图5—9　测温电缆埋设

以查拉坪大桥作为工程依托，对其16号桩布设32 m测温电缆（图5—9），探头分布情况为：在0～10 m深度，每0.5 m一个测温探头；10～20 m深度，每1 m一个测温探头；20～32 m深度，每2 m一个测温探头。通过试验、监测研究高温多年冻土区桥梁桩基回冻规律，为冻土区公路桥梁桩基工程施工建设提供技术支撑。

1）桥梁桩基温度监测分析

图5—10和图5—11为查拉坪大桥16—2号桩2012年7月29日17时桩基混凝土灌注后的桩基外侧混凝土水化放热过程曲线（温度随深度的变化曲线）。

图5—10　灌注后第一天水化放热曲线

图5—11　灌注后第二天水化放热曲线

由图5—10可以得出，在桩基水泥混凝土灌注前，由于施工的热扰动，桩基孔内沿深度方向温度曲线0～15 m深度基本为正温，15 m以下温度约为－0.8℃。灌注桩基水泥混凝土后，由于入模温度（约12℃）和水泥水化热的影响，桩侧温度在灌注后3 h迅速升高到约10℃，由图5—11可以得出，在桩基水泥混凝土灌注后约12 h，桩侧土体温度升高到约12℃。这表明桩基水泥混凝土初始入模温度和水化放热过程对桩侧土体的温度有很大的影响。

图5—12和图5—13为查拉坪大桥16—1号桩基水泥混凝土水化放热过程曲线（桩侧）。桩基在2012年7月21日凌晨灌注，由图5—12知当日下午16时桩侧土体迅速升温至15℃左右，第二天下午17时30分，桩侧土体温度达到约20℃，之后随着时间的增加，桩侧土体温度开始降低，灌注7 d后，桩侧土体温度基本与第一天下午16时时温度相同。由图5—13可以得出，在8月16日，桩侧土体部分开始回冻到0℃以下；至8月24日，桩侧土体8 m以下都回冻到了0℃以下。由此可以得出，在该冻土条件和入模温度下桥梁桩基桩侧土体回冻到0℃以下需要约45 d的时间。这对桩基承载力的形成和桥梁上部结构的施工组织设计具有重要意义。

图5—12　桩侧水化放热过程曲线

图5—13　桩侧土体回冻临界时间曲线

图5—14为查拉坪大桥16—1号桩2012年8月至2013年4月桩侧土体温度随时间的变化曲线（回冻过程）。随着运营时间的增加，由图知桩侧土体温度逐渐降低，由2012年8月24日的约－0.3℃回冻到2013年3月15日的约－0.9℃。

图5—14　桩侧土体回冻过程曲线

图5—15　水化热计算模型

2）桩基水化和回冻数值模拟分析

（1）水化热影响时间分析(www.daowen.com)

以查拉坪大桥16号桩为原型开展数值模拟分析，建立的数值计算模型如图5—15所示。其中，桩长30.0 m，桩径1.5 m，模型地层厚度40.0 m，宽度15.0 m。施加桩前土体地温数据由实测数据得到，并以土体初温形式施加给土体。

通过分析，得出随着浇筑完成时间的加长，水泥混凝土水化热对桩身以及桩侧土体的影响越来越弱（图5—16）。从数值结果来看，当浇筑完成60 d后，桩身温度下降至0℃，表明在此时桩周土体已经完成冻结。但是就桩身温度计算曲线与天然地区地温曲线的对比可知，桩身温度远远大于天然温度，而且曲线并没有开始进入循环状态，说明在此时桩身部位仍有水泥水化热放热的影响，只是影响很小。将桩身温度曲线与天然地温曲线趋势放大（图5—17）可知，大约在200 d的时候，桩身温度曲线趋势与天然地温曲线趋势形态基本上保持一致。因此可以认为，在桩基混凝土完成浇筑200 d后，水泥水化热基本完成，桩周土体回冻同时完成。

图5—16　桩身温度曲线与天然地温曲线趋势对比图

图5—17　桩身温度曲线与天然地温曲线趋势局部放大对比图

（2）不同深度处水化热影响规律分析

在桩长深度范围内，不同深度处水化热受外界环境、土体地温等因素的影响，从而导致不同深度处的水化热曲线也存在较大差异，离地表越近，受外界气温波动影响越大；离地表越远，冻土年平均地温越低，受外界气温波动影响越小。图5—18为不同深度处桩侧温度随深度的变化图，反映了在桩长范围内桩侧温度受外界影响的规律。从图中温度曲线的形态特征来看，可以将桩基温度变化分成三个范围：

图5—18　不同深度处桩侧温度变化图

①从地表到9 m范围内。该区域温度曲线下降幅度较小，温度普遍较高，并且随着深度的降低，温度急剧下降。该区域受气温影响较大，水泥水化热在该区域的影响不甚明显。该区域属于气温影响区。

②从9 m到21 m范围内。该区域正好处于桩基的中心区域，受气温和地温的影响都比较小。在此深度范围内，桩侧温度曲线基本上重合，没有明显的上升或下降趋势，温度较为稳定。该区域属于水化热影响区。

③从21 m到桩底范围内。该区域温度较前两个区域都低，温度下降至0℃的时间也较短。从前文分析可知，该区域受冻土地温的影响较大，水化热在传导过程中损耗比较大。该区域属于地温影响区。

（3）桩侧温度的影响因素

关注桩侧温度最高值可以看出，不论是在气温影响区还是水化热影响区，温度最高值基本上都保持在21℃左右，温度最高值变化不大，表明气温对温度最高值的影响较小。而在地温影响区域内，温度最高值明显小于前两个区域，最高值仅仅维持在15～16℃。由此可见，地温对温度最高值的影响较大。

通过以上分析可知，在桩长范围内，不同深度处温度受水化热影响的程度是不一样的。离地表越近，温度受气温影响较大，离桩底越近，温度受地温影响较大。只有在桩基中间部位，温度受其他因素的干扰才较小，才能准确地反应混凝土浇筑以后桩周土体的回冻规律与影响范围。因此，在研究和分析冻土地区桩基施工工程中桩周土体的温度场分布特征与土体回冻规律时，最好选择桩基中部地区进行研究，从而避开气温和地温的影响，得到水泥水化热影响特征。

图5—18反映了水泥混凝土桩基浇筑第5天、第10天、第15天、第20天、第25天以及第30天时不同深度处的桩侧温度变化特征。从图中可以看出，从地表（0 m处）到3 m范围内，桩侧温度处于上升状态，到3 m深度时桩侧温度达到最高值。从3 m深度处开始，桩侧温度不断降低，到9 m深度处时达到该段温度曲线的最低值。从上面分析可知，0 m到9 m范围是气温影响区，该段区域内地温受气温影响较大。根据气温对桩侧温度的影响程度的差异性，可以进一步将该区域分成两个阶段：第一阶段，0 m到3 m范围内，桩侧温度不断升高，表明气温对桩侧温度的影响不断加强，属于气温影响加强区；从3 m到9 m范围内，桩侧温度不断降低，表明气温对桩侧温度的影响不断减弱，属于气温影响消退区。在3 m深度处，桩侧温度达到最高值，是气温影响地温程度的临界点。从9 m深度处开始到21 m深度处，桩侧温度曲线基本上处于平滑状态，温度波动起伏较小，与上文分析的属于水化热影响区对应。超过21 m深度后，桩侧温度曲线开始急剧下降，最终达到平衡状态。该区域与上文分析的地温影响区域特征一一对应。

从上面的分析可知，在桩长范围内可以将桩基温度变化分成三个范围，气温影响区、水化热影响区以及地温影响区。另外，在气温影响区，根据气温影响程度的不同，又可以进一步划分为气温影响加强区和气温影响消退区。因此，在分析水化热回冻规律时，需要考虑不同区域内温度变化特征。