一种多年冻土区降低钻孔灌注桩混凝土水化热的方法

摘要

本发明涉及一种多年冻土区降低钻孔灌注桩混凝土水化热的方法，该方法包括以下步骤：⑴在多年冻土区进行施工，并根据设计要求开挖钻孔灌注桩基坑；⑵按常规方法计算钻孔灌注桩所需混凝土的水化热放热量，并按常规方法计算所需热棒各参数；⑶根据设计要求绑扎钢筋笼，完毕后，将套管固定于钢筋笼中设计要求位置；⑷将热棒置于套管中，并按所确定的热棒埋入长度固定完毕后，吊装钢筋笼至钻孔灌注桩基坑中；⑸根据设计标号要求配制、搅拌掺加有防冻剂的混凝土，并将该混凝土浇注至钻孔灌注桩基坑内，浇注完毕立即先覆盖薄膜，然后覆盖草帘或保温材料进行保温；⑹抽出热棒并按常规方法进行后续施工。本发明可缩短冻土回冻时间、施工简便。

说明书

技术领域

本发明涉及一种降低混凝土水化热的方法，尤其涉及一种多年冻土区降低钻孔灌注桩混凝土水化热的方法。

背景技术

在多年冻土区，年平均气温低于0℃，在地下一定深度形成多年不化的冻土层，被称为多年冻土。在冬夏交替过程中，夏季融化的冻土只能到达一定深度，地面融化土层到冻土顶部距离称为冻土上限，一般深度为2m左右，却在年际变化中基本维持稳定。正是由于多年冻土的存在，导致地下水空间分布特征和一般地区存在根本性差异，降水、地表水等下渗的水分只能到达冻土层顶部，而难以向冻土内部扩散，保持冻土的稳定性。

我国的冻土面积约占国土面积的22%，约215万平方公里，主要分布在青藏高原、东北大小兴安岭、天山和阿尔泰山等地区，随着我国经济建设的发展，西部大开发战略的加速实施，在多年冻土区进行了一系列的国家重大工程项目，如青藏公路、青藏铁路、青藏输变电线路、东北的哈大高速铁路等。

钻孔灌注桩是多年冻土区的桥涵、隧道等工程普遍采用的基础形式。钻孔灌注桩不受地基岩石性质和地下水条件的限制，可就地取材，可以建造大直径桩，施工方法和施工机具简单。但对多年冻土环境下的混凝土灌注桩来说，混凝土浇筑后，水泥水化热的作用使得桩周围冻土吸热温升，部分冻土融化，热物性参数发生变化，导致地基承载力下降。因此混凝土材料成为影响桩基质量的重要因素。而混凝土材料从早期微观结构的形成到硬化后力学性能的好坏一直伴随着温度的变化。很多研究者对多年冻土区桩基的温度场以及桩基回冻过程进行了研究.结果表明，冻土区灌注桩基础施工会带来一定热量，地温场将发生相应变化，破坏冻土的稳定冻结状态，尤其是混凝土灌注桩的水化热会给稳定的冻土带来很大的热扰动。水化热对冻土桩基温度场有极大影响，不同入模温度下桩基回冻时间、承载力、桩与冻土的相互作用方面有很大不同。因此，如何平衡混凝土水化热造成的冻土温升，寻找降低混凝土灌注桩水化热的方法是降低对冻土热扰动的有效方法。

通过研究发现，为了减少桩基温度场的热扰动，应尽量减少混凝土水化热对桩基周围土体的影响，减小融化圈的范围。可以采取在混凝土中掺入一定数量的矿物质掺和料，减少水泥用量，降低水化热。由于在多年冻土区进行混凝土施工，是在负温条件下进行的，因此如何保证混凝土的低水化热并且在负温条件下强度保持稳定增长达到设计要求，是重点研究的方向。研究表明，掺入防冻剂是保证混凝土负温下性能的重要手段在很低的温度下（-5℃~-20℃）混凝土如果不掺入防冻剂其强度发展缓慢，28d时抗压强度很低，胶结料几乎没有水化。但是如果在正温下进行一段时间的预养护，再置于低温下继续水化，则可以不同程度减少强度损失。掺混合材负温防冻剂混凝土强度发展表明，可以满足混凝土早期强度要求，又能较大幅度提升混凝土后期强度。青藏铁路多年冻土区桩基础施工混凝土的温度控制问题中，在寒季低温、负温环境下，可通过对原材料进行预热，加强保温、保湿养护，应用低温、早强复合外加剂等措施保障混凝土的施工质量和早期强度；在暖季，桩基础的入模温度控制能在一定程度上减少对桩周围多年冻土的热扰动，缩短桩同冻土的回冻时间。

上述方法可一定程度解决工程问题，但是混凝土钻孔灌注桩深入地下冻土，低温条件下既要强度增长，且要减少水化热，所以上述方法并没有在根本上解决混凝土强度与低水化热之间的矛盾问题，所以既要保证混凝土灌注桩的强度又要保证水化热对冻土的最低热扰动是工程建设中亟待解决的重要难题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种缩短冻土回冻时间、施工简便的多年冻土区降低钻孔灌注桩混凝土水化热的方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种多年冻土区降低钻孔灌注桩混凝土水化热的方法，包括以下步骤：

⑴在多年冻土区进行施工，并根据设计要求开挖钻孔灌注桩基坑；

⑵按常规方法计算钻孔灌注桩所需混凝土的水化热放热量，并按常规方法计算所需热棒的散热功率，确定所述热棒的直径、所述热棒中散热片的散热面积、所述热棒的埋入长度以及数量；

⑶根据设计要求绑扎钢筋笼，完毕后，将套管固定于所述钢筋笼中设计要求位置；

⑷将所述热棒置于所述套管中，并按所确定的所述热棒埋入长度固定完毕后，吊装所述钢筋笼至所述钻孔灌注桩基坑中；

⑸根据设计标号要求配制、搅拌掺加有防冻剂的混凝土，并将该混凝土浇注至所述钻孔灌注桩基坑内，浇注完毕立即先覆盖薄膜，然后覆盖草帘或保温材料进行保温；

⑹7天后抽出所述热棒，并按常规方法进行后续施工。

所述热棒为金属管材，其内部冷却液为液氮。

所述热棒与所述套管之间填充有导热油。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明利用热棒技术，通过将混凝土内部因水化热产生的热量及时扩散到外部空气中、将外界冷源交换到混凝土中来达到降温目的，不但有效保证了混凝土的强度，而且降低了水化热对桩基周边冻土的热扰动，缩短冻土回冻时间，同时，热棒也可对桩基强度起到增强作用。

2、本发明在混凝土中预先埋入比热棒直径稍大套管，并将热棒插入套管中，且热棒与套管之间填充有导热油，因此，热棒在早期将混凝土中热量排除后，可将热棒拔出循环利用。

3、本发明施工简便，可在保证工程正常进行的情况下有效减少施工工期，适用于在多年冻土区推广使用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的热棒降温纵剖面示意图。

图2为本发明的热棒降温横剖面示意图。

图中：1—钻孔灌注桩基坑2—套管3—热棒。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种多年冻土区降低钻孔灌注桩混凝土水化热的方法，包括以下步骤：

⑴在多年冻土区进行施工，并根据设计要求开挖钻孔灌注桩基坑1。

⑵按常规方法计算钻孔灌注桩所需混凝土的水化热放热量，并按常规方法计算所需热棒3的散热功率，确定热棒3的直径、热棒3中散热片的散热面积、热棒3的埋入长度以及数量。

其中：混凝土的绝热温升可按下式计算《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）：

（1-1）

式中：—混凝土龄期为t时的绝热温升（℃）；

—每kg水泥28d的累积水化热（J/kg）

W—每m3混凝土的胶凝材料用量（kg/m3）；

—混凝土的比热，一般为0.92~1.0（kJ/（kg·℃）；

—混凝土的重力密度，2400~2500（kg/m3）；

m—与水泥品种、浇注温度等有关的系数=0.362，0.3~0.5（d^-1）；

t—混凝土龄期（d）。

热管热通量计算《冻土地区建筑地基基础设计规范》（JGJ118-2011）

（1-2）

—为热管热通量；

—为混凝土桩基内部温度；

—为热管工作期间内气温的平均值；

—为冷凝段换热热阻；

—为混凝土换热热阻；

（1-3）

—冷凝器的有效散热面积，m²；

—冷凝器的放热系数W/℃·m²。

（1-4）

—为平均风速。

为简化计算，仅采用混凝土桩基热阻和冷凝器放热热阻进行计算。

用圆柱体热阻公式可以得到混凝土热阻的解析解：

（1-5）

—为蒸发段长度，即混凝土桩长；

—热管外直径；

—混凝土桩半径；

—混凝土导热系数；

《冻土地区建筑地基基础设计规范》（JGJ118-2011）

混凝土灌注桩总热量：因混凝土水化热时，内部温度时刻处于变化中，因此取平均温度计算总热量：

—混凝土桩基体积（m³）。

通过上述计算若则热管将混凝土中热量完全释放。

⑶根据设计要求绑扎钢筋笼，完毕后，将套管2固定于钢筋笼中设计要求位置；

⑷将热棒3置于套管2中，并按所确定的热棒3埋入长度固定完毕后，吊装钢筋笼至钻孔灌注桩基坑1中；

⑸根据设计标号要求配制、搅拌掺加有防冻剂的混凝土，并将该混凝土浇注至钻孔灌注桩基坑1内，浇注完毕立即先覆盖薄膜，然后覆盖草帘或保温材料进行保温；

⑹7天后抽出热棒3，并按常规方法进行后续施工。

其中：

热棒3为金属管材，其内部冷却液为液氮。

热棒3与套管2之间填充有导热油。

混凝土桩基热管计算算例

设有一直径1.2m，长度10m的混凝土钻孔灌注桩，埋于多年冻土中，冻土温度-1.5℃，混凝土浇筑期最高温度为50℃，混凝土导热系数=2.33w/(m·℃)，混凝土比热容=0.96kJ/kg·℃，入模温度为15℃，大气温度-1℃，风速=5.0m/s；热管工作时间10d，热管蒸发段10m，热管外径为89mm，冷凝段长度4m，有翅片部分长度3.6m，翅片宽度23mm，间距12mm，

单圈翘片面积（mm²）

（m²）

（w/(m²·℃)）

（℃/w）

（℃/w）

（MJ）

混凝土灌注桩总热量：

（MJ）

通过上述计算则有说明选取热管管径、翅片等参数较为合适本工程。