人工冻土灌注桩桩身温度场及混凝土强度试验研究.pdf

2 0 1 5年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRE r E AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 5 No 4 Ap r i l 人工冻土灌注桩桩身温度场及 混凝土强度试验研究 孟 文清， 王相立 ， 张亚鹏 ， 崔邯龙 ( 河北工程大学土木工程学院 ， 邯郸 0 5 6 0 3 8 ) 摘要 ： 采用物理模 型试验 方法 ， 对人 工冻土条件下混凝土 灌注桩进行 了桩身温度场监测及混凝 土强度检 测 ， 并 基 于试验数据 ， 研究 了人工 冻土 中灌注桩桩 身温度场发展规 律和混凝 土强度 增长特性 ， 可为人工 冻土条件 下混凝 土 灌 注桩的施工提供技 术指导。 关键词 ： 人 工冻土 ； 混凝土灌注桩 ； 桩 身温度场 ； 混凝土强度 Ab s t r a c t ：T h e t e mp e r a t u r e fi e l d o f c a s t - i n - p l a c e c o n c r e t e p i l e i n a r t i fi c i a l f r o z e n s o i l i s d e t e c t e d b y u s i n g p h y s i c a l mo d e l t e s t s B a s e d O il t h e t e s t d a t a o f c o n c r e t e s t r e n g t h ， t h e d e v e l o p me n t r u l e o f t h e p i l e t e mp e r a t u r e fie l d i n a r t i fi c i a l f r o z e n s o i l a n d t h e g r o wt h f e a t u r e o f c o n c r e t e s t r e n g t h a r e o b t a i n e d T h e r e s u l t s c a n p r o v i d e t e c h n i c a l g u i d a n c e f o r f u t u r e c o n s t r u c t i o n o f c a s t - i n p l a c e c o n c r e t e p i l e i n a rti fi c i a l f r o z e n s o i l Ke y wo r d s ：Ar t i fi c i a l f r o z e n s o i l ； Ca s t - i n p l a c e c o n c r e t e p i l e ； P i l e t e mp e r a t u r e fi e l d ； C o n c r e t e s t r e n gth 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 4 3 9 0 3 0前 言 近年来随着煤炭的深层开采 ，矿井井筒采用人 工冻结支护的施工也越来越多。当矿井井筒施工完 毕后 ，紧随而来 的是井塔及周边附属设施的建设 ， 此时井筒周边地基仍处于冻结状态 ， 若采用人工解 冻 ， 则费用较高 ， 等待 自然解冻 ， 则时 间较长。综合 考虑施工费用 和施工进度 ， 需要在未解冻的土体 中 进行桩基础的施工 。因此 ， 在人工冻土条件下对灌 注桩进行研究具有一定 的工程价值 。 目前 ，对人工冻土条件下桩身温度场发展状况 及混凝土强度增长特性相关研究 l - 4 较少 ， 缺乏人工 冻土条件下灌注桩的试验数据作 为借鉴 ， 给工程施 工带来不便。为此 ， 本文针对这一 问题作了试验研 究 ， 初步揭示 了人工冻土条件下钻孔灌注桩 的桩身 温度场发展规律和强度增长特性 ， 以期为人工冻土 条件下灌注桩的施工提供参考 。 1 试 验方 案 1 1 试 验方 法 内蒙矿区为饱和砂 土地基 ， 井筒施工多采用人 工冻结支护， 本文 以该地 区人工冻土条件下钻孔灌 注桩为研究对象 。根据现场勘查资料的地基土物理 性质指标 ， 基于相似理论 ， 进行模型人工土配置 ， 在 土体 中埋置冷冻管 ， 通过冷冻装置控制试验土体温 度 为一 5 ( 该温度为人工冻土条件下钻孑 L 灌注桩施 工时土体温度 ) 。制作 2根桩径为 8 0 0 mm ( 常用桩 径 ) ， 长 度为 2 2 m 的试验 桩 ， 在 试 验桩 中埋设 测温 元 件进行测温 ， 通过钻芯取样进行强度检测。 1 2 试 验装 置 试验装置 ： 冷冻管 ： 采用 D 5 7 x 3钢管焊接而 成。冷冻管布置根据试验要求完成 ， 模型平面布置 如图 1 所示 ； 制冷设备 ： 为北京某仪器厂生产 的 Z J D R一 3型混凝土 自动快速冻融试验设备 ；测温 元件 ： 为 P t l O 0温度传感器 ， 用 L T M一 8 0 0 0温度采集 模块和配套软件进行数据采集和保存 ； 钻芯取样 装置 ： 为 Z I Z P W一 2 0 0 ( P W2 0 0 ) 金刚石钻孔机。 图 1 模 型平 面布置图 1 3 试 验基坑 的 布置 试验基坑深度为 3 8 m， 平面尺寸为 3 3 mx 1 6 m， 基坑四周采用 l O O mm厚保温板 ， 基于进行试验方便 考虑 ， 试验基坑采取下部开挖 2 7 m， 上面堆土 1 1 m， 如图 2所示 。 一 3 9 2 0 1 5年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 8 期 桩体冷冻管保温板 天 然 地基 。 - I _ 要 _ ： 二 _ 二 一 墨 l( 一 二 _ ， 3 3 0 0 图 2模 型立 面布 置 图 1 4 模型土的制备 为使试验能更好的模拟实际工程 ， 结合相似理 论和现场土的物理指标参数配置模型土。工程现场 土为砂土 ， 根据相似理论分析嘲 ， 需控制模型土的颗 粒级配、 含水率 、 孔隙 比与现场土相同。结合施工现 场土样 的筛分试验 ， 从周边砂场分别取样 ， 用筛分 法分析周边砂场土样的颗粒级配 ， 选取与现场土颗 粒级配相近的砂为试验用砂 。为保证 和现场土具有 相近的含水率 ， 通过计算确定试验用砂和水 的质量 配 比， 并通过控制夯实度来获得相 近的孔隙比。通 过对人工土参数的测定 ， 可知配置的人工土的物理 参 数指标 和现 场土 已较为 接近 ( 见表 1 ) 。 表 1 土层物理参数 1 5 模型桩的制备 本 次试验采用 2根模 型桩共处同一试 验基坑 中( 如图 1 所示 ) 。 直径为 8 0 0 mm， 桩长 2 2 m， 桩身混 凝土强度设计等级为 C 4 5 ， 混凝土配合 比见表 2 。 表 2 桩身混凝土配合 比 注 ： 泵送剂为聚羧酸泵送 剂。 1 6 测温元件的布置 桩身埋设测温元件以监测桩身温度变化 ， 在桩 平面上取相互垂直的两半径分别布置三个测温点 ， 垂直 方 向上布 置三层测温 点分别距桩 顶 5 0 0 m m、 1 2 5 0 m m、 2 0 0 0 m m， 布置示 意 图见 图 3 。 2 试 验数 据测试 及分 析 2 1 桩身温度场监测及分析 为了获得详细可靠 的试验数据 ， 从模型桩灌注 40 J。 一 0 1 量 1 l吕厂 图 3桩 身平 面 和立 面测 温 点 布 置 图 混凝土完成 之时开始桩体温度监测 。监测数据用 L T M一 8 0 0 0温度采集模块和配套软件进行采集和保 存 ， 每隔 l m i n记录一次温度变化 ， 直至混凝 土内部 温度趋于 O C。 灌注桩混凝土入模温度为 3 2 q C ， 浇筑 后桩身温度变化如图 4 图 6所示。 图 4 距 桩顶 5 0 0 ram处混凝土沿径向温度变化 图 5距桩顶 1 2 5 0 ram处混凝 土沿径 向温度变化 4 0 3 5 3 0 、2 5 2 0 赠 1 5 1 0 O 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 O 时间 l 1 图 6距桩顶 2 0 0 0 ram处 混凝 土沿径 向温度变化 孟文清， 王相立 ， 张亚鹏 ， 等 人工冻土灌注桩桩身温度场及混凝土强度试验研究 从图 4 一 图 6可以看出， 在距桩顶同一高度相互 垂直 的两半径处的测点温度 曲线基本重合 ， 有效的 证 明 了所 测数 据 的准 确性 。 冻土 中灌 注桩 的i 贝 温结 果 表 明： ( 1 ) 由测点 HC上、 HC中 可看 出 ， 混凝土灌注初 期， 桩中心有 明显 的温升 阶段 ， 持续时间为 9 l O h ， 温度最高值为 3 7 - 3 8 C，随着热交换的继续和热量 的散失， 转入降温阶段。 ( 2 ) 由测点 H A H A中 、 H E HE 可 看 出 ， 桩 表 有明显的温度陡降阶段 ， 前 5 h陡降较为剧烈 ， 桩表 温度下降 1 1 1 2 o C， 随着水化热反应 的加剧 ， 在短时 间内有一定 的温升呈现， 但很快转入稳定降温阶段。 ( 3 ) 值得指 出的是离桩底较近 的部位桩 中心没 有温升 ， 表现为整体陡降。由桩身整体温度变化 曲 线可看 出， 桩身温度在降至负温前 由于混凝土水化 热的作用可至少维持 5 d的正温。 导致 以上现象的原 因是混凝土浇筑后 ， 桩中心 需要一个逐渐从里到外 的热传导 ， 温降慢 ， 又 由于 桩 中心受水化热影响较 大， 使桩中心开始时生热率 大 于传热率 ， 表现 出温升 ； 桩表 与负温土体直接接 触 ， 开始温降快 ， 表现出陡降 ， 随着水化热反应 的加 剧 ， 出现温升阶段 。而靠近桩底的部位除 了要受到 桩周 负温土体影 响外还要受到桩底负温土体 的影 响 ， 导致整体陡降。 2 2 桩身混凝土强度检测及分析 对人工冻 土灌注桩桩身混凝 土强度 采用钻芯 取样 的检测方法 ， 依照 C E C S 0 3 ： 2 0 0 7 钻芯法检测 混凝土强度技术规程 进行检测 ， 测试龄期为桩身 冻结 2 8 d 、 解冻后 1 4 d 、 解冻后 2 8 d 、 解冻后 3 6 0 d 。为 了使结果更具代表性 ， 采取在桩身不 同部位钻芯取 样 ， 各龄期取 6个芯样。 依据 C E C S 0 3 ： 2 0 0 7规定 ， 混 凝土灌注桩的抗压强度按有效芯样试件混凝 土抗 压强度值 中的最小值确定 ， 强度检测结果如表 3和 表 4所示 。 由表 3和表 4冻土 中灌注桩 的混凝土强 度检 表 3 冻结 2 8 d 、 解冻后 1 4 d 、 2 8 d 、 3 6 0 d芯样的抗压强度 M P a 注： 编号 7为不同龄期混凝 土灌 注桩 的抗 压强度。 表 4 不 同龄期达到标养强度 的百分 比 注 ： 测得该混凝土标养强度为 4 5 2 M P a 。 测 结果 可知 ： ( 1 ) 人工冻土灌注桩浇筑后 ， 在负温条件下养 护 2 8 d ，混凝 土抗 压 强度 能 达 到标养 试块 抗 压 强度 的 4 5 2 。表明， 冻土中灌注桩浇筑后 ， 桩身在早期 养护下能获得一定的强度 ， 抵抗一定的冻害。 ( 2 ) 人工冻土灌注桩桩 身解 冻后 ， 在正温养护 的 2 8 d内强度继续增长 ， 但增长速率较缓 ， 解冻后 2 8 d混 凝 土 抗 压 强 度 达 到 标 养 试 块 抗 压 强 度 的 6 9 1 ， 未能达到标准养护强度 。 ( 3 ) 人工冻土灌 注桩桩身解冻后 3 6 0 d ， 混凝 土 抗压强度达到标养试块抗压强度的 9 9 1 。 表明 ， 该 土体负温条件下 ， 人工冻土灌桩桩桩身混凝土未遭 受冻害， 后期强度基本能达到标养强度。 3结论 ( 1 )冻土灌注桩浇筑后 ， 桩身温度经历一个 变 温过程 。桩身温度 由于混凝土水化热的作用可维持 至少 5 d的正温 ， 有利用桩身混凝土早期强度增长。 ( 2 )冻土灌 注桩浇筑后 ， 混凝土强度增长受温 度的影 响较大。在早期负温养护下 ， 混凝土强度有 一 定 的增长 ， 桩体 解冻后强度继续增长 ， 但解冻后 的 2 8 d内增长速率较缓 ，未能达到标准养护强度 ， 随着正温养护 的继续 ， 后期强度能达到标养强度 的 99 1 。 参考文献 ： 1 王传星， 谢剑， 李会杰 低 温环境下混 凝土性能 的试 验研究 l J J 工程力学， 2 0 1 1 ， 2 8 ( S 2 ) ： 1 8 2 1 8 6 2 杨俊杰 ， 朱 少卿 负温下 现浇混凝 土养护 温度和强 度 的实 测 J 低温建筑技术， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 7 9 3 刘志 国， 巴恒静， 刘 红霞 多年冻土环境 下混凝土灌 注桩强 度发展规律的研 究 J 1 混凝土， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 1 1 - 1 2 ， 1 7 4 秦德进 ， 张智林 多年冻 土区钻孔灌 注桩混凝 土测 温试验 研究 J 铁道工程学报， 2 0 0 3 ( S ) ： 1 7 1 1 7 5 【 5 杨俊杰 相似理论与结构模 型试 验【 M】 武汉： 武汉 理工大学 出版社， 2 0 0 5 6 刘 晓文 冬季 混凝土 工程养 护技术研 究【 J I 安徽 理工大 学 学 报 ， 2 01 2 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 2 2 5 作者简介： 孟文清 ( 1 9 6 6 一 ) ， 男 ， 教授 。 通讯地址 ： 邯郸市光 明南大街 1 9 9号 联系电话 ： 1 5 8 3 0 7 8 0 7 9 5 ( 王相立 ) E -ma i l ： 2 3 9 5 8 6 1 8 1 Oq q c o m 一 41