多年凍土區橋梁工程鉆孔灌注樁溫度場研究

王桂茵

（福建船政交通職業學院， 福建 福州 350000）

1 實例工程概況

1.1 地形橋梁概況

本次橋梁建設工程位于中山地貌區域，地形的起伏狀態相對較為平緩，屬于多年凍土地質類型。橋梁的兩岸橋臺處于斜坡表面，與橋岸的自然坡角狀態為5°。橋址區地面標高數據為4687.13～4705.17m，根據測量顯示相對高差數據為18.04m。

1.2 區域內凍土類型

該橋梁建設工程區域為特殊巖土類型，包含多年凍土。基礎天然上限數據為1.9m，屬于連續銜接的種類。從凍土狀態分析，分布類型包括少冰、含土冰等，融沉的等級狀態為I～V級。根據多年測量分析發現，該區域凍土年平均低溫數據為。

1.3 試驗用樁基與地層狀態簡述

本次選擇橋梁的16-2序號樁基作為基礎研究目標，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。樁端區域處于強風化泥巖類型地質內部，深度固定。樁體所處區域土體層次分為四個主要種類，即腐殖質、粉土、卵石、強風化泥巖[1]。腐殖質層厚度約為0.8m，包含草根成分。該層次基礎壓縮級別較高，存在部分冰結晶體，屬于季節凍土的一種，在樁體區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。凍土區域為網狀結構，冰層較厚，體積約為總冰含量級別的60%。卵石層厚度約為7m，內部卵石粒徑在2～7cm的范圍內。該層次母巖為板巖構成，凍土處于整體構造狀態，內部巖芯被凍結、冰結晶為顆粒狀，含冰量占總體級別的15%。強風化泥巖厚度約為20m，內部巖土質地相對腳軟，凍土同樣為整體構造，存在裂隙冰成分，體積為總含冰量的5～9%。

2 測試元件埋設方法

為了達到地溫狀態測試目標，本次測試元件需要進行科學布置，確保樁基完成建設階段后能夠針對水化熱產生的影響進行深入分析，明確對周邊土地產生的擾動情況與回動地溫的變化情況。根據本次試驗樁體施工區域的土壤資料、土層分布狀態分析數據可以確定，應當在樁體徑向0、0.6、0.9、1.3、2、4m區域設置地溫的測試孔位[2]。同時，還需要賦予對應的編號，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域。TN孔位的深度設置為31m，包含大量溫度測試探頭。地下內部0～10m的范圍應當每隔0.5m設置單個溫度測試探頭，超過10m小于16m的范圍應當每隔1m設置單個溫度測試探頭。超過16m小于26m的區域需要每隔0.5m設置單個溫度測試探頭，大于26m小于31m的區域應當每隔1m設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區域需要每隔0.5m設置單個溫度測試探頭，大于10m區域每隔1m設置單個溫度測試探頭。

3 地溫狀態監測與結果研究

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

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

3.1.2 混凝土水化放熱過程中地溫下降階段

在混凝土產生水化熱效應的過程中，隨著齡期不斷上升，TN位置與CA15、14區域的溫度在達到極限后出現了下降趨勢。根據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區域的土層逐漸出現負溫現象，正溫狀態持續時間為16、29天。在觀測即將結束的時間段內，樁體的土壤溫度處于0～1℃范圍內，變化趨勢進入穩定狀態。

3.2 水化熱對地溫的影響機制分析

通過對施工結束33天內不同深度的土壤溫度變化進行分析，深度不同但近樁體區域的土壤溫度變化與樁體側面處于一致狀態，測試點位距離樁體的距離越大，溫度變化的狀態越接近天然孔位區域，土壤溫度受到水化熱效應的影響較低。根據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℃，受到水化熱效應的影響相對較低。在樁體基軸上方，距離樁體0.6m區域的土層深度越高，土壤溫度受到相關效應的影響便越大。隨著深度增加，土壤溫度受到影響開始加高，但逐漸出現下降趨勢。天然溫度場區域受到水化熱效應影響后，恢復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。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，因此水化熱效應產生的影響也出現了減弱的趨勢。

3.3 樁周土回凍時間分析

根據樁體側面各個位置土層在不同時期出現的溫度變化情況能夠發現，在時間經過的影響下，土壤溫度會出現下降趨勢，如圖1所示。完工33天后，深度為9m的土層區域溫度進入0℃以下的范圍。完工119天后，所有土壤區域均進入0℃以下的范圍。在這一階段中，受到外部氣溫影響的中下區域土層溫度穩定在0～-1.5℃左右。這一數據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]。隨著時間經過，下部區域土層的溫度下降速度迅速上升，中部區域土層的溫度出現了緩慢上升的狀態，隨后便開始下降。導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，在主體相變結束后，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、底部土層的導熱功能，能量交換出現增加趨勢。在這種狀態下，中部區域的冷土層水分子逐漸進入冰晶狀態，使區域溫度緩慢上升。待主體相變結束后，下部區域的負溫動力會產生一定程度的影響，使中部區域的土層溫度開始下降。總體分析，施工結束后12～33天內樁體周邊土壤受到水化熱效應的影響，出現了融化現象。在33～134天期間，樁體周邊土壤處于正負溫度過渡狀態，水分出現過冷現象，進而發生相變。在134～170天階段內，樁體周邊土壤重新生成穩定凍土結構，整體進入溫度下降階段。

圖1 回凍降溫規律

通過分析14、18m的深層土壤溫度狀態在不同時間內的變化曲線能夠發現，如圖2所示，在時間影響下，樁體側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深度狀態下的TN、CA15與CA14分別降低16.62、10.1、0.77℃。根據溫度下降情況分析，TN孔位相對于其他孔位的下降級別較大。在施工結束201天的狀態下，14m深度級別的TN孔位溫度已經低于0.6m深度級別的CA15與CA14，18m深度級別的TN孔位溫度已經低于天然孔位。導致這一現象的主要原因是外界溫度較高的情況下，土壤內部的溫差梯度較大，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，混凝土樁體已經完全形成，內部導熱系數相對于淺層土壤較高，因此樁體的導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，同時也會對承載能力產生對應的影響。

4 分析結論

通過分析相關研究數據能夠發現，在試驗用樁體已經完成澆筑階段后，其土壤內部區域會產生水化熱現象。這一現象會對周邊凍土區域產生較為顯著的影響，通過研究相關數據能夠發現，樁體側面的溫度在完成施工階段后的第三天進入最高狀態，水化熱效應對距樁體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過出現變化，分別在3～5天與7～11天的條件下達到最高級別。混凝土樁體產生的水化熱效應對距離樁體2m區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。在工程建設結束后，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。在上升階段結束后，便會隨著時間經過出現下降的趨勢。根據數據分析能夠發現，在樁體施工階段完成后33天，樁體側面的區域便會出現負溫現象。在樁體施工完成119天后，各區域土層會全部進入負溫狀態，最終在134天形成穩定凍土條件。在樁體施工結束201天后，各土壤區域的溫度會與天然孔位的溫度呈現一致的狀態。通過針對試驗樁體施工結束后的水化熱狀態進行深入分析，能夠明確其對凍土場產生的影響效果。但是，對于運行期間內樁體產生的影響條件還尚未明確，相關研究有待進一步的開展。通過研究這一內容，可以為多年凍土地質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時間、承載能力檢測時間以及樁體周邊凝冰發育時間，具有重要的施工分析意義。因此，需要重視相關研究內容的應用，確保后續的建設流程能夠正常完成。

5 結束語

綜上所述，針對多年凍土區域的鉆孔灌注樁溫度場情況進行深入分析，有利于明確相關變化產生的連帶影響，能夠為后續的施工環節提供重要的參考信息，有利于橋梁工程建設質量的提升，具有重要影響意義。