高纬度低海拔岛状多年冻土地区桥梁钻孔灌注桩回冻的研究

宇德忠，程培峰，季　成，崔志刚

(1.东北林业大学　土木工程学院，黑龙江　哈尔滨　150040；2.哈尔滨地铁集团有限公司，黑龙江　哈尔滨　150080；

3.大庆油田路桥工程建设有限责任公司，黑龙江　大庆　163000)



高纬度低海拔岛状多年冻土地区桥梁钻孔灌注桩回冻的研究

宇德忠1,2，程培峰1，季成1，崔志刚3

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150040；2.哈尔滨地铁集团有限公司，黑龙江哈尔滨150080；

3.大庆油田路桥工程建设有限责任公司，黑龙江大庆163000)

摘要：为研究高纬度低海拔岛状多年冻土地区桥梁钻孔灌注桩施工后桩基温度的变化规律及回冻时间，利用智能温度监测系统采集了2根15 m长试验桩回冻前后的温度数据，实时监测了桩基的回冻进程，总结出了桩基温度随时间的变化规律并根据有限元分析结果建立了桩基回冻时间的计算方程。监测及分析表明：在冻土地温作用下桩基首先由桩底向上进行单向冻结，当大气温度降到0 ℃以下时桩基在上下两个方向同时冻结；回冻后桩身内部温度与桩侧土体温度基本保持一致，相同深度处温差均小于0.1 ℃；在入模温度相近时，1.2 m桩径试验桩的回冻时间是1.0 m桩径试验桩的1.14倍。

关键词：桥梁工程；桩基温度；监测系统；回冻时间；多年冻土

0引言

多年冻土是指地表土层在一定深度范围内土体中的温度低于0 ℃，并且土体的冻结状态要保持2 a或者2 a以上[1]。我国多年冻土面积约为211×105km2在世界上位列第3，根据冻土所在区域分为高纬度和高海拔2种多年冻土，高海拔多年冻土多分布于青藏高原、喜马拉雅山脉、横断山脉；高纬度多年冻土分布于我国东北部的大、小兴安岭地区[2-5]。高海拔地区年平均气温在-3.5 ℃左右，多冻土的形成主要受到非地带性气候垂直分布性影响；高纬度地区年平均气温在-2 ℃左右，多年冻土的形成主要受到地带性气候的水平地带性影响[6]。在冻土的分布状况上二者之间也有着明显的区别，根据相关资料表明，高海拔地区的多年冻土呈大面积连续分布，多年冻土区域的界线大致在年平均气温-2.5～-3.5 ℃等温线之间，由于冻土所在纬度相对较低，有强烈的太阳辐射，昼夜温差巨大，蒸发作用较强冰川较为发育，在这种特殊的气候作用下岛状冻土的分布带较为狭窄；高纬度地区的多年冻土为大面积展布，其南界在年平均气温-1～-2.5 ℃等温线之间，岛状冻土分布带较为宽阔。高纬度地区的多年冻土从高纬度向低纬度不断延伸且厚度逐渐变薄，岛状多年冻土多分布于连续多年冻土与季节性冻土之间的过渡带上，我国北部大兴安岭地区多年冻土多呈岛状分布[7-9]。

在我国随着青藏公路和铁路的建设，广大学者开启了对多年冻土地区桥梁桩基温度场的观测与研究，先后在青藏高原多年冻土地区建造了五道梁、清水河和昆仑山3个桩基础试验场，通过温度观测数据的统计与分析形成了许多有价值的研究成果，为多年冻土地区的工程建设提供了理论支撑，但取得的研究成果大部分都是针对高海拔连续性多年冻土的，对高纬度岛状多年冻土涉及较少[10-15]。

利用智能温度监测系统实时监测桩基的回冻进程，采集高纬度多年冻土桩基成桩后的温度变化数据，揭示高纬度岛状多年冻土地区桥梁桩基回冻规律及桩基回冻后的温度，对岛状多年冻土地区桩基设计与施工具有重要的现实意义。

1试验地点概况

试验桩位于黑龙江省大兴安岭丘陵低山的岛状多年冻土地区，北纬52°，平均海拔约为450 m；地表水属于呼玛河水系，年平均气温-2.4 ℃，平均无霜期98 d，10 ℃有效积温1 276～1 969 ℃。根据地质资料，试验地点Ⅰ所处区域的岛状多年冻土层厚度为35 m，试验地点Ⅱ所处区域的岛状多年冻土层厚度为32 m。桩侧各土层的分布情况见表1、表2。

表1　试验地点Ⅰ桩侧土层分布

表2　试验地点Ⅱ桩侧土层分布

为了准确掌握桥梁钻孔灌注桩的回冻时间，在每个试验地点浇注1根15 m长的试验桩，试验桩参数见表3，在试验桩处布设智能温度监测系统，动态监测桥梁桩基浇注完成后的回冻进程，分析桩基的回冻规律。

表3　试验桩参数

2桩基温度监测系统的构成与布设

2.1温度系统的构成

监测系统由下位机和上位机两部分构成，系统结构如图1所示。下位机包括测温管、单片机、太阳能供电系统和无线传输系统，下位机的功能是单片机根据预设的时间进行桩基温度的采集并通过无线传输系统将数据传输至上位机；上位机包括计算机和数据接收平台，其功能是接收数据并对数据进行处理生成文本文件。本套智能型监测系统的最大优点就是可以通过设定单片机的数据采集时间实现温度的动态监控，同时本监测系统采用了太阳能独立供电系统保证了单片机在冬季持续低温环境下工作的连续性和稳定性。

图1　温度监测系统结构示意图Fig.1　Schematic diagram of structure of temperature observation system

为了掌握温度智能观测系统采集数据的可靠性，在室内做了验证试验，将系统自动采集的数据与温度计实测温度进行了对比，结果如图2所示，最大温度差异为0.31 ℃，最小温度差异为0.02 ℃，相关性系数为0.999 4，说明该系统采集的温度数据可靠。

图2　温度对比图(单位：℃)Fig.2　Comparison of temperatures(unit:℃)

2.2桩基温度监测系统的现场布设

温度传感器采用的是Ds18b20电阻式感温元件，感温元件外用不锈钢筒进行防水封装，并在其内部填充导热材料，温度传感器的温度采集范围为-55～+125 ℃，其精度为±0.02 ℃。测温管是利用PVC管做成的，根据传感器布设方案在PVC管壁上打孔固定Ds18b20电阻式温度传感器，各个传感器采用三芯线进行连接(电线连接处用绝缘及防水胶带进行缠绕)测温管剖面如图3所示。单片机，如图4所示，是这套智能温度观测系统的核心，集成了主控芯片、时钟、无线传输模块、数据存储芯片、供电接口及插入式数据接口等，设定好采集时间后单片机可以自动进行温度数据的采集与保存，单片机上集成的无线传输模块内装入了手机卡并通过GSM网络将数据传输给上位机。本研究将温度采集时间设置为每天14：00时，为了保正单片机和太阳能蓄电池的安全及工作稳定性将其放入了预先订制好的采集箱中。

图3　测温管剖面图Fig.3　Cross-section of temperature tube

图4　单片机Fig.4　Single-chip microcomputer

图5　温度监测系统平面布置图Fig. 5　Plane layout of temperature observation system

由于两处试验地点处温度监测系统布设相同，以试验地点Ⅰ为例进行具体说明，现场布设了A，B两根测温管，测温管A用于成桩后观测桩身内部的温度变化，测温管B用于观测桩基所处地段的冻土地温，温度观测系统平面及立面布设如图5、图6所示。测温管A与桩同长为15 m，由16个温度传感器并联组成，直接绑扎在钢筋笼上，第1个温度传感器在桩的顶端，其余传感器沿桩身每隔1 m布设一个；位于距桩边缘1 m处，测温管B长15 m，由16个温度传感器并联组成，第1个温度传感器在地面，其余温度传感器每隔1 m布设一个。温度观测系统从成桩当天开始采集温度数据。

图6　温度观测系统立面布置示意图Fig.6　Elevation layout of temperature observation system

3桩基温度变化分析

两个试验地点处试验桩1，2浇注完成后桩身内各测点回冻过程中温度随时间变化的曲线分别如图7、图8所示，其编号相对应的竖向位置见立面图6。

图7　试验桩1桩基温度变化曲线Fig.7　Temperature curves of foundation of test pile 1

图8　试验桩2桩基温度变化曲线Fig.8　Temperature curves of foundation of test pile 2

对比图7、图8可以看出两根试验桩的温度变化规律基本相似，因此就以试验1为例进行详细分析。从图7可以看出成桩后各测点温度受外界大气影响程度有所不同，其中1号传感器的温度波动最为明显，这是由于该传感器布设于桩顶受外界大气环境影响较大，根据当地相关气象资料表明：1号传感器与外界大气的温度变化趋势基本相同；2～4号传感器距离桩顶分别为1，2 m和3 m，从图7上看这3个深度处的温度依然受到外界大气的影响，但随着深度的增加影响程度明显降低；5～16号温度传感器均位于冻土上限以下，温度下降幅度较大并逐渐趋向于冻土地温，大气温度波动对5号以下桩基温度变化基本无影响。

桩基在浇注完成时各个测点的初始温度相差较小，由图7可以看出，试验桩1各测点温度集中在16.4 ℃左右(入模温度)。在外界环境、桩身混凝土水化热及冻土地温的影响下，各个测点的温度逐渐发生改变，成桩后1～12号传感器所测温度均有不同程度的增长，这是由于桩身水泥混凝土的硬化是一个热量释放的过程，桩基在水化热的作用下温度升高。桩身内受大气环境影响相对较小的4～12号测点的温度在成桩后2～3 d内均达到了最高值，其中4号传感器于8月1日达到了20.9 ℃，是所有测点在整个监测过程中温度的最高值，这也表明水泥混凝土的水化热作用达到了一个峰值。此后水化热作用逐渐减弱,8月5日左右各测点温度开始出现大幅下降，到了8月下旬各个测点的温度趋于稳定，下降幅度变小，这表明此时水泥混凝土的水化热作用基本结束，桩及周围土体在地温的作用下开始缓慢回冻。13～16号传感器温度始终在下降，这种现象是由于这4个温度测点距离桩底较近，桩底处热量散失面积大，温度向横、竖两个方向同时传递，越靠近桩底温度散失越快。

桩身水泥混凝土的水化热对冻土地温产生热扰动，随着水化热作用的结束，桩身及周围土体在冻土地温作用下重新达到一个热平衡状态。从图7可以看出，9月初开始冻土上限以下的桩基各测点温度大部分集中在0.1～3 ℃之间，在冻土地温作用下逐渐开始冻结，桩底16号传感器于2013年9月9日最先降到0 ℃以下，以桩底开始冻结的时间为起点，桩身不同深度处的0 ℃冻结线如图9所示。

图9　桩身冻结时间示意图Fig.9　Freezing time of pile

从图9可以看出桩基在地温的作用下首先自下而上开始冻结，每延米的冻结时间在4～10 d之间，此时是一个单向的冻结过程；当10月中旬外界气温降低至0℃以下，桩顶处土体由上至下开始冻结，此时桩基处于双向冻结的过程，由上下两个方向同时向桩身中部冻结，在11月13日桩身内测温管A所有传感器读数均为负值，这说明整根桩温度降到0 ℃ 以下。

测温管B距离试验桩边缘1 m，埋深15 m，主要测量试验桩所处地段的冻土地温并结合测温管A综合判断试验桩基回冻进程。在冻土地温影响下桩基回冻完成时各测点温度趋于稳定，每根试验桩处布设的测温管A，B距离地表4，6，8，10，12，14 m和15 m处回冻后的温度分别如图10、图11所示。

图10　试验桩1不同深度处温度变化曲线Fig.10　Temperature curves of test pile 1 in different depths

图11　试验桩2不同深度处温度变化曲线Fig.11　Temperature curves of test pile 2 in different depths

从图10、图11中可以看出两根试验桩桩身内部温度与桩侧1 m处的土体温度基本保持一致，相同深度处的温差均小于0.1 ℃，此时可以认为桩基完成回冻。测温管B的温度趋向于稳定，这个稳定的温度大致为-1.9 ℃，此温度是试验桩所在区域热平衡后的新冻土地温。两根试验桩完成回冻的时间统计见表4。

表4　试验桩回冻时间

4桩基回冻时间的有限元模拟分析

以试桩1为例相关参数见表3，采用MIDAS/FEA建立模型分析桩基回冻过程。模型相关假设如下[16]：

(1)桩身及土体材料的物理特性不随时间改变；(2)桩体完全依靠侧表面进行散热；(3)整个桩体与周围冻土完全接触；(4)不考虑空气对流的影响，太阳辐射对多年冻土和桩的温度场分布没有影响(即只考虑桩-土间自然传热过程，不考虑大气环境的影响)；(5)季节性冻土层的计算参数参考普通非冻土的相关参数进行赋值。

由于桩基是轴对称实体，因此模型只建立了三维的1/4结构，在对称面上施加对称约束。根据实测结果，桩身初始温度设为混凝土的入模温度16.4 ℃，桩周土体温度设为-1.9 ℃，模拟结果如图12、图13所示。

图12　浇注后10 h桩-土温度场(单位：℃)Fig. 12　Pile-soil temperature field 10 h after pouring(unit:℃)

图13　浇注后120 d桩-土温度场(单位：℃)Fig.13　Pile-oil temperature field 120 d after pouring (unit:℃)

图12中最左侧灰度较深区域为高温区，最右侧为低温区，其余颜色代表高、低温度间的渐变区，从图13中可以看出120 d后桩-土之间的温度基本一致，温度分布集中在-2 ℃ 左右，模拟结果与实测结果相符合，证明模型建立正确，计算结果可靠。以此模型计算不同入模温度条件下桩基的回冻时间，模拟结果如表5所示。

表5　桩基回冻时间模拟统计表

将表5中的模拟结果进行线性回归，得出的回归方程如图14所示。

图14　入模温度与桩基回冻历时的线性回归曲线Fig.14　Linear regression curve of pumping temperature vs. refreezing time of pile foundation

结合图14中得出的回归方程及试验桩1的相关参数，建立高纬度低海拔岛状多年冻土地区类似地质条件下的桥梁桩基回冻时间计算方程，如式(1)所示。

(1)

式中,T为桩基回冻时间;t为入模温度；α1为桩径修正系数；α2为桩长修正系数；α3为冻土地温修正系数。

α1，α2，α3分别以桩径、桩长、冻土地温中的一个因素为变量，固定其余参数用有限元模型计算出对应的桩基回冻时间，将计算出的回冻时间比上试桩1的实测回冻时间，再将比值与对应的变量进行线性回归得出回归方程，回归曲线如图15所示。

图15　回归曲线Fig.15　Regression curve

将试验桩2的相关计算参数(见表3、表4)代入图15中的回归方程得出修正系数，再代入式(1)，得出的桩基回冻时间为101 d与实际观测结果105 d相比偏差率仅为3.8%，证明计算方程可靠。

5结论

(1)根据智能温度监测系统采集的数据显示，桥梁钻孔灌注桩浇注完成后，桩身温度是动态变化的过程，桩身回冻后冻土上限以下的温度趋近于所在区域的冻土地温。

(2) 在冻土地温作用下桩基首先由桩底向上进行单向冻结，当大气温度降到0 ℃以下时桩基在上下两个方向同时冻结，回冻后桩身内部温度与桩侧土体温度基本保持一致，相同深度处温差均小于0.1 ℃。

(3) 根据实测结果显示，在桩长及混凝土入模温度近似相同的条件下，1.2 m桩径试验桩的回冻时间(120 d)是1.0 m桩径试验桩回冻时间(105 d)的1.14倍。

(4)利用有限元分析软件计算出了不同工况条件下桩基的回冻时间，建立了桩基回冻时间的计算方程，经验证计算值与实测值得到的偏差仅为3.8%，说明建立的计算方程准确可靠。

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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

中图分类号：U443.15

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)04-0088-08

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.014

作者简介：宇德忠(1984-)，男，黑龙江哈尔滨人，博士研究生.(dezhong1984928@163.com)

基金项目：大庆油田有限责任公司重点科研项目(2013022411)

收稿日期：2014-11-18