多年冻土地基钻孔灌注桩的冻土融化厚度与回冻时间

毛思骁

(黑龙江省公路勘察设计院，黑龙江 哈尔滨 150080)

0 前 言

基于冻土地基的热稳定和桥梁抗冻胀稳定需要，多年冻土区的桥梁基础多采用桩基础，如钻孔打入桩、钻孔插入桩和钻孔灌注桩等。其中钢筋水泥混凝土钻孔灌注桩具有结构简单、施工方便、可就地取材、桩尺寸灵活、冻结强度较高、地基抗力系数较大等优点，故应用广泛。在钻孔灌注桩的钻孔过程中，由于切削和摩擦产生热量，以及浇筑的混凝土的水泥水化热，会导致桩周边冻土的升温融化，形成环柱形的融化土区域。由于融化土的厚度一般不超过45 cm，其作用于桩侧面的正压应力相应较小，导致桩周的摩擦阻力很小。如果桩周冻土为细粒土，只有当融化土的厚度超过某一临界值，桩身才会承受明显的摩擦力。因此，多年冻土钻孔灌注桩，在桩周冻土的融化期内，既不是传统意义上的摩擦桩，也不是所谓的冻结桩，其承载能力及承载能力的大小、计算方法是一个需要重点解决的问题。

1 钻孔灌注桩承载能力的形成及特点

在融化土的回冻过程中，桩身周边部分降温较慢，回冻较慢；而桩的端部降温较快，回冻较为迅速。在此过程中，桩端承载能力的恢复较早并逐渐增长；而桩侧承载力(摩擦力)随土温的降低和融化土厚度的减小而逐渐减小。在土温降至0 ℃和融化土厚度减小至临界厚度时，桩的摩擦承载能力减小为零。但在此过程中，桩端的承载能力随着桩底冻土温度的降低而迅速增大。当桩周0 ℃的融化土完全转变成0 ℃的冻结土时，土颗粒与桩侧界面间的水膜胶粘连结全部转变为冰胶粘连接时，摩擦桩即转变为冻结桩，桩的承载能力大幅度上升，由零增长至某一值。随着桩周冻土温度的逐渐降低，桩的承载能力也继续增长，当温度达最低点时，桩承载力(为桩侧冻结力与桩端反力之和)达到最大值。多年冻土中钻孔灌注桩承载力的形成过程和特点如图1、图2所示。

图1 粗粒土多年冻土钻孔灌注桩承载力形成过程

在图1中，0～t1：桩周冻土逐渐融化至最大厚度，桩承载力(摩擦力)由0增长至最大值P1；t1～t2：桩周融化土回冻，摩擦力减小至0；当桩、土界面的水胶粘连结转变成冰胶粘连结时，产生冻结力，承载力增长至P2；t2～t3：随着桩周冻土的温度降低，冻结承载力呈线性增长，当冻土温度最低时达到最大值P3。

图2 细粒土多年冻土钻孔灌注桩承载力形成过程

在图2中，0～t1：桩周冻土逐渐融化至临界厚度，摩擦力开始形成；t1～t2：桩周冻土的融化厚度由临界值增加至最大厚度，桩侧的摩擦力由0增长至P1；t2～t3：桩周的融化土逐渐回冻，厚度由最大值减小至临界值，桩侧的摩擦力由P1减小至0；t3～t4：桩周的融化土继续回冻，厚度减小至0，当桩、土界面的水胶粘连结变成冰胶粘连结时，冻结力产生，桩的承载力跳跃增长至P2；t4～t5：随着桩周冻土温度的降低，桩的承载力线性增长。当冻土温度达到最低值时，桩的承载力增长至最大值P3。

2 水泥水化热与冻土融化厚度

根据有关研究，硅酸盐水泥水化热释放数量与时间的关系如图3所示。

图3 硅酸盐水泥水化热与时间的关系

从图3可以看出，硅酸盐水泥水化热的释放主要集中在初期，7 d内放出的水化热大约占全部水化热的50%，而7 d只占完全水化时间的2%左右。此后的98%的时间中释放出其余的水化热。

取桩径为1.13 m，则每延长米钻孔灌注桩使用的硅酸盐水泥混凝土体积为1 m3，释放出的热量为35 565 kcal，可融化桩周冻土的厚度的计算结果如表1所示。

表1 混凝土代入热量融化桩周冻土厚度

由表1可知，水泥混凝土钻孔灌注桩周边冻土的融化厚度与水泥标号、水泥用量、水泥混凝土的温度和桩周冻土的类型等有关，其融化厚度一般在0.5 m以内。但水泥水化热的影响范围一般可达1.5～1.8 m。

当混凝土材料由20 ℃降为15 ℃时，混凝土材料的显热可减少3 285 kcal/m3，占总热量的10%；当水泥水化热降低5%时，水化热的减少量为1 312 kcal/m3(按28 d放热量计算)，占总热量的3.6%；当水泥水化热降低10%时，水化热的减少量为2 625 kcal/m3(按28 d放热量计算)，占总热量的7%。说明减少混凝土材料的潜热和水泥的水化热，混凝土总热量可降低17.2%；与降低水化热相比，减少混凝土材料显热的效果更好一些。

3 桩周融化土的回冻时间

水泥混凝土钻孔灌注桩的施工给多年冻土地基施加的热量，在施工中后期的回冻过程中，此热量将逐步向周围的多年冻土输送，使钻孔灌注桩周围一定范围内的多年冻土也相应升温；桩周边的已融化冻土则逐渐冷却，缓慢回复至冻结状态，形成钻孔灌注桩的冻结承载力。在钻孔灌注桩施工完毕后，桩周融化冻土的回冻过程决定着钻孔灌注桩承载力的形成时间。此回冻过程受到许多因素的影响，是较为复杂的热交换过程。

对于1.0～1.3 m桩径的灌注桩，回冻至起始冻结温度所需要的时间可采用以下经验公式计算

(1)

式中：t：桩周融化土回冻至起始冻结温度的时间，d；Q：1 m桩长的桩周融化土冻结时所放出的潜热。

在数量上相当于1 m桩长混凝土15 d放出的水化热，kcal；λf：冻土导热系数，kcal/m·h·℃；Tcp：多年冻土的年平均地温，℃；Tf：桩周融化土的起始冻结温度，℃；k：修正系数。一般取0.13～0.15。

根据有关工程实例的多方估算，年平均地温≤-1.5 ℃的低温多年冻土地基中的钻孔灌注桩在浇筑混凝土10～20 d后，桩侧的融化冻土可达到冻结起始温度；但是在年平均地温>-1.5 ℃的高温多年冻土中，需在浇筑混凝土40 d以后，桩侧的融化冻土才能达到冻结起始温度，甚至不能再回到冻结状态。

4 结 论

在多年冻土地基修筑的钢筋水泥混凝土钻孔灌注桩，其施工及成桩过程将给多年冻土地基以较多的热干扰，使钻孔灌注桩周边的多年冻土升温并融化。原有多年冻土的融化厚度、范围，以及融化后冻土的回冻快慢，对钻孔灌注桩承载力的形成及其构成方式有较多的影响。相应地，在粗粒土多年冻土地基和细粒土多年冻土地基中，水泥混凝土钻孔灌注桩的承载能力形成与变化过程也有别于一般地基中的钻孔灌注桩。在多年冻土地基钻孔灌注桩的设计与施工过程中，需要考虑由此带来的不利影响，并在设计中侧重分析，提出针对性对策。