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  • CN 62-1072/P 
  • ISSN 1000-0240 
  • 创刊于1979年
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国科学院寒区旱区
  •                  环境与工程研究所
  •                  中国地理学会
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冰川冻土, 2020, 42(4): 1202-1212 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0091

寒区工程与灾害

多年冻土区钻孔灌注桩基础早期热稳定性研究现状与展望

侯鑫,1,2,3, 杨斌4, 陈继,1,2, 赵静毅1,2, 芮鹏飞1,2

1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室,甘肃 兰州 730000

2.中国科学院 西北生态环境资源研究院 青藏高原北麓河冻土工程与环境综合观测研究站,甘肃 兰州 730000

3.中国科学院大学,北京 100049

4.中国地质调查局 自然资源综合调查指挥中心,北京 100055

The status and review of early thermal stability of cast-in-place pile foundations in permafrost regions

HOU Xin,1,2,3, YANG Bin4, CHEN Ji,1,2, ZHAO Jingyi1,2, RUI Pengfei1,2

1.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

2.Beiluhe Observation Station of Frozen Soil Engineering and Environment,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

4.Command Center of Comprehensive Natural Resources Survey,China Geological Survey,Beijing 100055,China

通讯作者: 陈继, 研究员, 从事冻土工程与环境研究. E-mail: chenji@lzb.ac.cn.

编委: 周成林

收稿日期: 2018-04-03   修回日期: 2020-06-12  

基金资助: 中国科学院战略性先导科技专项(A类)“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设”.  XDA20020102
冻土工程国家重点实验室基金项目.  SKLFSE-ZT-34

Received: 2018-04-03   Revised: 2020-06-12  

作者简介 About authors

侯鑫(1991-),男,甘肃敦煌人,2015年在西安建筑科技大学获学士学位,现为中国科学院西北生态环境资源研究院在读博士研究生,从事多年冻土桩基热稳定性研究.E-mail:houxin15@mails.ucas.edu.cn , E-mail:houxin15@mails.ucas.edu.cn

摘要

多年冻土区钻孔灌注桩基础施工带来的热扰动削弱了桩基础的早期热稳定性, 降低了桩基承载力。通过早期热稳定性影响因素、 热稳定性对承载力的影响及其改善措施三个方面对钻孔灌注桩基础早期热稳定性的研究现状进行归纳总结。研究表明: 首先, 多年冻土区钻孔灌注桩基础具有热扰动范围大、 回冻时间长的特点, 其中水化热及胶凝材料、 入模温度、 成孔方式作为主动影响因素是热扰动的主要来源, 桩基特征及冻土工程地质条件作为间接因素也对早期热稳定性产生次要影响; 其次, 钻孔灌注桩热扰动显著降低了桩基早期的承载力, 延缓了上部结构施工时间; 在削弱桩基早期热扰动方面, 人工制冷、 热管等措施具有良好的加速回冻效果。基于桩基承载力与冻土地温的密切关系, 未来还需进一步定量评估冲击钻成孔施工方式、 灌注桩施工季节、 群桩设计参数对桩基早期热扰动的影响, 深入认识早期热扰动作用下桩基承载力的变化规律、 设计荷载与冻土蠕变的关系及其对工期的影响, 并研发施工更加便利、 效果更加显著、 适用范围更广的低水化热胶凝材料和钻孔灌注桩控温措施, 有效提高钻孔灌注桩早期的承载力。

关键词: 多年冻土 ; 钻孔灌注桩 ; 热稳定性 ; 承载力

Abstract

The thermal disturbance caused by the construction of cast-in-place pile foundation in permafrost regions weakens the early thermal stability of the pile foundation and reduces the bearing capacity. This paper discusses the research of early thermal stability of cast-in-place pile foundation from three aspects: the influencing factors of early thermal stability, the influence of thermal stability on bearing capacity, and the improvement measures. Cast-in-place pile foundations in permafrost regions have the characteristics of large thermal disturbance range and long refreezing time. The heat of hydration and cementitious materials, casting temperature, and drilling methods are the main sources of thermal disturbances. Pile characteristics and geological conditions as indirect factors also have a secondary impact on the early thermal stability. The thermal disturbance significantly reduces the early bearing capacity of the cast-in-place pile foundation and delay the construction time of the superstructure. The cooling liquid and thermosyphons have been verified by actual engineering to have a significant effect of accelerating refreezing process. The future related research is prospected, and it is believed that the thermal disturbance process caused by different drilling methods, the low-hydration thermal cementing materials suitable for permafrost regions, and cost-effective temperature control measures should be further studied to improve early bearing capacity.

Keywords: permafrost ; cast-in-place pile ; thermal stability ; bearing capacity

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本文引用格式

侯鑫, 杨斌, 陈继, 赵静毅, 芮鹏飞. 多年冻土区钻孔灌注桩基础早期热稳定性研究现状与展望[J]. 冰川冻土, 2020, 42(4): 1202-1212 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0091

HOU Xin, YANG Bin, CHEN Ji, ZHAO Jingyi, RUI Pengfei. The status and review of early thermal stability of cast-in-place pile foundations in permafrost regions[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(4): 1202-1212 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0091

0 引言

我国是世界第三大冻土国, 多年冻土占世界多年冻土分布面积的10%, 占我国国土面积的21.5%, 其主要分布在中、 低纬度的青藏高原及东北大小兴安岭地区1-2。随着我国西部大开发战略的推进, 各种工程的实施, 多年冻土地区建筑物基础对冻土的热扰动问题愈发突出, 对此已经开展了大量的研究3-4。桩基因承载力大、 受表土冻融影响小、 变形稳定性好、 节约土地等特点, 越来越多的被应用在多年冻土区5。多年冻土地区的桩基础主要有: 钻孔插入桩、 钻孔打入桩、 钻孔灌注桩等, 其中钻孔灌注桩基础因具有承载力大、 施工方便等优点, 应用最为广泛, 但其具有热扰动范围大、 回冻时间长的特点6-7。目前, 青藏高原90%的桥梁都采用钻孔灌注桩基础8, 青藏铁路旱桥里程长达156.7 km, 其中清水河特大桥连续长达11.7 km9。另外, 大小兴安岭多年冻土区输油管线采用混凝土桩连系梁支撑架空等方法来治理冻胀融沉灾害10, 多年冻土区部分房屋基础也已大量开始采用钻孔灌注桩基础。根据青藏高等级公路前期的初步设计计划, 沿线高温高含冰量多年冻土区将主要采用旱桥形式通过。可以预见, 未来将有越来越多的建筑物采用钻孔灌注桩作为地基基础。而多年冻土与桩侧表面的冻结强度是桩基础承载力的重要组成部分, 冻结强度对温度十分敏感, 桩基础施工带来的热扰动会严重影响桩基础的早期承载力, 对工程设施的安全稳定产生威胁11-14。因而, 有必要对多年冻土地区钻孔灌注桩早期热稳定性展开研究。

在多年冻土区桩基工程中, 金属桩、 木桩、 预制桩目前在国外应用较多, 国内则主要采用钻孔灌注桩15-19。前者对冻土热扰动小, 后者对冻土热扰动较大, 相关研究也基本集中于国内。本文从早期热稳定性影响因素、 早期热扰动对承载力的影响及其改善措施三个方面论述钻孔灌注桩基础早期热稳定性的研究现状, 并对今后的相关研究进行展望, 以期能为采用钻孔灌注桩基础的冻土工程建设提供参考。

1 影响钻孔灌注桩基础早期热稳定性的因素

多年冻土区钻孔灌注桩基础施工及水泥水化过程产生的热量会对桩周冻土产生较大范围热扰动, 且回冻时间较长20-23。以上过程受多种因素影响, 本文从是否主动释放热量的角度出发, 将其划分为主动影响因素和被动影响因素。其中, 主动影响因素包括: 混凝土水化热及胶凝材料、 混凝土入模温度、 成孔方式; 被动影响因素包括: 桩体直径及桩长、 桩间距、 冻土工程地质条件。

1.1 水化热及胶凝材料

桩体早期对周围冻土的热扰动主要来自于混凝土的水化放热。目前, 关于混凝土水化热对桩体热扰动的研究已有很多24-28。早在20世纪80年代, 励国良等29就在青藏高原地区开展现场试验, 对比了钻孔打入桩、 钻孔插入桩和钻孔灌注桩的优缺点, 发现尽管钻孔灌注桩基础有很多优点, 但其仍存在回冻时间长、 前期承载力低、 不能连续施工的缺点。发展至今, 研究人员已经对钻孔灌注桩基础进行了更为深入的研究。在青藏高原地区, 贾晓云等30通过对青藏铁路桥桩进行现场测试和理论分析得出, 水化热保证了混凝土受冻前的温度, 又导致了周边冻土层地温上升。商允虎等31对共和-玉树高等级公路查拉坪旱桥1.5 m桩径的桩基进行现场测试发现, 水化热对桩基外侧距离桩表面0.6 m与0.9 m处影响较大, 分别在3~5天与7~11天达到最高温度, 对外侧2 m处无明显影响, 且在201天后桩侧不同深度土层温度恢复至与天然孔接近。在东北地区, 程培峰等32-33对年平均地温-2.0 ℃大兴安岭岛状多年冻土地区的试桩进行现场测试得出, 混凝土水化热作用范围为1~2倍桩径, 桩基回冻期为2个多月。李明贤等34通过对冻土地区桩径为1 m的试桩进行现场测试得出, 混凝土水化热的扩散半径达到760 mm以上。由于现场试验的高成本及现场环境的复杂性, 同期也开展了大量关于钻孔灌注桩基础早期热稳定性的数值模拟研究。唐丽云等35通过对年平均地温-1.5 ℃的可可西里地区的试桩工程进行数值模拟得出: 混凝土水化热对冻土桩基的温度场产生较长时间较大范围的热扰动, 对6倍桩径以内范围的冻土温度影响较大; 熊炜等36通过对年平均地温-2.5~-2.0 ℃的昆仑山垭口附近的桩基进行数值模拟得出: 混凝土放热的影响范围是3~4倍桩径, 且近桩土体温度恢复到开挖前的初始状态所需时间在200天以上。可见不管是现场试验还是数值模拟都反映出水化热是影响钻孔灌注桩基础早期热稳定性的主要因素, 如何合理的减少水化热的影响仍是冻土地区钻孔灌注桩基础需要继续研究的问题之一。此外, 从以上结果也可看出现场试验结果与数值模拟结果之间仍存在较大偏差。一方面是建模过程中对现场情况简化使土体热物理参数与实际情况存在差异; 另一方面混凝土水化反应速率在低温条件受到限制37, 采用常温条件下的水化放热公式及参数会使早期水化放热偏大, 影响模拟结果。

混凝土水化热是混凝土在硬化过程中胶凝材料水泥水化放出的热量。所以, 混凝土中胶凝材料对水化热的影响很大。国内外研究人员对如何减少混凝土水化热开展了广泛研究。国外学者Langan等38研究发现在较高的水灰比中, 硅灰的加入会加速混凝土水化, 且水灰比越高, 加速作用越明显; 在较低的水灰比中, 硅灰的加入会阻碍混凝土水化。粉煤灰的加入在混凝土水化刚开始时起加速作用, 但之后就会延缓水化作用, 且水灰比越高, 延缓效果越显著。Snelson等39同样得出粉煤灰的增加会减少水泥水化放热。国内学者马辉等40通过研究发现利用新型混凝土添加剂, 改善混凝土配合比, 可以减少混凝土的水化热。其中部分技术成果已在实际工程应用中体现。在青藏高原地区, 李文利等41通过对青藏铁路沱沱河沿岸的混凝土桥灌注桩进行现场测试及数值模拟得出: 粉煤灰和硅灰作为掺合料取代一定质量的水泥可以降低水泥的总放热量, 也就降低了混凝土的水化热量, 从而在一定程度上减小了混凝土水化热对冻土温度场的影响。在东北地区, 喻新宇等42在伊通河特大桥桩基冬季施工时在混凝土配比中掺入大量粉煤灰, 减少水泥用量, 同时加入减水剂, 减少了混凝土的放热量, 降低了混凝土的水化放热速率。此外, 在承载力满足要求的情况下, CFG桩也有类似效果。CFG桩为碎石、 石屑、 砂、 粉煤灰、 水泥及水拌合制成的一种桩。贾艳敏等43-44对伊绥高速岛状冻土地段的CFG桩温度进行监测后得出: 由于CFG桩桩径小且粉煤灰混凝土水化热较少导致CFG桩在浇筑完后温度便开始下降, 没有明显的升温过程; 徐达等49通过数值模拟得出: CFG桩的热扰动核心在一倍半桩径以内, 在一倍半桩径外的土体区域, 土体温度场基本没有变化。

添加剂、 胶凝材料配比是有效减少水化热的方法, 但在多年冻土地区钻孔灌注桩基础的应用研究方面仍显得不足, 还需要研发出水化热更低甚至无热且能够在低温乃至负温条件下充分完成水化反应、 形成足够混凝土强度的胶凝材料。

1.2 入模温度

混凝土入模温度对桩基早期热扰动影响的重要程度仅次于水化热及胶凝材料。目前通过现场试验控制入模温度较为困难, 所以关于入模温度的研究还是以数值模拟为主。贾艳敏等46通过对昆仑山垭口试桩的监测和数值模拟得出: 入模温度越高, 最高温升越大, 回冻时间越长; 陈赵育等47通过对青藏直流输电线路桩基的数值模拟得出: 入模温度越高, 桩底融化层厚度越大, 且回冻时间越长。由此可见入模温度的重要性, 对其进行量化分析后结果更直观。李小和等48采用数值模拟对多年冻土区桩基模拟得出: 回冻两个月后单桩桩身表面处地温平均值在入模温度5 ℃及12 ℃条件下分别达到了天然孔地温平均值的57.3%及53%。吴亚平等49-50通过数值模拟的方法得出: 入模温度从5 ℃提高至12 ℃对桩周处地温的影响主要集中在灌桩后90天内, 在回冻时间30、 60天时, 两者的正温差值分别为-0.174 ℃和-0.058 ℃。鉴于此, 很多研究都对混凝土的入模温度给出了建议。章金钊等51-52建议在条件许可时, 应尽可能降低混凝土入模温度; Guo等53建议入模温度控制在2~9 ℃。

尽管当前已基于数值模拟方法探讨了入模温度对回冻过程的影响并给出了混凝土合理入模温度的建议, 但由于施工季节、 气候等因素影响, 在施工现场并不能很好的控制混凝土入模温度, 如何在不增加成本且如此复杂的施工条件下既能控制入模温度又能确保桩体强度仍需探讨。

1.3 成孔方式

目前在多年冻土区混凝土钻孔灌注桩基础多采用的成孔方式主要有两种: 冲击钻成孔和旋挖钻成孔。尽管因为技术的进步现在多使用旋挖钻成孔, 但冲击钻成孔的方式仍未退出历史舞台, 如: 2016年青藏公路楚玛尔河特大桥桩基, 2018年青藏高原G109国道北麓河上修建的桥梁桩基, 2020年青藏高原可可西里盐湖引流工程中的桩基均采用冲击钻成孔(图1)。彭彦彬58对两种成孔方式优缺点进行了分析: 冲击钻成孔能在各种冻土条件下施工, 但钻孔进度慢, 循环泥浆带入热量对地基温度场产生较大影响, 且成孔不规则, 孔径误差较大, 必须采取防坍孔措施; 旋挖钻成孔进尺快, 孔壁规则光顺, 定位准确, 且为干钻法成孔, 对冻土的热扰动小, 可以显著减少孔壁坍塌现象。原喜忠等55也认为采用冲击钻成孔, 循环泥浆带入热量对地基温度场产生较大影响。

图1

图1   多年冻土区旋挖钻和冲击钻施工

Fig.1   The machines of dry rotary drilling and percussion drilling with slurry in permafrost regions: dry rotary drilling used for pile foundation construction of Beiluhe Station in 2016 (a); percussion drilling used in Hoh Xil bridge pile foundation construction in 2020 (b)


旋挖钻对多年冻土的热扰动主要来自于钻具和冻土的摩擦, 这一过程一般都在几个小时以内; 冲击钻成孔过程中, 循环泥浆对多年冻土的热扰动强度较为剧烈, 且持续时间较长, 一般单孔施工时间长达1~2天。成孔方式带来的热扰动较难测量, 目前尚缺乏试验、 监测和模拟研究, 对其认识仍处于定性描述阶段。

1.4 桩基特征

桩基特征包括基桩的长度、 直径及其间距。随着建筑等级的提高, 桩基上部荷载不断增加、 桩基施工后沉降变形要求越来越高, 桩长、 桩径及桩间距也随之变化, 这同样会影响钻孔灌注桩基础的早期热稳定性。目前对桩长、 桩径的研究包括现场试验和数值模拟, 且数值模拟居多。宇德忠等56通过对大兴安岭丘陵低山的岛状多年冻土区的试桩进行现场测试得出: 在入模温度相近时, 1.2 m桩径试验桩的回冻时间是1.0 m桩径试验桩的1.14倍。岑成贤等57通过对昆仑山试桩进行数值模拟得出: 在相同的入模温度条件下, 桩侧和桩底的回冻时间随桩径的增大而增大, 随桩长的增大而增大。贾艳敏等58通过对冻土地区试桩进行数值模拟得出: 混凝土水化热对桩侧热扰动范围随着桩径的增大而增大, 两者呈对数关系; 对桩底热扰动范围随着桩长的增大而增大, 两者呈线性关系。

关于桩间距对地基热扰动影响的研究目前多采用数值模拟方法。在东北地区, 徐达等59通过对岛状冻土地区CFG复合地基进行数值模拟得出: 距桩侧0.5倍桩径的冻土温度在桩间距为3倍桩径时最高, 当桩间距增大到4倍桩径时, 影响桩侧0.5倍桩径距离土体温度的已经不再是两个相邻桩体的共同水化热作用。桩间距仅仅反映了两个相邻桩基的相互作用, 在实际桩基工程中, 冻土地基温度场往往受多根桩基共同影响, 由于空间位置不同, 冻土地温场和桩基回冻过程表现出显著的空间分布差异。在青藏高原地区, 吴亚平等60对青藏铁路冻土区某桥梁5个桩组成的群桩进行数值模拟得出: 中心桩表面要比边桩表面晚55天才能回落至0 ℃, 而且群桩混凝土水化热会使群桩之间的冻土先升温(120天左右升至最高)后开始降温。刘路等61对青藏铁路某桥桩进行数值模拟得出: 由于群桩中边桩水化热对中心桩的影响, 导致中心桩开始回冻的时间、 回冻至-0.5 ℃的时间分别滞后于边桩约15天和150天。由此可见, 较小的桩间距和靠近基础中心的基桩会直接导致桩周冻土回冻时间增加, 所以部分学者对多年冻土区群桩的施工给出了建议。唐丽云等62建议, 设计时应控制桩距减少各桩水化热的叠加效应, 若桩距小于单桩热效应范围, 可在实际施工中错开各桩灌注混凝土的时间, 以减少各桩混凝土水化热的相互影响, 尽量减少施工对冻土地基的热扰动。

以上研究过程均采用数值模拟, 尽管有学者对CFG群桩进行了室内模型试验设计63, 但是关于普通混凝土钻孔灌注群桩基础早期热扰动的研究还有待于通过室内及现场试验研究来予以验证和完善。冻土区高等级公路、 铁路、 建筑等工程使用群桩已是发展趋势, 如何减弱桩体对多年冻土的热扰动, 如何在控制桩间距、 桩径、 桩长的条件下满足群桩承载力的要求, 这将是未来冻土区群桩研究所要解决的重要问题。

1.5 桩周冻土特征

除了上述和桩体直接相关的影响因素外, 桩周冻土特征也会对钻孔灌注桩基础的早期热稳定性产生影响, 如: 含冰量、 年平均地温及土层岩性等。

不同冻土中的含冰量往往不同, 根据含冰量的不同将冻土分为: 少冰冻土、 多冰冻土、 富冰冻土、 饱冰冻土、 含土冰层2。不同含冰量的冻土在发生相变时吸收或释放的热量不同, 对桩基热扰动的影响也不同。土层含冰量越高, 相变潜热越大, 冷储量越大, 桩周冻土退化越慢。陈赵育等68通过模拟高温冻土区三种典型含冰量(少冰、 富冰、 含土冰层)对桩基温度场、 桩底融化深度的影响得出: 少冰冻土区桩底最大融化深度为38 cm, 富冰冻土区为33 cm, 含土冰层为30 cm。

冻土年平均地温同样也会对桩基早期热稳定性产生影响。王旭等69通过对青藏高原昆仑山口及楚玛尔河高平原桩基现场测试得出: 在低温稳定多年冻土区, 桩身混凝土浇筑8天后, 桩身首先在地面以下3.5~7.5 m(-0.027~-0.320 ℃)及桩底处出现负温(-0.35 ℃); 在高温不稳定多年冻土区, 桩身混凝土浇筑18天后, 在桩底处才出现负温。符进等66-68对青藏公路桥梁桩基现场监测分析得出: 桩周冻土的回冻时间与冻土初始条件有关, 冻土地温越低, 回冻时间越短。宇德忠等56通过对现场测试得出: 在冻土地温作用下, 桩基首先由桩底向上进行单向冻结, 当大气温度降到0 ℃以下时桩基在上下两个方向同时冻结。王相立等73通过数值模拟的方法得出: 土体负温越低, 桩体温降越快, 正温持续时间越短。

不同的土层岩性会使土的容积热容、 导热系数等不同。土的导热系数是干密度、 含水(冰)量和温度的函数, 并与土的矿物成分和结构构造有关。徐达等59通过数值模拟得出: 随着导热系数的逐渐增加, 桩体与桩侧冻土进行的热交换也随之逐渐增强。Duan等70提出了垂直线性热源在半无限介质中瞬态热传导的预测公式, 结果表明随着土的导热系数的增加, 其温度振幅及传播相位滞后性会减小。

目前对于以上影响因素的研究方法主要为室内试验、 数值模拟以及现场测试三种方式, 且多以数值模拟和室内试验为主。考虑到现场地质和气候条件的复杂性, 应健全完善现场测试方面的数据。

2 钻孔灌注桩基础早期热稳定性对其承载力的影响

多年冻土地区桩基础的承载力与桩周冻土温度关系紧密。多年冻土地区桩基的承载力主要有三部分组成, 即: 桩侧冻结力、 桩端冻土层的承载力及桩侧融土的摩阻力71。桩侧冻结力与冻土温度息息相关14, 有试验资料表明: 土温低于土的冻结温度后, 冻结强度随着土温降低而升高, 达到一定负温之后, 则随着土温继续降低, 其增长速率则变得缓慢72。俄罗斯的一项研究也表明将桩周冻土温度从-0.3 ℃下降到-1.0 ℃, 可使桩基承载力增大2.5倍, 若温度降到-2.0 ℃, 承载力则增大3.8倍73。此外, 钻孔灌注桩基础热稳定性对其承载力的影响从桩基承载力计算公式中也有直观体现。根据铁路桥涵地基和基础设计规范, 多年冻土地区钻孔灌注桩的单桩容许承载力在无条件试桩时, 可按下式计算74

[P]=12τiFim''+m'0A[σ]

式中: [P]为桩的容许承载力; τi为第i层冻土同桩侧表面的冻结强度(根据表1取值); m''为冻结力修正系数; Fi为第i层冻土中桩侧表面的冻结面积; m'0为桩底支撑力折减系数; A为桩底支撑面积; [σ]为桩底多年冻土容许承载力(根据表2取值)。

表1   不同土层月平均最高温度对应的混凝土桩侧表面与冻土的切向冻结强度74

Table 1  Tangential freezing strength between the pile surface and frozen soil at the monthly average maximum temperature of different frozen soil layers74

与混凝土表面接触的土切向冻结强度/kPa
-0.5 ℃-1.0 ℃-1.5 ℃-2.0 ℃-2.5 ℃-3.0 ℃-4.0 ℃
黏性土6090120150180220280
砂土80130170210250290380
碎石土70110150190230270350

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表2   多年冻土桩基底面不同冻土层月平均最高温度对应的容许承载力74

Table 2  Bearing capacity of the bottom of pile foundation at the monthly average maximum temperature of different frozen soil layers74

钻孔灌注桩底土的类型容许承载力/kPa
-0.5 ℃-1.0 ℃-1.5 ℃-2.0 ℃-2.5 ℃-3.5 ℃
块石土、 卵石土、 碎石土、 粗圆砾土、 粗角砾土8009501 1001 2501 3801 650
细圆砾土、 细角砾土、 砾砂、 粗砂、 中砂6007509001 0501 1801 450
细砂、 粉砂4505506507508301 000
粉土400450550650710850
粉质黏土、 黏土350400450500560700
饱冰冻土250300350400450550

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由上式可以看出桩基承载力与桩侧表面冻结强度、 桩底冻土容许承载力相关, 而根据表1表2可以看出桩侧表面冻结强度、 桩底冻土容许承载力与多年冻土层温度息息相关, 温度越低, 冻结强度越大, 桩基承载力越高。因而, 钻孔灌注桩基础早期对多年冻土造成的热扰动会严重降低其承载力, 延缓上部建筑的施工时间。

参照当前规范, 钻孔灌注桩早期热扰动降低了其承载力。但是, 规范中的承载力均是采用的长期强度, 远低于其瞬时和短期强度。桩基完工后, 随着回冻时间增加, 冻土温度下降, 桩基承载力也在提高。出于提升设计水平、 降低建设成本的考虑, 应综合考虑冻土桩基早期热扰动条件下的短期承载力和回冻后的长期承载力、 设计荷载和冻土蠕变关系、 工程施工周期等因素, 可以考虑允许一定的桩基早期沉降变形, 为冻土桩基设计提供更为合理的依据。

3 桩基早期热稳定性的改善措施

混凝土灌注桩早期热扰动的来源包括水化热、 入模温度和施工过程等。因此, 减少上述热源的摄入量将可以改善桩基早期的热稳定性, 提高桩基础早期承载力, 包括添加新型添加剂的低水化热水泥、 降低胶凝材料的使用量或者减小基桩的长度、 桩径、 增加基桩的间距等减少水化热的影响, 在确保桩基混凝土强度的条件下采用低温添加剂降低入模温度, 或者采用干式旋挖钻代替泥浆循环冲击钻减少施工工艺对桩周冻土的影响等。针对以上措施, 当前已开展了部分研究, 包括硅灰、 粉煤灰的引入38-44、 合理的入模温度46-53等, 但是对群桩设计参数优化的依据、 桩基施工方式和季节的影响还缺乏定量化的研究。

除了从钻孔灌注桩基础早期热稳定性影响因素入手外, 也有部分学者尝试采用外部人工措施解决这一问题。宁作君等75发明了一种减少桩基回冻时间的方法, 在桩内预留套管, 将热管插入套管加速回冻, 之后拔出热管继续施工。Shang等76设计了一种空气制冷系统, 预先在桩基中埋设通风管道, 之后通过排风机将冷空气注入管道来减少回冻时间, 并通过数值模拟进行了验证, 结果表明该系统具有良好的降温效果, 能有效减少回冻时间。陈坤等77-78提出了一种在桩基中预埋冷却管, 在桩体养护满足要求后注入冷却液的方案, 并在中科院北麓河站房屋桩基场地进行了试验[图2(a)、 图2(b)], 经过冷却后的试验桩温度与对比桩温度如图2(c)所示, 从图中可以明显看出冷却液降温效果明显, 冷却过程刚结束时, 对比桩温度仍在缓慢恢复, 而试验桩温度已明显低于对比桩温度, 且随着时间的推移, 尽管温度会有所升高, 但仍低于对比桩温度。此外, 北麓河站部分房屋桩基预埋热管[图3(a)], 并在养护满足要求后热管开始工作, 桩基础温度变化如图3(b)所示, 热管工作前, 试验桩温度与对比桩温度均在缓慢降低, 当热管开始工作后, 试验桩温度在不到2天时间内就已经远低于对比桩温度, 半个月后就已经低于对比桩2 ℃以上。

图2

图2   北麓河站房屋冷却液降温方案77

Fig.2   Artificial cooling measures using coolant in Beiluhe Station House77: diagrammatic sketch of the cooling test (a); photo of the cooling test (b); temperature of test pile foundation and contrast pile foundation at 4.5 m depth after cooling test (c)


图3

图3   北麓河站房屋热管降温方案

Fig.3   Artificial cooling measures using thermosyphon in Beiluhe Station House: photo using thermosyphon (a); temperature of test pile foundation and contrast pile foundation at 5 m depth (b)


尽管以上外部人工措施都具有显著减少回冻时间的效果, 但都不同程度存在施工不便、 成本较高、 工程适用性差或者受季节影响大的问题。

4 展望

以上研究现状表明, 当前对多年冻土地区钻孔灌注桩基础早期热稳定性已开展大量研究, 通过室内试验、 现场监测、 数值模拟等方法, 已基本掌握了水化热、 入模温度、 冻土特征等因素对钻孔灌注桩基础热稳定性的影响, 钻孔灌注桩早期热扰动对桩基承载力的影响, 以及几种主要消除桩基早期热扰动的措施及其效果。考虑到现场地质和气候条件的复杂性以及工程类型和等级的多样性, 当前和今后一段时期有必要对多年冻土地区钻孔混凝土灌注桩基础早期热稳定性加强以下几个方面的研究:

(1) 监测模拟不同季节条件下旋挖钻、 冲击钻两种成孔方式对桩基地温的扰动, 试验不同胶凝材料在典型地温条件下的水化放热曲线, 建立相应的水化放热公式, 模拟不同桩间距和基桩参数条件下的群桩温度场变化过程, 开展不同成孔方式、 胶凝材料、 施工季节、 群桩设计参数对钻孔灌注混凝土桩基础早期热扰动影响的定量研究。

(2) 深入认识早期热扰动作用下桩基短期和长期承载力的变化过程及规律, 给出不同地温土质条件下设计荷载与冻土蠕变的关系曲线, 综合考虑工期的影响, 建立一套允许桩基早期适度沉降变形的冻土桩基设计理论依据和设计方法。

(3) 研发施工更加便利、 效果更加显著、 适用范围更广的低水化热胶凝材料和钻孔灌注桩控温措施, 并针对高速公路、 高速铁路、 房建工程等典型工程类型开发相应性的控温措施, 有效提高钻孔灌注桩早期的承载力。

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