冬期施工钻孔灌注桩混凝土温度测试研究

2010-01-16刘卫星欧立新周维英

城市轨道交通研究 2010年4期

刘卫星欧立新周维英田辉

(1.中交第三航务工程局有限公司哈大铁路客运专线项目经理部,130033,长春;2.西图建筑工程(上海)有限公司,200030,上海∥第一作者,副经理)

1 概述

新建哈尔滨至大连铁路客运专线,是为了缓解我国东北铁路运输最繁忙的南北主干线之一的哈大铁路的运输能力紧张状况,实现客、货分线运输,形成大能力、快速度的客运通道而修建的。中交三航局哈大铁路客运专线工程经理部承担哈大铁路客运专线TJ-3标段第三施工区段伊通河特大桥施工任务。该桥里程范围为DK702+637.64～DK750+937.64,正线全长48.3 km。桥梁下部结构采用钻孔桩基础,矩形空心桥台,圆端形桥墩;上部结构采用预应力混凝土简支梁和预应力混凝土连续梁两种形式。主要工程量有：钻孔桩 12 656颗,墩台身1 488个,预应力混凝土简支箱梁1 289孔,连续梁5联。

伊通河特大桥工程位于东北高寒、高纬度地区,沿线冬季气候寒冷,属中温带亚湿润季风区气候。其气侯特点为：四季分明,春季干旱多大风,夏季湿润多降雨,秋季凉爽多早霜,冬季寒冷而漫长。该地区年平均气温5.6～7.1℃,极端最高温度31.4～34.0℃,极端最低温度-24.3～-29.4℃,年均降雨量476.2～681.0 mm,年平均蒸发量 1 628.1 mm,平均相对湿度64%,最大月平均日温差12.2℃,最大积雪厚度30 cm,最大季节冻土深度169～182 cm。大桥位于东北中部山前平原重度季节冻土区。该区每年从10月底开始冻结,翌年5～6月全融化,施工周期与工期要求的矛盾十分突出,因此必须制定相应的冬期施工措施,延长施工周期。

从保证混凝土工程全面质量出发,在冬期施工中必须防止混凝土在硬化初期遭受冻害,并尽早获得强度。混凝土的温度降到0℃前,其抗压强度不得低于抗冻临界强度。《铁路混凝土工程施工技术指南》第10.1.3条规定：冬期施工期间,当用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥配制混凝土,且其抗压强度达到设计强度的30%前,混凝土均不得受冻;当混凝土抗压强度未达到5 MPa前,也不得受冻。同时根据有关规范以及其它要求[1-5],在采取冬期混凝土施工质量保证措施的情况下,混凝土的入模温度要求不低于5℃。

针对冬期进行桩基施工的情况,在采取冬期施工质量保证措施的条件下,可测试桩基混凝土入孔温度以及浇注前、浇注过程和浇注后桩身混凝土温度随时间的发展特性,测试混凝土在不同养护环境不同龄期的强度值及其强度增长特性;在土体中不同深度埋设温度传感器测试桩基混凝土浇注后所处的外界土壤环境温度状态,并根据混凝土成熟度理论近似估算桩身混凝土实际的强度发展情况。因此,展开对冬期施工钻孔灌注桩混凝土温度测试的研究,对确保桩基施工质量是十分必要的,也是非常有意义的。

2 测试内容

对伊通河特大桥1319#墩-6#孔(中心里程为DK736+229.26)进行了现场测试,并作如下记录：

(1)桩基混凝土施工过程中的入孔温度;

(2)桩基混凝土浇注前、浇注过程以及浇注后的温度随时间变化的数据;

(3)桩基混凝土在标准养护、同条件养护、自然养护情况下1、2、3、9、28天的强度数据;

(4)土壤温度在不同深度随时间变化的趋势。

桩基混凝土温度测点布置如图1所示。土壤温度测点布置如图2所示。

图1 桩基混凝土温度测试测点布置图

图2 土壤温度测试测点布置图

3 测试仪器

(1)北京航源平洋科技发展有限公司温度测量无线传输系统一套;

(2)研华ADAM-4015和ADAM-4561温度采集传输模块,LabVIEW数据采集程序一套;

(3)热电偶和PT100温度传感器;

(4)水银温度计;

(5)屏蔽电缆;

(6)UPS(不间断电源)及其它常用工具。

4 测试地点、时间及过程

2008年11月 14—21日,对位于DK736+570处拌合站附近的1319#墩-6#孔(中心里程DK736+229.26)进行了测试。被测桩基的数据信息见表1。测试过程中的时间信息如表2所示。

表1 1319#墩-6#孔桩基的数据信息

表2 1319#墩-6#孔现场测试过程时间记录表

5 测试结果

5.1 入孔温度测试结果

现场测试过程中,对搅拌车的混凝土入孔温度进行了测试。每车测量2次,取其平均值。温度测试结果见表3。

表3 1319#墩-6#孔桩基混凝土入孔温度记录表

5.2 桩基混凝土温度测试结果

现场对1319#墩-6#孔桩基混凝土施工过程进行了全程的温度采集记录,每5 min记录一组测温数据,并对数据进行了混凝土浇注前和浇注过程中、浇注后两个阶段的统计计算。混凝土浇注前和浇注过程中按10 min间隔进行统计计算,浇注后按2 h间隔进行统计计算。绘制的温度曲线如图3、4所示。其中,桩顶处和桩顶下2 m断面处的温度值为两个温度传感器观测值的平均值。

图3 1319#墩-6#孔混凝土浇注前及浇注过程中温度观测数据统计图(按间隔时间10min统计)

5.3 土壤温度测试结果

2008年12月3—4日,通过在土壤中不同深度埋设温度传感器,观测了土壤不同深度的温度变化情况,并进行了较长时间的温度采集记录。每10 min记录一组数据,然后按间隔时间2 h进行数据的统计计算。绘制的温度曲线如图5所示。

从图5中可以看出,在较短时间内,环境温度变化较大对土壤中温度变化影响很小,土壤温度随不同深度变化很大。观测期间不同深度的温度平均值见表 4。土壤温度与深度的关系曲线见图6。

5.4 桩基混凝土强度测试结果

通过制作标准试件(试件制作时间：2008-11-15早上6：00,设计强度等级为C30),测试了在标准养护、同条件养护、自然养护情况下 1、2、3、9、28天的桩基混凝土强度数据,如表5所示。

同条件养护试件温度的测试是通过将制作好的混凝土试件放在现场,上下铺盖棉被,测试棉被中的温度而得到的。同条件养护、自然养护情况下的温度对比见图7(按2 h间隔统计)。

图4 1319#墩-6#孔混凝土浇注后温度观测数据统计图(图中曲线按间隔时间2 h统计)

图5 土壤温度观测数据统计图(按间隔时间2 h统计)

图6 土壤温度与深度的关系曲线

表4 观测期间各测点平均温度值统计表

5.5 桩基混凝土强度估算结果

从桩基混凝土施工后所处的环境来看,其浇注后周围由土壤包围着,所处的环境温度应是土壤温度。从土壤温度观测数据可以看出,地面下3 m处的温度为11℃左右,而1319#墩-6#孔桩顶距地面有4.23 m的埋深,因而可以判定,桩基混凝土浇注后所处的环境温度在11℃以上,并且是一个恒温状态。从图7可以看出,同条件养护试件下的环境温度不能真正有效地代表桩基混凝土浇注后的环境温度状态,可以根据混凝土成熟度理论以及计算方法,估算在11℃恒温情况下桩基混凝土在1、2、3 d 的强度值,计算结果见表6。

表5 1319#墩-6#孔桩基混凝土强度数据表

图7 1319#墩-6#孔自然养护和同条件养护温度对比图(图中曲线按间隔时间2 h统计)

表6 桩基混凝土强度估算结果

6 结果分析

6.1 桩基混凝土温度观测数据分析

混凝土浇注起止时间为2008年11月15日凌晨1：50—3：00,浇注时的环境温度在-3℃左右(见图3)。桩顶上1 m、桩顶、桩顶下2 m处的温度观测值在浇注开始时在4～6℃之间,此时测得的温度值是孔内泥浆的温度值。随着浇注过程的继续,温度值呈增长趋势,并达到了8℃左右,说明孔内底部的泥浆温度比上部的泥浆温度要高。浇注结束后,最后温度值在10～13℃之间,此时的温度值为浇注的混凝土温度。混凝土入孔温度值在9.8～11℃之间。地面下1 m处的温度在浇注开始时为-1℃左右,20 min后达到7℃左右。这是因为在浇注前孔内水面较低,温度传感器没有浸入到水中,此时测得的温度值为孔内大气环境温度。随着浇注过程的继续,水面上升,测得的温度值为孔内泥浆温度。

由图4可见,连续观测时间为6 d,从2008年11月15日开始,到11月21日结束。观测期间环境温度最高为4℃左右,最低为-17℃左右,并经历了从11月16日到11月19日的大幅降温过程。降温期间最高温度为-7℃,最低温度为-17℃,随后环境温度有所回升。但是,外界环境温度大幅变化对桩体混凝土的温度几乎没有影响。从桩顶上1 m、桩顶、桩顶下2 m断面处的温度曲线来看,桩基混凝土的温度变化过程经历了三个阶段：①温度快速上升阶段(浇筑后0～24 h),浇注后混凝土由11～15℃增长到18～21℃;②温度平稳阶段(浇筑后24～72 h),混凝土温度在19～24℃之间小幅变化,并在浇筑后48 h达到最高温度;③温度缓慢下降阶段(浇筑后72 h以后),混凝土温度呈下降趋势,并呈收敛状态,到观测结束时,混凝土温度在17～19℃之间。

6.2 桩基混凝土强度数据分析

由测得的不同养护环境、不同龄期的混凝土强度(见表5),以龄期28 d的混凝土强度为对比依据：标准养护强度为38.09 MPa,达到设计强度的127.0%;同条件养护强度为21.25 MPa,达到设计强度的70.8%;自然养护强度为18.43 MPa,达到设计强度的61.4%。从图7可以看出,尽管同条件养护试件在现场采用了上下铺盖棉被的保温保暖措施,比自然养护环境下温度状态有所改善,但是并没有达到预期的效果。且在测试期间,遇到了大幅降温过程,养护环境温度基本都在0℃以下。这两种养护情况下的混凝土都在不同程度上遭到了冻害,其28 d的强度仅达到了设计强度的60%～70%。同条件养护试件的混凝土强度高于自然养护试件强度约10%左右。