年冻土区桩周冻土的回冻时间及回冻规律对于桩基混凝土的强度形成及桩基的长期耐久性有着重要的影响。
国内外很多学者对多年冻土区桩周冻土回冻规律进行了相关的研究[4-10], 符进等介绍了钻孔灌注桩在青藏公路的应用, 研究表明以桥代路的桩周冻土虽然需要较长时间才能回冻, 但桩周冻土恢复热平衡后, 可保持多年冻土的热稳定性, 桥梁桩基的变形量微小, 且稳定可靠[11-12]; 章金钊等根据昆仑山现场试验, 对多年冻土区桩基回冻时间进行了探讨[13]; 孙常新等介绍了钻孔灌注桩在青藏铁路的应用, 分析了钻孔灌注桩对冻土层的热扰动机理, 分析了影响回冻时间的因素, 表明钻孔灌注桩适合在多年冻土地区应用[14]。
国内外学者对桩周回冻进行了大量的数值模拟研究, 李小和等对不同入模温度下桩基温度场进行了模拟, 表明混凝土水化热对地温的热扰动是一个较为长期的过程[15]; 张守国对多年冻土地区钻孔灌注桩早期承载能力增长规律进行了研究, 认为桩基混凝土的入模显热以及水化热引起冻土的冻结强度降低甚至融化, 进一步导致桩基承载力降低[16]; 刘秀通过多年冻土地区钻孔灌注桩回冻过程承载力分析研究, 认为混凝土灌注后水化热的作用给稳定的冻土带来很大的热扰动, 使得多年冻土桩基的承载力会随地温的变化而变化[17]; 熊炜等基于多孔介质和热力学理论建立了多年冻土区桩基温度场控制方程[18]; 王旭等对青藏铁路桩基回冻规律进行了试验研究, 分析了不同冻土条件的回冻时间[19-21]; 吴亚平等结合工程实例对单桩回冻过程温度场进行了计算, 给出了桩身温度随深度及回冻时间的变化[22]; 马辉等讨论了影响桩基回冻时间的各种因素以及混凝土入模温度控制问题[23]; 石人俊等对青藏公路桥基混凝土的耐久性破坏进行了研究, 表明外加剂拌制低温早强耐久混凝土可以满足混凝土相关设计要求[24]; 唐丽云等模拟研究了水化热对桩基沿径向温度变化规律[25]; 贾艳敏等以传热学为基础建立了冻土地区桩基温度场的二维数值模型, 认为混凝土水化热对地温的热扰动是一个长期的过程[26]。
以桥代路工程中使用的是大直径钻孔灌注桩, 直径为1.5 m, 孔深为30~40 m, 直径与长度的变化会增加施工的难度, 混凝土用量的增加会带入更多的水化热, 这些变化均会对桩周多年冻土的回冻造成影响, 进而影响到桥梁整体的施工工艺、工序及最快施工时间。本文以共和至玉树公路(共玉公路)查拉坪特大桥为依托, 开展公路多年冻土区大直径钻孔灌注桩早期回冻规律研究, 总结高原公路多年冻土区桥梁桩基早期回冻规律。
1. 查拉坪特大桥试验工程
1.1 试验工程概况
共玉公路一期工程查拉坪特大桥为桩基试验依托工程。共玉公路设计等级为高速公路, 设计速度为80km·h-1, 设计荷载为公路-Ⅰ级。查拉坪特大桥为分幅式设计, 单幅桥面宽度为10m, 下部采用柱式墩、柱式台与摩擦桩基础。桥址所处区域为多年冻土区, 根据勘察资料, 天然上限为0.7~1.6 m, 属连续衔接多年冻土, 年平均地温为-1.8℃, 含冰类型主要为饱冰冻土及含土冰层, 其中高含冰量冻土厚度为1.9~8.7 m, 融沉等级为Ⅰ~Ⅴ级, 为极差冻土工程地质段。选定查拉坪特大桥16-1、16-2号桩进行桩基监测, 桩基长度为31 m, 桩径为1.5 m。
1.2 监测实施方案
该桩基施工时间为2010年7月底, 开挖方式为旋挖法施工, 在桩周孔完成安装后, 立即开始混凝土灌注前观测, 混凝土灌注完成后, 采用自动数据采集仪自动观测, 桩基灌注前1 d测量1次, 灌注开始完成后5 d内, 每2 h测量1次, 5~12 d内每天观测1次, 12 d之后每周观测1次。该桩基地温监测平面见图 1。桩壁观测孔深为31m, 桩侧及桩周观测孔深为20 m。
图 2为查拉坪特大桥16-1、16-2号桩地温监测剖面。16-1、16-2号桩基桩-土界面处布设长度为32 m的测温电缆, 桩侧外布设长度为20 m的测温电缆。不同深度处测点分布为: 0~10 m深度, 每0.5 m一个测温探头; 10~20 m深度, 每1 m一个测温探头; 20~32 m深度, 每2 m一个测温探头。
图 2 桩基地温监测剖面Figure 2. Monitoring sections of ground temperatures for pile foundations1.3 桩基温度监测分析
图 3为査拉坪特大桥16-2号桩桩侧1号孔在桩基灌注混凝土后不同深度的桩侧土体地温随时间的变化曲线。可以看到: 虽然不同位置的温度不同, 但整体规律相似: 均为混凝土灌注完成后温度先降低, 大概4 h后达到较低峰值, 温度降低2℃左右; 随后为快速升温阶段, 在混凝土的不停放热过程中温度不断上升, 大约30 h后温度达到最大值; 之后进入迅速降温阶段, 在灌注完成后10 d左右桩侧温度降幅达到80%以上, 但此时桩侧温度仍为正值; 随后为缓慢降温过程, 在随后30 d左右桩侧地温逐渐恢复到0℃, 但仍未恢复到灌注前地温。
图 4为査拉坪特大桥16-2号桩桩侧1号孔不同时间的地温随深度的变化曲线, 分别记录了灌桩前(7月29日16:39)、灌桩完成(7月29日23:00)、温度最高点(7月31日07:00)、降温速率降低点(8月10日20:30)、桩侧接近0℃点(9月12日)等5个不同时间桩侧冻土地温随深度的变化。该测温断面测温孔布设在桩基钢筋笼上, 与钢筋笼一同吊装, 钢筋笼吊装完成后即将观测电缆与自动数据采集仪相连接, 每2 h观测1次。约11 m深度处曲线不平滑是因为布孔时电缆采用2根连接, 接头处正好位于该位置, 所以出现了不平滑现象。
桩基在灌注完成32 h后桩侧温度达到最大值, 其中地表以下0~5 m范围内桩侧温度最高值为17℃左右, 地表以下5~30 m范围内, 桩侧温度最高值为20℃左右。桩侧温度在达到最大值后, 就开始进入迅速降温阶段, 到8月10日即灌桩完成后11 d左右, 桩侧温度降低到4℃左右, 以最高值20℃为标准, 降温幅度在80%左右。8月10日之后为缓慢降温阶段, 在灌桩完成后45 d左右(9月12日), 桩侧温度基本接近0℃。
2. 早期回冻时间
混凝土在受冻后会影响其强度, 但是灌注后采取一定的保温养护使其达到一定的强度后再受冻, 这样就不会影响其后的强度增长或者强度能达到设计值的95%, 混凝土在受冻以前必须达到的最低强度称为混凝土受冻临界强度。研究表明, 多年冻土中的钻孔灌注桩, 在桩身混凝土温度达到0℃以前如果混凝土的强度能达到受冻临界强度, 在随后的时间里即使混凝土温度降至较低负温, 其强度仍能继续增长至设计值。
查拉坪特大桥在桩基设计时均采用大直径钻孔灌注桩, 桩周最短的早期回冻时间需要45 d以上, 根据300~500号硅酸盐水泥混凝土的强度增长曲线(图 5), 在现有孔径尺寸下桩基混凝土的养生温度在桩周冻土回冻以前可以保证在0℃以上, 混凝土的强度能达到受冻临界强度, 满足后期强度需求, 可以不添加或者少添加早强剂。
3. 混凝土桩基水化热计算模型与初始条件
3.1 计算模型与材料参数
桩基水化热数值计算采用ANSYS软件, 原理为有限元法。数值计算模型见图 6, 桩长为30.0 m, 桩径为1.5 m, 模型地层厚度为40.0 m, 宽度为15.0 m。数值模拟参数见表 1。施加桩前土体地温数据由实测数据得到, 并以土体初温形式施加给土体。模型共有3 250个单元, 7 420个节点。
表 1 数值模拟参数Table 1. Parameters of numerical simulation
査拉坪特大桥混凝土材料配合比为: 水泥406kg·m-3, 砂755kg·m-3, 石子1 053kg·m-3, 水180kg·m-3, 缓凝减水剂4.06kg·m-3。水泥水化热以热源的形式施加于桩体, 由于混凝土入模初期水泥水化热放热速度快, 远大于传热速度, 所以把灌注初期混凝土作绝热温升处理。
3.2 边界条件与初始条件
多年冻土的融化过程是伴随着相变的导热过程, 这类问题的特点是控制方程为非稳态导热方程。由于冻土的导热系数和体积比热容随温度的变化而变化, 而且由于冻土中含有自由水, 在冻土融化、融土冻结时会吸收、放出很大的相变潜热, 故需考虑相变潜热的影响。轴对称条件下热传导方程为
式中: T1、C1、λ1分别为冻区内冻土的温度、体积比热容和导热系数; T2、C2、λ2分别为融区内融土的温度、体积比热容和导热系数; t为时间; y为节点的纵向位置; r为节点到竖轴的距离。
模型的初始条件为
式中: T(y, r, t)为t时刻纵向位置为y到竖轴的距离为r的节点温度; T1为混凝土的入模温度加绝热温升; T2为灌桩前冻土的初始地温, 该值通过实地地温观测取得。
模型的边界条件为
式中: z为节点的竖向位置; q为地中热流密度, 取为1.2×104J·(m-2·d)-1; U为地表下附面层温度。
根据査拉坪地区实测地温监测数据, 采用最小二乘法可以得到该地区的附面层温度为
可以看出, U是一个与时间相关的函数, 在模拟计算时将此函数作为边界施加于模型顶面。
4. 混凝土水化热回冻规律分析
4.1 数值计算模型验证
从査拉坪特大桥桩基施工现场的资料可知, 大桥桩基混凝土搅拌温度为17℃~19℃, 而水泥混凝土入模温度为12℃~13℃。对数值模型进行验证时混凝土初始温度取为12℃。在査拉坪特大桥桩基灌注过程中采用温度传感器对桩周土体进行实时监测, 从而得到了桩周土体在混凝土灌注以后的温度变化特征。
图 7为桩中心处(15.0 m深度)桩侧温度传感器采集的数据与数值计算数据对比曲线。可以看出: 实际监测数据曲线形态与数值计算得到的曲线形态基本上保持一致, 峰值相差不大, 在合理误差范围内可以认为数值计算得到的曲线基本上反映了实际监测曲线特征, 表明建立的数值计算模型能够准确反映大桥桩基在混凝土灌注冷却过程中桩周土体的回冻规律; 桩体混凝土灌注以后, 桩身混凝土温度随时间急剧上升, 水化热在第3 d达到最大值; 监测数据得到的桩身最高温度为21.5℃, 计算得到的桩身最高温度为20.8℃; 混凝土初始温度为12℃, 水化热最大可让混凝土桩身温度提升8.8℃~9.5℃; 随着龄期的增长, 自第3 d开始水泥水化热急剧减少。由此可见, 混凝土水泥水化热对桩身及桩周土体的影响主要集中在混凝土灌注的早期。
图 7 计算温度与监测温度的对比Figure 7. Comparison of calculated temperature and monitored temperature4.2 水化热影响时间分析
随着灌注完成时间的加长, 水泥混凝土水化热对桩身以及桩周土体的影响越来越弱。从数值结果来看, 当灌注完成60 d后, 桩身温度下降至0℃, 表明此时桩周土体已经完成冻结。但是从桩身温度计算曲线与天然地温曲线的对比可知, 桩身温度远远大于天然温度(图 8), 而且曲线并没有进入循环状态, 说明此时桩身部位仍有水泥水化热放热的影响, 只是影响很小。将桩身温度曲线与天然地温曲线放大可知, 完成灌注约200 d后, 桩身温度曲线与天然地温曲线形态基本上保持一致(图 9), 因此, 可以认为在桩基混凝土完成灌注约200 d后水泥水化热基本释放完成, 桩周土体回冻同时完成。
图 8 桩身温度与天然地温的对比Figure 8. Comparison of pile temperature and natural ground temperature5. 不同灌注温度下桩周土体回冻规律分析
在搅拌站混凝土砂浆输送到现场过程中, 由于各种原因使得实际混凝土桩基入模温度可能会比12℃~13℃略高或略低。不同的入模温度对应不同的水泥水化热放热速率, 同时对桩基周围冻土的回冻有很大影响, 因此, 选取10、12、14、16、18℃等5个不同入模温度, 研究桩周土体的回冻规律, 探讨冻土地区最佳的混凝土入模温度。混凝土配合比依旧采用査拉坪特大桥混凝土配合比。
在5个入模温度下, 根据水泥水化热绝热温升公式计算得到最大绝热温升。由于5个入模温度相差不大, 最大绝热温升值基本相等, 可以统一取为49.7℃, 并由此求得水化热热流密度曲线, 得到不同温度下桩基土体的回冻规律。
5.1 同一深度处水化热影响规律分析
在10、12、14、16、18℃等5个入模温度下灌注混凝土, 得到水泥在凝固初期随着温度的升高反应速率加快但总体放热量相等的规律。水泥前期反应速率的提高会增大混凝土桩基的初期强度, 有利于加快多年冻土区混凝土桩基的施工速度。然而水泥反应速率的提升必然意味着混凝土入模温度的增加, 入模温度的升高会加快桩周多年冻土的融化, 提高桩周土体温度, 延缓多年冻土的回冻速率和时间, 对桩周土体的稳定有不利影响。图 10为不同入模温度下桩侧温度随时间的变化, 入模温度对桩周土体温度的影响主要体现在2个方面: 第一, 随着入模温度的增加, 温度曲线峰值不断提高, 在桩侧入模温度每提高2℃峰值温度提升1℃左右, 在2倍桩径处入模温度每提高2℃峰值温度提升0.5℃左右, 由此表明, 入模温度对峰值温度的影响主要体现在桩基本身及附近土体, 并且随着桩径倍数的增加, 入模温度对峰值温度的影响逐渐减小; 第二, 入模温度的增加会改变温度曲线的形态特征, 在入模温度为10、12、14、16℃时, 温度曲线形态特征相差不大, 而当入模温度达到18℃时, 温度形态曲线开始发生较大变化, 土体温度在达到峰值温度前反而比在其他入模温度下的峰值前温度低。
图 10 不同入模温度下桩侧温度随时间的变化Figure 10. Variation of temperature at pile side with time under different molding temperatures5.2 不同深度处水化热影响规律分析
图 11、12分别为不同入模温度下灌注完成5、30 d后桩侧温度随深度的变化。可见, 当环境温度较高时, 降低砂浆的入模温度对砂浆的温峰、温峰出现时间以及水化热影响不大。由此可以推测, 在夏季环境温度较高的情况下, 通过降低混凝土拌合物入模温度的方法很难达到降低大体积混凝土内部温度从而减小内外温差、克服温度应力裂缝的目的。这可能是因为当环境温度高于拌合物温度时, 在混凝土初凝之前拌合物含水量高, 导热性好, 环境向混凝土扩散热量, 该热量扩散的速率正比于环境温度与拌合物入模温度的差值, 但二者必将在很短时间内达到平衡, 故降低拌合物入模温度对大体积混凝土总的升温特性没有多大影响。由于暖季施工过程中桩基温度最少需要60 d的时间才能达到0℃, 为混凝土达到受冻临界强度提供了比较充裕的时间, 因此, 当混凝土拌合物入模温度不高于环境温度时, 没有必要采取诸多措施来刻意降低拌合物入模温度。
图 11 灌注完成5 d后桩侧温度随深度的变化Figure 11. Variation of temperature at pile side with depth in 5 d after finishing pouring
图 12 灌注完成30 d后桩侧温度随深度的变化Figure 12. Variation of temperature at pile side with depth in 30 d after finishing pouring6. 结语
(1) 现场试验与模拟结果均表明混凝土有比较充裕的时间达到受冻临界强度, 没有必要采取诸多措施来刻意降低拌合物入模温度, 可以不添加或者少添加早强剂。
(2) 公路多年冻土区以桥代路工程的施工时间最好安排在暖季, 为混凝土养生提供较好的外部条件, 简化施工工艺, 从而保证混凝土的强度。
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图 2 桩基地温监测剖面
Figure 2. Monitoring sections of ground temperatures for pile foundations
图 7 计算温度与监测温度的对比
Figure 7. Comparison of calculated temperature and monitored temperature
图 8 桩身温度与天然地温的对比
Figure 8. Comparison of pile temperature and natural ground temperature
图 10 不同入模温度下桩侧温度随时间的变化
Figure 10. Variation of temperature at pile side with time under different molding temperatures
图 11 灌注完成5 d后桩侧温度随深度的变化
Figure 11. Variation of temperature at pile side with depth in 5 d after finishing pouring
图 12 灌注完成30 d后桩侧温度随深度的变化
Figure 12. Variation of temperature at pile side with depth in 30 d after finishing pouring
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