高緯度低海拔島狀多年凍土地區(qū)橋梁鉆孔灌注樁回凍的研究

宇德忠，程培峰，季　成，崔志剛

(1.東北林業(yè)大學　土木工程學院，黑龍江　哈爾濱　150040；2.哈爾濱地鐵集團有限公司，黑龍江　哈爾濱　150080；

3.大慶油田路橋工程建設有限責任公司，黑龍江　大慶　163000)

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高緯度低海拔島狀多年凍土地區(qū)橋梁鉆孔灌注樁回凍的研究

宇德忠1,2，程培峰1，季成1，崔志剛3

(1.東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱150040；2.哈爾濱地鐵集團有限公司，黑龍江哈爾濱150080；

3.大慶油田路橋工程建設有限責任公司，黑龍江大慶163000)

摘要：為研究高緯度低海拔島狀多年凍土地區(qū)橋梁鉆孔灌注樁施工后樁基溫度的變化規(guī)律及回凍時間，利用智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)采集了2根15 m長試驗樁回凍前后的溫度數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測了樁基的回凍進程，總結出了樁基溫度隨時間的變化規(guī)律并根據(jù)有限元分析結果建立了樁基回凍時間的計算方程。監(jiān)測及分析表明：在凍土地溫作用下樁基首先由樁底向上進行單向凍結，當大氣溫度降到0 ℃以下時樁基在上下兩個方向同時凍結；回凍后樁身內(nèi)部溫度與樁側土體溫度基本保持一致，相同深度處溫差均小于0.1 ℃；在入模溫度相近時，1.2 m樁徑試驗樁的回凍時間是1.0 m樁徑試驗樁的1.14倍。

關鍵詞：橋梁工程；樁基溫度；監(jiān)測系統(tǒng)；回凍時間；多年凍土

0引言

多年凍土是指地表土層在一定深度范圍內(nèi)土體中的溫度低于0 ℃，并且土體的凍結狀態(tài)要保持2 a或者2 a以上[1]。我國多年凍土面積約為211×105km2在世界上位列第3，根據(jù)凍土所在區(qū)域分為高緯度和高海拔2種多年凍土，高海拔多年凍土多分布于青藏高原、喜馬拉雅山脈、橫斷山脈；高緯度多年凍土分布于我國東北部的大、小興安嶺地區(qū)[2-5]。高海拔地區(qū)年平均氣溫在-3.5 ℃左右，多凍土的形成主要受到非地帶性氣候垂直分布性影響；高緯度地區(qū)年平均氣溫在-2 ℃左右，多年凍土的形成主要受到地帶性氣候的水平地帶性影響[6]。在凍土的分布狀況上二者之間也有著明顯的區(qū)別，根據(jù)相關資料表明，高海拔地區(qū)的多年凍土呈大面積連續(xù)分布，多年凍土區(qū)域的界線大致在年平均氣溫-2.5～-3.5 ℃等溫線之間，由于凍土所在緯度相對較低，有強烈的太陽輻射，晝夜溫差巨大，蒸發(fā)作用較強冰川較為發(fā)育，在這種特殊的氣候作用下島狀凍土的分布帶較為狹窄；高緯度地區(qū)的多年凍土為大面積展布，其南界在年平均氣溫-1～-2.5 ℃等溫線之間，島狀凍土分布帶較為寬闊。高緯度地區(qū)的多年凍土從高緯度向低緯度不斷延伸且厚度逐漸變薄，島狀多年凍土多分布于連續(xù)多年凍土與季節(jié)性凍土之間的過渡帶上，我國北部大興安嶺地區(qū)多年凍土多呈島狀分布[7-9]。

在我國隨著青藏公路和鐵路的建設，廣大學者開啟了對多年凍土地區(qū)橋梁樁基溫度場的觀測與研究，先后在青藏高原多年凍土地區(qū)建造了五道梁、清水河和昆侖山3個樁基礎試驗場，通過溫度觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析形成了許多有價值的研究成果，為多年凍土地區(qū)的工程建設提供了理論支撐，但取得的研究成果大部分都是針對高海拔連續(xù)性多年凍土的，對高緯度島狀多年凍土涉及較少[10-15]。

利用智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測樁基的回凍進程，采集高緯度多年凍土樁基成樁后的溫度變化數(shù)據(jù)，揭示高緯度島狀多年凍土地區(qū)橋梁樁基回凍規(guī)律及樁基回凍后的溫度，對島狀多年凍土地區(qū)樁基設計與施工具有重要的現(xiàn)實意義。

1試驗地點概況

試驗樁位于黑龍江省大興安嶺丘陵低山的島狀多年凍土地區(qū)，北緯52°，平均海拔約為450 m；地表水屬于呼瑪河水系，年平均氣溫-2.4 ℃，平均無霜期98 d，10 ℃有效積溫1 276～1 969 ℃。根據(jù)地質(zhì)資料，試驗地點Ⅰ所處區(qū)域的島狀多年凍土層厚度為35 m，試驗地點Ⅱ所處區(qū)域的島狀多年凍土層厚度為32 m。樁側各土層的分布情況見表1、表2。

表1　試驗地點Ⅰ樁側土層分布

表2　試驗地點Ⅱ樁側土層分布

為了準確掌握橋梁鉆孔灌注樁的回凍時間，在每個試驗地點澆注1根15 m長的試驗樁，試驗樁參數(shù)見表3，在試驗樁處布設智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)，動態(tài)監(jiān)測橋梁樁基澆注完成后的回凍進程，分析樁基的回凍規(guī)律。

表3　試驗樁參數(shù)

2樁基溫度監(jiān)測系統(tǒng)的構成與布設

2.1溫度系統(tǒng)的構成

監(jiān)測系統(tǒng)由下位機和上位機兩部分構成，系統(tǒng)結構如圖1所示。下位機包括測溫管、單片機、太陽能供電系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)，下位機的功能是單片機根據(jù)預設的時間進行樁基溫度的采集并通過無線傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機；上位機包括計算機和數(shù)據(jù)接收平臺，其功能是接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理生成文本文件。本套智能型監(jiān)測系統(tǒng)的最大優(yōu)點就是可以通過設定單片機的數(shù)據(jù)采集時間實現(xiàn)溫度的動態(tài)監(jiān)控，同時本監(jiān)測系統(tǒng)采用了太陽能獨立供電系統(tǒng)保證了單片機在冬季持續(xù)低溫環(huán)境下工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

圖1　溫度監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖Fig.1　Schematic diagram of structure of temperature observation system

為了掌握溫度智能觀測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的可靠性，在室內(nèi)做了驗證試驗，將系統(tǒng)自動采集的數(shù)據(jù)與溫度計實測溫度進行了對比，結果如圖2所示，最大溫度差異為0.31 ℃，最小溫度差異為0.02 ℃，相關性系數(shù)為0.999 4，說明該系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù)可靠。

圖2　溫度對比圖(單位：℃)Fig.2　Comparison of temperatures(unit:℃)

2.2樁基溫度監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場布設

溫度傳感器采用的是Ds18b20電阻式感溫元件，感溫元件外用不銹鋼筒進行防水封裝，并在其內(nèi)部填充導熱材料，溫度傳感器的溫度采集范圍為-55～+125 ℃，其精度為±0.02 ℃。測溫管是利用PVC管做成的，根據(jù)傳感器布設方案在PVC管壁上打孔固定Ds18b20電阻式溫度傳感器，各個傳感器采用三芯線進行連接(電線連接處用絕緣及防水膠帶進行纏繞)測溫管剖面如圖3所示。單片機，如圖4所示，是這套智能溫度觀測系統(tǒng)的核心，集成了主控芯片、時鐘、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲芯片、供電接口及插入式數(shù)據(jù)接口等，設定好采集時間后單片機可以自動進行溫度數(shù)據(jù)的采集與保存，單片機上集成的無線傳輸模塊內(nèi)裝入了手機卡并通過GSM網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸給上位機。本研究將溫度采集時間設置為每天14：00時，為了保正單片機和太陽能蓄電池的安全及工作穩(wěn)定性將其放入了預先訂制好的采集箱中。

圖3　測溫管剖面圖Fig.3　Cross-section of temperature tube

圖4　單片機Fig.4　Single-chip microcomputer

圖5　溫度監(jiān)測系統(tǒng)平面布置圖Fig. 5　Plane layout of temperature observation system

由于兩處試驗地點處溫度監(jiān)測系統(tǒng)布設相同，以試驗地點Ⅰ為例進行具體說明，現(xiàn)場布設了A，B兩根測溫管，測溫管A用于成樁后觀測樁身內(nèi)部的溫度變化，測溫管B用于觀測樁基所處地段的凍土地溫，溫度觀測系統(tǒng)平面及立面布設如圖5、圖6所示。測溫管A與樁同長為15 m，由16個溫度傳感器并聯(lián)組成，直接綁扎在鋼筋籠上，第1個溫度傳感器在樁的頂端，其余傳感器沿樁身每隔1 m布設一個；位于距樁邊緣1 m處，測溫管B長15 m，由16個溫度傳感器并聯(lián)組成，第1個溫度傳感器在地面，其余溫度傳感器每隔1 m布設一個。溫度觀測系統(tǒng)從成樁當天開始采集溫度數(shù)據(jù)。

圖6　溫度觀測系統(tǒng)立面布置示意圖Fig.6　Elevation layout of temperature observation system

3樁基溫度變化分析

兩個試驗地點處試驗樁1，2澆注完成后樁身內(nèi)各測點回凍過程中溫度隨時間變化的曲線分別如圖7、圖8所示，其編號相對應的豎向位置見立面圖6。

圖7　試驗樁1樁基溫度變化曲線Fig.7　Temperature curves of foundation of test pile 1

圖8　試驗樁2樁基溫度變化曲線Fig.8　Temperature curves of foundation of test pile 2

對比圖7、圖8可以看出兩根試驗樁的溫度變化規(guī)律基本相似，因此就以試驗1為例進行詳細分析。從圖7可以看出成樁后各測點溫度受外界大氣影響程度有所不同，其中1號傳感器的溫度波動最為明顯，這是由于該傳感器布設于樁頂受外界大氣環(huán)境影響較大，根據(jù)當?shù)叵嚓P氣象資料表明：1號傳感器與外界大氣的溫度變化趨勢基本相同；2～4號傳感器距離樁頂分別為1，2 m和3 m，從圖7上看這3個深度處的溫度依然受到外界大氣的影響，但隨著深度的增加影響程度明顯降低；5～16號溫度傳感器均位于凍土上限以下，溫度下降幅度較大并逐漸趨向于凍土地溫，大氣溫度波動對5號以下樁基溫度變化基本無影響。

樁基在澆注完成時各個測點的初始溫度相差較小，由圖7可以看出，試驗樁1各測點溫度集中在16.4 ℃左右(入模溫度)。在外界環(huán)境、樁身混凝土水化熱及凍土地溫的影響下，各個測點的溫度逐漸發(fā)生改變，成樁后1～12號傳感器所測溫度均有不同程度的增長，這是由于樁身水泥混凝土的硬化是一個熱量釋放的過程，樁基在水化熱的作用下溫度升高。樁身內(nèi)受大氣環(huán)境影響相對較小的4～12號測點的溫度在成樁后2～3 d內(nèi)均達到了最高值，其中4號傳感器于8月1日達到了20.9 ℃，是所有測點在整個監(jiān)測過程中溫度的最高值，這也表明水泥混凝土的水化熱作用達到了一個峰值。此后水化熱作用逐漸減弱,8月5日左右各測點溫度開始出現(xiàn)大幅下降，到了8月下旬各個測點的溫度趨于穩(wěn)定，下降幅度變小，這表明此時水泥混凝土的水化熱作用基本結束，樁及周圍土體在地溫的作用下開始緩慢回凍。13～16號傳感器溫度始終在下降，這種現(xiàn)象是由于這4個溫度測點距離樁底較近，樁底處熱量散失面積大，溫度向橫、豎兩個方向同時傳遞，越靠近樁底溫度散失越快。

樁身水泥混凝土的水化熱對凍土地溫產(chǎn)生熱擾動，隨著水化熱作用的結束，樁身及周圍土體在凍土地溫作用下重新達到一個熱平衡狀態(tài)。從圖7可以看出，9月初開始凍土上限以下的樁基各測點溫度大部分集中在0.1～3 ℃之間，在凍土地溫作用下逐漸開始凍結，樁底16號傳感器于2013年9月9日最先降到0 ℃以下，以樁底開始凍結的時間為起點，樁身不同深度處的0 ℃凍結線如圖9所示。

圖9　樁身凍結時間示意圖Fig.9　Freezing time of pile

從圖9可以看出樁基在地溫的作用下首先自下而上開始凍結，每延米的凍結時間在4～10 d之間，此時是一個單向的凍結過程；當10月中旬外界氣溫降低至0℃以下，樁頂處土體由上至下開始凍結，此時樁基處于雙向凍結的過程，由上下兩個方向同時向樁身中部凍結，在11月13日樁身內(nèi)測溫管A所有傳感器讀數(shù)均為負值，這說明整根樁溫度降到0 ℃ 以下。

測溫管B距離試驗樁邊緣1 m，埋深15 m，主要測量試驗樁所處地段的凍土地溫并結合測溫管A綜合判斷試驗樁基回凍進程。在凍土地溫影響下樁基回凍完成時各測點溫度趨于穩(wěn)定，每根試驗樁處布設的測溫管A，B距離地表4，6，8，10，12，14 m和15 m處回凍后的溫度分別如圖10、圖11所示。

圖10　試驗樁1不同深度處溫度變化曲線Fig.10　Temperature curves of test pile 1 in different depths

圖11　試驗樁2不同深度處溫度變化曲線Fig.11　Temperature curves of test pile 2 in different depths

從圖10、圖11中可以看出兩根試驗樁樁身內(nèi)部溫度與樁側1 m處的土體溫度基本保持一致，相同深度處的溫差均小于0.1 ℃，此時可以認為樁基完成回凍。測溫管B的溫度趨向于穩(wěn)定，這個穩(wěn)定的溫度大致為-1.9 ℃，此溫度是試驗樁所在區(qū)域熱平衡后的新凍土地溫。兩根試驗樁完成回凍的時間統(tǒng)計見表4。

表4　試驗樁回凍時間

4樁基回凍時間的有限元模擬分析

以試樁1為例相關參數(shù)見表3，采用MIDAS/FEA建立模型分析樁基回凍過程。模型相關假設如下[16]：

(1)樁身及土體材料的物理特性不隨時間改變；(2)樁體完全依靠側表面進行散熱；(3)整個樁體與周圍凍土完全接觸；(4)不考慮空氣對流的影響，太陽輻射對多年凍土和樁的溫度場分布沒有影響(即只考慮樁-土間自然傳熱過程，不考慮大氣環(huán)境的影響)；(5)季節(jié)性凍土層的計算參數(shù)參考普通非凍土的相關參數(shù)進行賦值。

由于樁基是軸對稱實體，因此模型只建立了三維的1/4結構，在對稱面上施加對稱約束。根據(jù)實測結果，樁身初始溫度設為混凝土的入模溫度16.4 ℃，樁周土體溫度設為-1.9 ℃，模擬結果如圖12、圖13所示。

圖12　澆注后10 h樁-土溫度場(單位：℃)Fig. 12　Pile-soil temperature field 10 h after pouring(unit:℃)

圖13　澆注后120 d樁-土溫度場(單位：℃)Fig.13　Pile-oil temperature field 120 d after pouring (unit:℃)

圖12中最左側灰度較深區(qū)域為高溫區(qū)，最右側為低溫區(qū)，其余顏色代表高、低溫度間的漸變區(qū)，從圖13中可以看出120 d后樁-土之間的溫度基本一致，溫度分布集中在-2 ℃ 左右，模擬結果與實測結果相符合，證明模型建立正確，計算結果可靠。以此模型計算不同入模溫度條件下樁基的回凍時間，模擬結果如表5所示。

表5　樁基回凍時間模擬統(tǒng)計表

將表5中的模擬結果進行線性回歸，得出的回歸方程如圖14所示。

圖14　入模溫度與樁基回凍歷時的線性回歸曲線Fig.14　Linear regression curve of pumping temperature vs. refreezing time of pile foundation

結合圖14中得出的回歸方程及試驗樁1的相關參數(shù)，建立高緯度低海拔島狀多年凍土地區(qū)類似地質(zhì)條件下的橋梁樁基回凍時間計算方程，如式(1)所示。

(1)

式中,T為樁基回凍時間;t為入模溫度；α1為樁徑修正系數(shù)；α2為樁長修正系數(shù)；α3為凍土地溫修正系數(shù)。

α1，α2，α3分別以樁徑、樁長、凍土地溫中的一個因素為變量，固定其余參數(shù)用有限元模型計算出對應的樁基回凍時間，將計算出的回凍時間比上試樁1的實測回凍時間，再將比值與對應的變量進行線性回歸得出回歸方程，回歸曲線如圖15所示。

圖15　回歸曲線Fig.15　Regression curve

將試驗樁2的相關計算參數(shù)(見表3、表4)代入圖15中的回歸方程得出修正系數(shù)，再代入式(1)，得出的樁基回凍時間為101 d與實際觀測結果105 d相比偏差率僅為3.8%，證明計算方程可靠。

5結論

(1)根據(jù)智能溫度監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)顯示，橋梁鉆孔灌注樁澆注完成后，樁身溫度是動態(tài)變化的過程，樁身回凍后凍土上限以下的溫度趨近于所在區(qū)域的凍土地溫。

(2) 在凍土地溫作用下樁基首先由樁底向上進行單向凍結，當大氣溫度降到0 ℃以下時樁基在上下兩個方向同時凍結，回凍后樁身內(nèi)部溫度與樁側土體溫度基本保持一致，相同深度處溫差均小于0.1 ℃。

(3) 根據(jù)實測結果顯示，在樁長及混凝土入模溫度近似相同的條件下，1.2 m樁徑試驗樁的回凍時間(120 d)是1.0 m樁徑試驗樁回凍時間(105 d)的1.14倍。

(4)利用有限元分析軟件計算出了不同工況條件下樁基的回凍時間，建立了樁基回凍時間的計算方程，經(jīng)驗證計算值與實測值得到的偏差僅為3.8%，說明建立的計算方程準確可靠。

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Study of Refreezing of Bored Pile in High Latitudes and Low Elevation Patchy Permafrost Regions

YU De-zhong1,2, CHENG Pei-feng1,JI Cheng1,CUI Zhi-gang3

(1.School of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin Heilongjiang 150040,China;2.Harbin Metro Group Co., Ltd., Harbin Heilongjiang 150080, China;3.Daqing Oil Field Road and Bridge Engineering Construction Co., Ltd., Daqing Heilongjian 163000, China)

Abstract：To research the changing regularity of the pile foundation temperature and the refreezing time after the completion of bored pile construction in high latitude and low elevation patchy permafrost region, by using intelligent temperature observation system the temperature data of two 15 m long test piles before and after refreezing are collected, and the refreezing process of pile foundation is real-time monitored. The regularity of temperature of pile foundation changing with time is summarized, and the calculation equation of refreezing time of pile foundation is established according to the finite element analysis result. The monitoring data and analysis show that: (1) under the action of ground temperature of permafrost , the pile foundation is frozen upward from the bottom at first, when the air temperature drops below 0 ℃, pile foundation is frozen in two directions at the same time; (2) after refreezing, the internal temperature of the pile body and the temperature of pile side soil are consistent, the temperature difference in the same depth is less than 0.1 ℃; (3) when the pumping temperature is similar, the refreezing time of 1.2 m diameter test pile is 1.14 times as long as that of the 1.0 m diameter one.

Key words：bridge engineering; temperature of pile foundation; monitoring system; refreezing time; permafrost

中圖分類號：U443.15

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)04-0088-08

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.014

作者簡介：宇德忠(1984-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生.(dezhong1984928@163.com)

基金項目：大慶油田有限責任公司重點科研項目(2013022411)

收稿日期：2014-11-18