桩基地温变化规律.doc

融区与多年冻土区过渡带钻孔灌注桩
施工及其周围土层地温变化规律的初步探索
张加全 王文军
摘要：针对青藏高原的特点，通过对钻孔灌注桩及其周围土层温度变化过程的研究，了解混凝土温度与地基土温度的变化规律，作为选择混凝土防冻措施和混凝土拌和料温度的依据。通过对孔壁、桩侧（距桩侧35cm）、基准测温孔（距承台中心20m）的地温观测，把握混凝土施工材料及施工方法对钻孔灌注桩的回冻规律的影响。对钻孔机具的性能、钻进效率、成桩工艺、桩体混凝土灌注工艺进行研究。
关键词：钻孔灌注桩 施工 周围土层 地温变化
1．工程概况
1.1工程地质及地形地貌
青藏铁路格拉段沱沱河试验段DK1229+200-DK1230+700为融区与多年冻土过渡带段，线路通过地区属沱沱河北岸冲洪积平原，地形平坦，地面高程4542-4560，地面冲沟较发育，地表植被稀疏，局部地段半固定沙丘、半固定沙地发育。本段多年冻土属高温极不稳定区，年平均地温Tcp≥-0.50C，其中钻孔灌注桩试验所处地段为岛状多年冻土区。地表为第四纪细砂、砾砂层，以下依次为粉质粘土、多冰冻土、含土冰层、风化泥岩，并夹有砂岩层。冻土上限2-3.5m，冻土下限为10-24m。
1.2 气候特征
该试验段属高原亚寒带半干旱气候区，区内寒冷干旱，气候多变。一年内冻结期长达7-8个月。年平均气温-4度，年平均降雨量248.5mm，年平均蒸发量1638.9mm；最大风速30m/s，年平均风速3.9m/s，主导风向为西风；最大积雪厚度30cm。
1.3 水文地质特征
本段地表无常年流水，各宽浅谷地为季节性流水，地下水在融区内主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，水量较大，水位不稳定；多年冻土区主要为冻结层上水，水量较小，水位不稳定。地下水主要接受大气降水补给。桩基试验场地范围内，距地表16m以下（第二层砂岩层以下）存在承压水。
2．钻孔灌注桩试桩的施工
2.1试桩采用的原材料及配合比
水 泥 采用甘肃省祁连山牌32.5R级普通硅酸盐水泥。
粗骨料 取自通天河的河卵石，骨料粒径规格为5~40mm。
细骨料 取自通天河的河砂，细度模数为2.7。
水 混凝土拌合用水，采用饮用水。
外加剂 采用铁道部科学研究院生产的DZ-1型低温早强高性能混凝土复合型外加剂。
配合比 考虑到青藏线混凝土的耐久性要求，混凝土配制强度比设计强度高一个等级。
2.2 试桩的施工
基桩的施工包括清理场地——埋设护筒——钻孔作业——清孔——下放钢筋笼——下放导管——进行水下混凝土的浇筑等工序。试验基桩的施工是在进行了工程桩施工完毕后进行的。开始钻孔前，带有测试元件的钢筋笼已制作完毕。钻孔作业采用HC60型R-618旋挖钻机，该旋挖钻机为意大利soil MEC公司设计制造的一种新型钻孔灌注桩施工机械，本钻机由履带式走行机构、全液压驱动、智能控制系统组成，柴油动力。可在各种不同的土层、泥岩、高含冰量地层及砂岩等地质条件下进行钻孔作业，尤其在泥岩、多冰、富冰地层中更为实用，在风化泥岩层中钻进速度可达6-8m/h，对施工场地的要求很低，移位甚为方便，钻杆刚度大，定位准确，能够保证钻孔的垂直度。在钻机工作室内有一钻孔深度计数器，钻机司机可随时掌握钻孔深度。由于每次钻斗装满钻渣后，提离孔位卸于地表，因而可以对钻孔桩的工程地质情况进行详细准确记录。
与常规泥浆护壁反循环钻机施工相比较，运用旋挖钻机可以提高工效二十倍以上。2#墩4#桩施工时，采用常规泥浆护壁反循环钻机施工15天左右才可成一孔，而且在遇到硬岩时无法施工，而运用旋挖钻机通常6-12小时即可成孔。此外采用旋挖钻机不需要泥浆护壁，减小对周围环境的污染；由于这种施工方法成孔速度快，成孔质量好，孔壁规则，具有自动测孔深，控制钻孔倾斜度，因而成孔垂直度好，对周围冻土环境扰动少，融化圈亦小，对保持地基土的天然状态有利；能够在一定程度上节约混凝土数量。总之，采用旋挖钻机进行冻土区钻孔灌注桩的施工具有很大的优越性，值得推广使用，但其设备造价高。
在DK1229+540中桥钻孔桩施工过程中，第一根钻孔桩钻进过程中孔内有冰块，待该桩施工完毕后，进行该桥墩下其它基桩施工时则不再有冰块存在。4#墩基础的两根基桩在施工过程中有相互穿透的情况，与地下承压水和地层条件有关；说明钻孔施工及桩身混凝土在硬化过程中产生的水化热对该地区冻土层的环境影响很大，同时也说明融区与多年冻土过渡带冻土层较为脆弱。
试桩的施工开始于2001年10月5日上午10：30分，钻进至设计标高，清孔完毕后的时刻为18：30，总钻孔时间为8h，其中两层0.6m厚的砂岩层钻孔耗时4小时（包括修理焊接钻头的时间）。成孔深度24.7m，净桩长21.8m（至承台底面标高），成孔平均桩径1.05m，设计桩径1.0m。桩底持力层为泥灰岩。
在钻进过程中，在第二层厚度为0.6m的砂岩层钻穿之前，钻孔内无水，但当埋深15.4m—16.0m的砂岩层钻穿后，地下水即冒出护筒顶，呈溢流状态，说明16.0m以下地下水具有承压性质。
混凝土的搅拌在拌和站统一拌制，用混凝土罐车进行运输，采用导管法进行水下混凝土灌注，钢筋笼及导管采用吊车安装。混凝土原材料的温度及混凝土出机、入摸温度见表一。
表 一 温度测试结果表
日期
时间
温度测试记录（℃）
砂
石
水泥
水
机棚
料场
现场
混凝土
出机
混凝土
灌注时
孔内
混凝土入模后
10.5
18：00
7
5
4
20
5
4
4
9
8
3
6
３．地温测试及分析
为把握气候条件、施工方法、施工材料、临近结构物对冻土地温的影响以及对回冻规律的认识，以便于安排后续施工（制作承台、进行桥墩桥台的施工等），把握施工工期，对冻土区桩基必须进行地温观测。
３.１测温孔的布设
３.１.１测温孔的平面布设
该试桩共设置了３个测温孔，即基准测温孔（以下简称基准孔）、桩侧测温孔（以下简称桩侧孔）和孔壁测温孔（以下简称孔壁孔）。基准孔距离桥梁中线２０m；原设计桩侧孔距离钻孔灌注桩孔壁２０㎝，后考虑施工需埋设护筒，护筒直径１.４m，为保证桩侧孔不被破坏，其距离改为３５㎝；孔壁测温孔敷设于钢筋笼外侧，从钢筋笼的几何尺寸和测温管的尺寸设计来讲，测温管应紧贴孔壁，即测温管与孔壁相切。
3.1.2测温孔的立面布设
基准测温孔深度为15m，即取年平均地温变化深度（该项工作由测温孔施工单位中铁西北科学研究院确定）；桩侧测温孔深度为28m。孔壁测温孔与钢筋笼长度相同，并露出地面0.5m，地面下24.3m。
3.1.3 测温元件的布置
如图3.1所示，基准测温孔（以下简称基准孔）、桩侧测温孔（以下简称桩侧孔）和孔壁测温孔。各测温孔的热电偶测点布置如图所示。上部22个测点间距为 0.5m，以下分别为1.0m和1.5m。
3.2地温的观测及分析
3.2.1 地温观测
为把握桩身混凝土浇筑后以及在形成强度过程中对冻土层地温的影响，在试验基桩浇筑后第二天即开始进行地温的观测工作。地温观测所用测试仪器采用上海产UJ33-D型电位差计。自2001年10月6日起至2001年10月12日止（试桩浇筑后7天），基准测温孔、桩侧测温孔和孔壁测温孔，每天进行地温观测。（注：其中桩侧测温孔第五天测温元件连接失效，后经测试元件埋设单位西北院修复后正常）。
3.2.2 地温测试曲线的分析
3.2.2.1 基准测温孔
基准测温孔地温变化主要受大气温度变化的影响。根据测温结果可知，地温沿不同深度的变化规律基本上处于正温范围或零度附近。有些测试结果呈现出地温随深度增大的趋势，而有些则测试结果呈现出地温随深度减小的趋势，其变化规律尚待研究。（这里有测试仪器的使用、仪器的测试误差等问题，应引起注意。）
基准测温孔地温之所以基本上处于正温范围或零度附近，有一个原因就是，由于钻孔时打穿了承压水，而本区又位于高温极不稳定去，年平均地温Tcp≤-0.50C,承压水的不断冒出，使得孔周围的冻土融化而难以回冻。

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图3.1基准测温孔、桩侧测温孔、孔壁测温孔的热电偶测点布置图

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图3.2 基准孔地温随深度的变化曲线
3.2.2.2 桩侧孔与孔壁孔 地温曲线及分析

图3.3 桩侧孔地温随深度的变化曲线

图3.4 孔壁孔地温随深度的变化曲线
从桩侧孔与孔壁孔地温曲线可知，由于施工扰动及桩身混凝土浇筑后产生的大量水化热，使桩周土层的地温急剧升高。在桩身混凝土浇筑后4天达到最大，桩侧孔的地温在原天然冻土上限附近的地温上升至5--6。C；而孔壁孔地温在原天然冻土上限附近的地温上升至11.5—12.5。C。随后桩内混凝土温度开始下降。桩底处的地温也在升高，如同样在桩身混凝土浇筑后4天后，孔壁孔地温测得的地温为6.8。C，而桩侧孔测得的桩底以下3.0m处的地温为0.7。C。
4.结论
4.1桩基工程将改变地基土的热平衡条件，施工活动产生的各种热量，比如钻孔的摩擦热、泥浆的热量、灌注桩混凝土的水化热等，使桩基地温场发生变化，引起桩周地基土一定范围升温及融化。
4.2基准测温孔地温之所以基本上处于正温范围或零度附近，有一个原因就是，由于钻孔时打穿了承压水，而本区又位于高温极不稳定区，年平均地温Tcp≤-0.50C,承压水的不断冒出，使得孔周围的冻土融化而难以回冻
4.3 自混凝土开始灌注起，钻孔灌注桩内的温度呈逐渐升高走势，到第四天达到最大值（10℃左右），随后桩内混凝土温度开始下降。
4.4 桩侧表面的冻土温度在不同深度方向受到不同程度的扰动，在-12m以上区段对土体扰动明显且波动值较大，在-12m以深的区段对土体扰动趋小且波动不大。
4.5 钻孔灌注桩体与多年冻土接壤处的地温随桩体混凝土的温升过程逐渐升高。且径向距离越远，扰动程度越小。
4.6 从温度曲线来看，-3.5m以上土体温度因受地面环境影响较大而呈不规则变化。
4.7在多年冻土区采用旋挖钻机较好，不需要泥浆护壁，减小对周围环境的污染；由于这种施工方法成孔速度快，对周围冻土环境扰动少，融化圈亦小，对保持地基土的天然状态有利；能够在一定程度上节约混凝土数量。
作者简介：张加全（1969— ）中铁三局青藏一队 工程师
王文军 （1969— ）中铁三局青藏指挥部 助理工程师
参考资料：兰州铁道学院的测温资料
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