冻土地基钻孔灌注桩热学分析及承载特性试验研究

摘要

随着国家西部大开发战略逐步推进，冻土区工程建设活动方兴未艾。由于冻土的特殊的热学、物理力学性质，造成该区域建筑物易出现基础融沉、道路翻浆等工程病害，所以对建筑物的基础要求很高。钻孔灌注桩因具备良好的承载特性被广泛应用于冻土区的工程建设中，但是钻孔灌注桩在施工过程中由于机械热扰动、水泥水化热及混凝土入模温度对桩周冻土温度场产生一定的影响，使桩周冻土在一定范围内温度升高，甚至出现融化。同时，由于温度场的改变也会影响基桩的承载性能。因此，本文以桩体混凝土水化热桩周冻土温度场的影响及回冻后冻土基桩承载力学特性为出发点。重点研究桩周冻土温度场变化规律及钻孔灌注桩承载特性。
　　本文首先通过室内模型试验探究钻孔灌注桩水化热对桩周土温度场的影响规律。在模型桩中内置电热棒加热模拟混凝土水化热，电热棒功率为45W，用铝管桩替代混凝土桩，模型桩的桩长60cm，外径3cm，内径2.6cm。设定混凝土入模温度为5℃，根据混凝土绝热温升理论和相关热学知识计算出电热棒需通电30分钟。试验分为三种工况进行研究，工况一：初始地温为-3℃左右，电热棒通电30分钟；工况二：初始地温-1℃左右，电热棒通电30分钟；工况三：初始地温-1℃左右，电热棒通电60分钟。在土体中布置温度传感器，采集不同时间点的温度，分析三种工况中模型桩水化热对桩周冻土温度场的影响规律。然后，桩周土回冻至一个稳定温度后，根据相应规范预估基桩极限承载力，分别对基桩进行静载荷试验，基于试验数据得出荷载-沉降曲线、位移-时间曲线、桩侧摩阻力和轴力沿桩长变化曲线。
　　由试验数据分析得出：(1)工况一中基桩在水化热的作用下使桩周1cm范围内冻土融化，桩壁处土体最高温度为2.4℃，回冻时间为150分钟，基桩极限承载力为9.6kN；（2）工况二中基桩在水化热的作用下使桩周3cm范围内冻土融化，桩壁处土体的最高温度为6.4℃，回冻时间为190分钟，基桩极限承载力为7.5kN；（3）工况三中基桩在水化热的作用下使桩周5cm范围内冻土融化，桩壁处土体的最高温度为9.2℃，回冻时间为330分钟，基桩极限承载力为5.25kN。（4）初始地温相同时，基桩的回冻时间随水化热增加而增加，基桩的极限承载力随水化热的增加而减小。基桩水化热相同时，初始地温越低，基桩的极限承载力反而增大。
　　选取工况一借助ANSYS软件探究基桩水化热对桩周冻土温度场影响规律。将数值模拟结果与模型试验结果对比分析，二者规律基本一致。本文研究成果为冻土区桩基础研究积累资料，同时可为工程设计、施工运营提供技术参考。