王桂茵

（福建船政交通職業(yè)學院， 福建 福州 350000）

1 實例工程概況

1.1 地形橋梁概況

本次橋梁建設(shè)工程位于中山地貌區(qū)域，地形的起伏狀態(tài)相對較為平緩，屬于多年凍土地質(zhì)類型。橋梁的兩岸橋臺處于斜坡表面，與橋岸的自然坡角狀態(tài)為5°。橋址區(qū)地面標高數(shù)據(jù)為4687.13～4705.17m，根據(jù)測量顯示相對高差數(shù)據(jù)為18.04m。

1.2 區(qū)域內(nèi)凍土類型

該橋梁建設(shè)工程區(qū)域為特殊巖土類型，包含多年凍土?；A(chǔ)天然上限數(shù)據(jù)為1.9m，屬于連續(xù)銜接的種類。從凍土狀態(tài)分析，分布類型包括少冰、含土冰等，融沉的等級狀態(tài)為I～V級。根據(jù)多年測量分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域凍土年平均低溫數(shù)據(jù)為。

1.3 試驗用樁基與地層狀態(tài)簡述

本次選擇橋梁的16-2序號樁基作為基礎(chǔ)研究目標，該樁基采用C30類型混凝土進行澆筑，整體長度為31m，樁體直徑為1.5m。樁端區(qū)域處于強風化泥巖類型地質(zhì)內(nèi)部，深度固定。樁體所處區(qū)域土體層次分為四個主要種類，即腐殖質(zhì)、粉土、卵石、強風化泥巖[1]。腐殖質(zhì)層厚度約為0.8m，包含草根成分。該層次基礎(chǔ)壓縮級別較高，存在部分冰結(jié)晶體，屬于季節(jié)凍土的一種，在樁體區(qū)域具有廣泛分布的特征。粉土層厚度約為3.2m，土壤條件均勻程度差，存在卵石。凍土區(qū)域為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，冰層較厚，體積約為總冰含量級別的60%。卵石層厚度約為7m，內(nèi)部卵石粒徑在2～7cm的范圍內(nèi)。該層次母巖為板巖構(gòu)成，凍土處于整體構(gòu)造狀態(tài)，內(nèi)部巖芯被凍結(jié)、冰結(jié)晶為顆粒狀，含冰量占總體級別的15%。強風化泥巖厚度約為20m，內(nèi)部巖土質(zhì)地相對腳軟，凍土同樣為整體構(gòu)造，存在裂隙冰成分，體積為總含冰量的5～9%。

2 測試元件埋設(shè)方法

為了達到地溫狀態(tài)測試目標，本次測試元件需要進行科學布置，確保樁基完成建設(shè)階段后能夠針對水化熱產(chǎn)生的影響進行深入分析，明確對周邊土地產(chǎn)生的擾動情況與回動地溫的變化情況。根據(jù)本次試驗樁體施工區(qū)域的土壤資料、土層分布狀態(tài)分析數(shù)據(jù)可以確定，應(yīng)當在樁體徑向0、0.6、0.9、1.3、2、4m區(qū)域設(shè)置地溫的測試孔位[2]。同時，還需要賦予對應(yīng)的編號，即TN和CA15、16、17、18。在這些孔位中，CA18屬于天然地溫測試孔位區(qū)域。TN孔位的深度設(shè)置為31m，包含大量溫度測試探頭。地下內(nèi)部0～10m的范圍應(yīng)當每隔0.5m設(shè)置單個溫度測試探頭，超過10m小于16m的范圍應(yīng)當每隔1m設(shè)置單個溫度測試探頭。超過16m小于26m的區(qū)域需要每隔0.5m設(shè)置單個溫度測試探頭，大于26m小于31m的區(qū)域應(yīng)當每隔1m設(shè)置單個溫度測試探頭。CA15、14、16、17、18的孔位深度一致，均為20m，包含31個溫度測試探頭。地下0～10m區(qū)域需要每隔0.5m設(shè)置單個溫度測試探頭，大于10m區(qū)域每隔1m設(shè)置單個溫度測試探頭。

3 地溫狀態(tài)監(jiān)測與結(jié)果研究

3.1 水化放熱過程中不同時期各測溫孔溫度分布規(guī)律

3.1.1 混凝土水化放熱過程中地溫上升階段

在針對地溫狀態(tài)進行監(jiān)測的過程中，需要首先明確混凝土水化熱過程對地溫產(chǎn)生的階段性影響。通過將各個測試孔位的核心測溫點數(shù)據(jù)進行整合，能夠明確土體溫度在施工結(jié)束后33天內(nèi)的變化情況。根據(jù)結(jié)果內(nèi)容分析能夠發(fā)現(xiàn)，在混凝土產(chǎn)生的水化熱效應(yīng)影響下，樁體側(cè)面、0.6m以及0.9m區(qū)域的土壤溫度出現(xiàn)了迅速上升的趨勢[3]。測試孔位區(qū)域不一致對應(yīng)的升溫速度也存在一定程度的差異，樁體側(cè)面的溫度峰值達到了14.6～22.56℃。距離樁體0.6m區(qū)域的溫度最大峰值達到了10.01℃，基礎(chǔ)溫度上升幅度較大。在溫度上升過程中，除深度為6m的區(qū)域外，其余位置都出現(xiàn)了正溫的現(xiàn)象。距離樁體0.9m的位置最大增幅達到了2.73℃，深度為12、15m的區(qū)域出現(xiàn)正溫現(xiàn)象。距離樁體1.3m區(qū)域的溫度變化幅度較低，增幅僅達到0.5℃，沒有出現(xiàn)正溫現(xiàn)象。距離樁體2m區(qū)域的溫度無變化，整體狀態(tài)較為穩(wěn)定。

3.1.2 混凝土水化放熱過程中地溫下降階段

在混凝土產(chǎn)生水化熱效應(yīng)的過程中，隨著齡期不斷上升，TN位置與CA15、14區(qū)域的溫度在達到極限后出現(xiàn)了下降趨勢。根據(jù)水含量與溫度峰值存在的差異分析，各點位的溫度下降速度也存在一定程度的不同。樁體0.9與0.6m區(qū)域的土層逐漸出現(xiàn)負溫現(xiàn)象，正溫狀態(tài)持續(xù)時間為16、29天。在觀測即將結(jié)束的時間段內(nèi)，樁體的土壤溫度處于0～1℃范圍內(nèi)，變化趨勢進入穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 水化熱對地溫的影響機制分析

通過對施工結(jié)束33天內(nèi)不同深度的土壤溫度變化進行分析，深度不同但近樁體區(qū)域的土壤溫度變化與樁體側(cè)面處于一致狀態(tài)，測試點位距離樁體的距離越大，溫度變化的狀態(tài)越接近天然孔位區(qū)域，土壤溫度受到水化熱效應(yīng)的影響較低。根據(jù)樁體測溫孔的溫度曲線進行分析，其平均溫度增幅為0.17℃，極限增幅為0.37℃，受到水化熱效應(yīng)的影響相對較低。在樁體基軸上方，距離樁體0.6m區(qū)域的土層深度越高，土壤溫度受到相關(guān)效應(yīng)的影響便越大。隨著深度增加，土壤溫度受到影響開始加高，但逐漸出現(xiàn)下降趨勢。天然溫度場區(qū)域受到水化熱效應(yīng)影響后，恢復(fù)效果主要依賴于低溫凍土的溫度傳遞與大氣條件本身的負溫狀態(tài)。隨著深度增加，地面下方的半無限體凍土熱量吸收效果逐漸增強，因此水化熱效應(yīng)產(chǎn)生的影響也出現(xiàn)了減弱的趨勢。

3.3 樁周土回凍時間分析

根據(jù)樁體側(cè)面各個位置土層在不同時期出現(xiàn)的溫度變化情況能夠發(fā)現(xiàn)，在時間經(jīng)過的影響下，土壤溫度會出現(xiàn)下降趨勢，如圖1所示。完工33天后，深度為9m的土層區(qū)域溫度進入0℃以下的范圍。完工119天后，所有土壤區(qū)域均進入0℃以下的范圍。在這一階段中，受到外部氣溫影響的中下區(qū)域土層溫度穩(wěn)定在0～-1.5℃左右。這一數(shù)據(jù)表面在凍土進入了強烈相變位置，能夠釋放大量熱量，使回凍降溫的速度受到了一定程度的限制[4]。隨著時間經(jīng)過，下部區(qū)域土層的溫度下降速度迅速上升，中部區(qū)域土層的溫度出現(xiàn)了緩慢上升的狀態(tài)，隨后便開始下降。導(dǎo)致這一因素的主要原因與樁體端部土層容易受到低溫凍土影響有關(guān)，在主體相變結(jié)束后，溫度開始進入下降階段，同時主體相變土層承擔了樁體中部、底部土層的導(dǎo)熱功能，能量交換出現(xiàn)增加趨勢。在這種狀態(tài)下，中部區(qū)域的冷土層水分子逐漸進入冰晶狀態(tài)，使區(qū)域溫度緩慢上升。待主體相變結(jié)束后，下部區(qū)域的負溫動力會產(chǎn)生一定程度的影響，使中部區(qū)域的土層溫度開始下降?？傮w分析，施工結(jié)束后12～33天內(nèi)樁體周邊土壤受到水化熱效應(yīng)的影響，出現(xiàn)了融化現(xiàn)象。在33～134天期間，樁體周邊土壤處于正負溫度過渡狀態(tài)，水分出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，進而發(fā)生相變。在134～170天階段內(nèi)，樁體周邊土壤重新生成穩(wěn)定凍土結(jié)構(gòu)，整體進入溫度下降階段。

圖1 回凍降溫規(guī)律

通過分析14、18m的深層土壤溫度狀態(tài)在不同時間內(nèi)的變化曲線能夠發(fā)現(xiàn)，如圖2所示，在時間影響下，樁體側(cè)面與近處土壤溫度開始向天然孔的溫度級別靠近。在溫度逐漸接近的影響下，各測量點位的土壤溫度出現(xiàn)下降速度減弱趨勢。通過觀測能夠了解，14m深度的TN孔位溫度降低達到19.7℃，CA15孔位與CA14孔位溫度分別降低5.27、1.2℃。18m深度狀態(tài)下的TN、CA15與CA14分別降低16.62、10.1、0.77℃。根據(jù)溫度下降情況分析，TN孔位相對于其他孔位的下降級別較大。在施工結(jié)束201天的狀態(tài)下，14m深度級別的TN孔位溫度已經(jīng)低于0.6m深度級別的CA15與CA14，18m深度級別的TN孔位溫度已經(jīng)低于天然孔位。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是外界溫度較高的情況下，土壤內(nèi)部的溫差梯度較大，水化熱的影響受到了一定程度的限制，導(dǎo)致降溫速度迅速增加[5]。在外界溫度較低的情況下，混凝土樁體已經(jīng)完全形成，內(nèi)部導(dǎo)熱系數(shù)相對于淺層土壤較高，因此樁體的導(dǎo)熱效果高于土壤本身。該樁基特性直接影響凍土的溫度狀態(tài)，同時也會對承載能力產(chǎn)生對應(yīng)的影響。

4 分析結(jié)論

通過分析相關(guān)研究數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，在試驗用樁體已經(jīng)完成澆筑階段后，其土壤內(nèi)部區(qū)域會產(chǎn)生水化熱現(xiàn)象。這一現(xiàn)象會對周邊凍土區(qū)域產(chǎn)生較為顯著的影響，通過研究相關(guān)數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，樁體側(cè)面的溫度在完成施工階段后的第三天進入最高狀態(tài)，水化熱效應(yīng)對距樁體0.6、0.9m位置的凍土影響效果較為顯著。這一影響條件會隨著時間經(jīng)過出現(xiàn)變化，分別在3～5天與7～11天的條件下達到最高級別。混凝土樁體產(chǎn)生的水化熱效應(yīng)對距離樁體2m區(qū)域的測溫點位沒有觀測到影響，因此可以認為距離樁體2m的凍土不會受到溫度場的影響。在工程建設(shè)結(jié)束后，樁體周邊的凍土會受到較為顯著的影響，整體溫度級別會迅速上升。在上升階段結(jié)束后，便會隨著時間經(jīng)過出現(xiàn)下降的趨勢。根據(jù)數(shù)據(jù)分析能夠發(fā)現(xiàn)，在樁體施工階段完成后33天，樁體側(cè)面的區(qū)域便會出現(xiàn)負溫現(xiàn)象。在樁體施工完成119天后，各區(qū)域土層會全部進入負溫狀態(tài)，最終在134天形成穩(wěn)定凍土條件。在樁體施工結(jié)束201天后，各土壤區(qū)域的溫度會與天然孔位的溫度呈現(xiàn)一致的狀態(tài)。通過針對試驗樁體施工結(jié)束后的水化熱狀態(tài)進行深入分析，能夠明確其對凍土場產(chǎn)生的影響效果。但是，對于運行期間內(nèi)樁體產(chǎn)生的影響條件還尚未明確，相關(guān)研究有待進一步的開展。通過研究這一內(nèi)容，可以為多年凍土地質(zhì)條件的鉆孔灌注樁施工提供重要的參考信息，有利于制定施工持續(xù)時間、承載能力檢測時間以及樁體周邊凝冰發(fā)育時間，具有重要的施工分析意義。因此，需要重視相關(guān)研究內(nèi)容的應(yīng)用，確保后續(xù)的建設(shè)流程能夠正常完成。

5 結(jié)束語

綜上所述，針對多年凍土區(qū)域的鉆孔灌注樁溫度場情況進行深入分析，有利于明確相關(guān)變化產(chǎn)生的連帶影響，能夠為后續(xù)的施工環(huán)節(jié)提供重要的參考信息，有利于橋梁工程建設(shè)質(zhì)量的提升，具有重要影響意義。