多年凍土地基鉆孔灌注樁的凍土融化厚度與回凍時間

毛思驍

(黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

基于凍土地基的熱穩(wěn)定和橋梁抗凍脹穩(wěn)定需要，多年凍土區(qū)的橋梁基礎多采用樁基礎，如鉆孔打入樁、鉆孔插入樁和鉆孔灌注樁等。其中鋼筋水泥混凝土鉆孔灌注樁具有結(jié)構簡單、施工方便、可就地取材、樁尺寸靈活、凍結(jié)強度較高、地基抗力系數(shù)較大等優(yōu)點，故應用廣泛。在鉆孔灌注樁的鉆孔過程中，由于切削和摩擦產(chǎn)生熱量，以及澆筑的混凝土的水泥水化熱，會導致樁周邊凍土的升溫融化，形成環(huán)柱形的融化土區(qū)域。由于融化土的厚度一般不超過45 cm，其作用于樁側(cè)面的正壓應力相應較小，導致樁周的摩擦阻力很小。如果樁周凍土為細粒土，只有當融化土的厚度超過某一臨界值，樁身才會承受明顯的摩擦力。因此，多年凍土鉆孔灌注樁，在樁周凍土的融化期內(nèi)，既不是傳統(tǒng)意義上的摩擦樁，也不是所謂的凍結(jié)樁，其承載能力及承載能力的大小、計算方法是一個需要重點解決的問題。

1 鉆孔灌注樁承載能力的形成及特點

在融化土的回凍過程中，樁身周邊部分降溫較慢，回凍較慢；而樁的端部降溫較快，回凍較為迅速。在此過程中，樁端承載能力的恢復較早并逐漸增長；而樁側(cè)承載力(摩擦力)隨土溫的降低和融化土厚度的減小而逐漸減小。在土溫降至0 ℃和融化土厚度減小至臨界厚度時，樁的摩擦承載能力減小為零。但在此過程中，樁端的承載能力隨著樁底凍土溫度的降低而迅速增大。當樁周0 ℃的融化土完全轉(zhuǎn)變成0 ℃的凍結(jié)土時，土顆粒與樁側(cè)界面間的水膜膠粘連結(jié)全部轉(zhuǎn)變?yōu)楸z粘連接時，摩擦樁即轉(zhuǎn)變?yōu)閮鼋Y(jié)樁，樁的承載能力大幅度上升，由零增長至某一值。隨著樁周凍土溫度的逐漸降低，樁的承載能力也繼續(xù)增長，當溫度達最低點時，樁承載力(為樁側(cè)凍結(jié)力與樁端反力之和)達到最大值。多年凍土中鉆孔灌注樁承載力的形成過程和特點如圖1、圖2所示。

圖1 粗粒土多年凍土鉆孔灌注樁承載力形成過程

在圖1中，0～t1：樁周凍土逐漸融化至最大厚度，樁承載力(摩擦力)由0增長至最大值P1；t1～t2：樁周融化土回凍，摩擦力減小至0；當樁、土界面的水膠粘連結(jié)轉(zhuǎn)變成冰膠粘連結(jié)時，產(chǎn)生凍結(jié)力，承載力增長至P2；t2～t3：隨著樁周凍土的溫度降低，凍結(jié)承載力呈線性增長，當凍土溫度最低時達到最大值P3。

圖2 細粒土多年凍土鉆孔灌注樁承載力形成過程

在圖2中，0～t1：樁周凍土逐漸融化至臨界厚度，摩擦力開始形成；t1～t2：樁周凍土的融化厚度由臨界值增加至最大厚度，樁側(cè)的摩擦力由0增長至P1；t2～t3：樁周的融化土逐漸回凍，厚度由最大值減小至臨界值，樁側(cè)的摩擦力由P1減小至0；t3～t4：樁周的融化土繼續(xù)回凍，厚度減小至0，當樁、土界面的水膠粘連結(jié)變成冰膠粘連結(jié)時，凍結(jié)力產(chǎn)生，樁的承載力跳躍增長至P2；t4～t5：隨著樁周凍土溫度的降低，樁的承載力線性增長。當凍土溫度達到最低值時，樁的承載力增長至最大值P3。

2 水泥水化熱與凍土融化厚度

根據(jù)有關研究，硅酸鹽水泥水化熱釋放數(shù)量與時間的關系如圖3所示。

圖3 硅酸鹽水泥水化熱與時間的關系

從圖3可以看出，硅酸鹽水泥水化熱的釋放主要集中在初期，7 d內(nèi)放出的水化熱大約占全部水化熱的50%，而7 d只占完全水化時間的2%左右。此后的98%的時間中釋放出其余的水化熱。

取樁徑為1.13 m，則每延長米鉆孔灌注樁使用的硅酸鹽水泥混凝土體積為1 m3，釋放出的熱量為35 565 kcal，可融化樁周凍土的厚度的計算結(jié)果如表1所示。

表1 混凝土代入熱量融化樁周凍土厚度

由表1可知，水泥混凝土鉆孔灌注樁周邊凍土的融化厚度與水泥標號、水泥用量、水泥混凝土的溫度和樁周凍土的類型等有關，其融化厚度一般在0.5 m以內(nèi)。但水泥水化熱的影響范圍一般可達1.5～1.8 m。

當混凝土材料由20 ℃降為15 ℃時，混凝土材料的顯熱可減少3 285 kcal/m3，占總熱量的10%；當水泥水化熱降低5%時，水化熱的減少量為1 312 kcal/m3(按28 d放熱量計算)，占總熱量的3.6%；當水泥水化熱降低10%時，水化熱的減少量為2 625 kcal/m3(按28 d放熱量計算)，占總熱量的7%。說明減少混凝土材料的潛熱和水泥的水化熱，混凝土總熱量可降低17.2%；與降低水化熱相比，減少混凝土材料顯熱的效果更好一些。

3 樁周融化土的回凍時間

水泥混凝土鉆孔灌注樁的施工給多年凍土地基施加的熱量，在施工中后期的回凍過程中，此熱量將逐步向周圍的多年凍土輸送，使鉆孔灌注樁周圍一定范圍內(nèi)的多年凍土也相應升溫；樁周邊的已融化凍土則逐漸冷卻，緩慢回復至凍結(jié)狀態(tài)，形成鉆孔灌注樁的凍結(jié)承載力。在鉆孔灌注樁施工完畢后，樁周融化凍土的回凍過程決定著鉆孔灌注樁承載力的形成時間。此回凍過程受到許多因素的影響，是較為復雜的熱交換過程。

對于1.0～1.3 m樁徑的灌注樁，回凍至起始凍結(jié)溫度所需要的時間可采用以下經(jīng)驗公式計算

(1)

式中：t：樁周融化土回凍至起始凍結(jié)溫度的時間，d；Q：1 m樁長的樁周融化土凍結(jié)時所放出的潛熱。

在數(shù)量上相當于1 m樁長混凝土15 d放出的水化熱，kcal；λf：凍土導熱系數(shù)，kcal/m·h·℃；Tcp：多年凍土的年平均地溫，℃；Tf：樁周融化土的起始凍結(jié)溫度，℃；k：修正系數(shù)。一般取0.13～0.15。

根據(jù)有關工程實例的多方估算，年平均地溫≤-1.5 ℃的低溫多年凍土地基中的鉆孔灌注樁在澆筑混凝土10～20 d后，樁側(cè)的融化凍土可達到凍結(jié)起始溫度；但是在年平均地溫>-1.5 ℃的高溫多年凍土中，需在澆筑混凝土40 d以后，樁側(cè)的融化凍土才能達到凍結(jié)起始溫度，甚至不能再回到凍結(jié)狀態(tài)。

4 結(jié) 論

在多年凍土地基修筑的鋼筋水泥混凝土鉆孔灌注樁，其施工及成樁過程將給多年凍土地基以較多的熱干擾，使鉆孔灌注樁周邊的多年凍土升溫并融化。原有多年凍土的融化厚度、范圍，以及融化后凍土的回凍快慢，對鉆孔灌注樁承載力的形成及其構成方式有較多的影響。相應地，在粗粒土多年凍土地基和細粒土多年凍土地基中，水泥混凝土鉆孔灌注樁的承載能力形成與變化過程也有別于一般地基中的鉆孔灌注樁。在多年凍土地基鉆孔灌注樁的設計與施工過程中，需要考慮由此帶來的不利影響，并在設計中側(cè)重分析，提出針對性對策。