灌注樁混凝土硬化熱力響應(yīng)特性現(xiàn)場試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

摘要：在灌注樁混凝土初期硬化過程中，水化反應(yīng)放熱會(huì)在樁基產(chǎn)生初始變形和約束應(yīng)力，進(jìn)而影響樁基承載性能。目前，針對(duì)涂層法應(yīng)用于灌注樁時(shí)混凝土硬化時(shí)期熱力響應(yīng)特性的研究鮮有。通過在棄土場的大直徑灌注樁上應(yīng)用涂層法，開展了早齡期混凝土水化熱消散的現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)測水化熱溫度和樁身應(yīng)變變化，分析了灌注樁熱力響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明，早齡期樁基混凝土的溫度變化經(jīng)歷了3個(gè)階段：迅速升溫、快速降溫和緩慢降溫。樁基嵌巖段和未嵌巖且表面涂有瀝青材料的樁段在溫度變化趨勢上保持一致，但在經(jīng)歷快速和緩慢降溫后，嵌巖樁段的混凝土水化熱溫度相對(duì)較低;對(duì)于未嵌巖的瀝青涂覆樁段，隨著深度增加，初始階段水化作用使混凝土膨脹，產(chǎn)生壓應(yīng)力;后期水化速率減小，混凝土收縮，產(chǎn)生拉應(yīng)力;而嵌巖段的樁體由于其所處巖體的優(yōu)良熱量消散特性，使其約束應(yīng)力相對(duì)較小。研究成果可為類似工程中分析樁基早齡期混凝土水化熱過程和樁身應(yīng)力演化提供參考。

樁基礎(chǔ)是高速公路橋梁的主要基礎(chǔ)型式，具有承載力高、適應(yīng)范圍廣的特點(diǎn)[1]。近年來，我國西南地區(qū)高速公路建設(shè)快速發(fā)展，樁基礎(chǔ)等技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[2]。灌注樁混凝土在凝結(jié)硬化過程中發(fā)生水化反應(yīng)，釋放大量熱量，同時(shí)體積收縮，誘發(fā)混凝土開裂[34]。灌注樁混凝土在凝結(jié)硬化過程中，樁周土體對(duì)其產(chǎn)生約束作用，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的約束應(yīng)力，從而影響混凝土質(zhì)量[5]。近年來，相關(guān)學(xué)者對(duì)早期混凝土水化作用以及熱力學(xué)特性展開了相應(yīng)的研究。孔綱強(qiáng)等探討了現(xiàn)澆混凝土灌注樁施工活動(dòng)對(duì)地層溫度變化的效應(yīng)；陳趙育等8則針對(duì)凍土區(qū)域，開展了現(xiàn)澆混凝土灌注樁體溫度特性的專項(xiàng)研究；方金城等通過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析，聚焦群樁與單樁的熱力特性，歸納了土層溫度對(duì)樁身約束應(yīng)力及樁基水化熱消散機(jī)制的影響，并進(jìn)一步探討了群樁效應(yīng)在水化熱消散及其影響范圍中的規(guī)律性表現(xiàn);王天賜等[10]創(chuàng)新性地于現(xiàn)場樁基混凝土中嵌入換熱管，并構(gòu)建循環(huán)換熱系統(tǒng)，實(shí)測水化熱導(dǎo)致的溫度和應(yīng)變變化，從而揭示了換熱管對(duì)樁身水化熱溫度場與應(yīng)力場的調(diào)控機(jī)理。此外，魏明暢等[11依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，詳細(xì)討論了回填土地基條件下，樁承臺(tái)混凝土水化熱對(duì)樁體及其鄰近土層的綜合作用效應(yīng)。YOU等[12]通過在現(xiàn)場對(duì)單根CFG 樁基澆筑后的水化作用及其引起的樁身溫度變化進(jìn)行監(jiān)測，并從中總結(jié)出變化規(guī)律。然而，已有研究主要針對(duì)特殊環(huán)境下早齡期混凝土的水化進(jìn)程及其樁身應(yīng)力發(fā)展規(guī)律，而將涂層法應(yīng)用于灌注樁時(shí)混凝土硬化期的熱力響應(yīng)研究較為鮮有。

因此，本文針對(duì)西南地區(qū)某一棄土場內(nèi)的大直徑樁，鑒于后期施工、堆載或填土可能導(dǎo)致的土體沉降問題，采用涂層法以減輕樁身所受的負(fù)摩阻力。通過現(xiàn)場監(jiān)測混凝土澆筑后的水化熱散失過程，研究混凝土灌注樁的溫度和樁身應(yīng)變的變化，從而揭示了早齡期混凝土的水化過程及其樁身應(yīng)力的演變規(guī)律，可為其他類似工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

以西南地區(qū)某棄土場內(nèi)橋墩樁基為研究對(duì)象。試驗(yàn)段場地土層厚度為 5～20m ，最大厚度達(dá)到

23m 。該棄土場主要由灰?guī)r黏土等松散物質(zhì)組成，未經(jīng)夯實(shí)處理，施工擾動(dòng)和暴雨等因素可能導(dǎo)致棄土場下沉和垮塌，對(duì)橋梁樁基礎(chǔ)施工和承載力產(chǎn)生不利影響。

現(xiàn)場巖土層自地表向下依次為棄土、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r夾泥巖及中風(fēng)化灰?guī)r夾泥巖。棄土層雜色，含黏土、填土與碎塊石，源于貴黃高速建設(shè)棄土，結(jié)構(gòu)松散。強(qiáng)風(fēng)化層灰黃色，薄至中厚層，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎，巖芯多為短柱、塊狀。中風(fēng)化層灰色，層狀薄至中厚，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體完整性中等，巖芯呈柱、塊、餅狀。各層巖土的承載力見表1所示。

2 試樁概況

試驗(yàn)樁基為某高速公路橋墩樁基礎(chǔ)，坐落于棄土場內(nèi)，為沖孔灌注樁，樁長 18.5m 樁徑 1.8m ，嵌入中風(fēng)化灰?guī)r夾泥巖 11.5m 。樁身混凝土為普通硅酸鹽P.042.5水泥的C30水下混凝土，坍落度為 180±220mm 。

為了測試施工過程以及后續(xù)棄土場沉降期樁身內(nèi)力，在鋼筋籠對(duì)稱布置混凝土應(yīng)變計(jì)。該應(yīng)變計(jì)選用JMZX-215HAT埋入式智能弦式應(yīng)變計(jì)。其為新型智能記憶溫度型應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變測量量程為±1 500με ，精度為 0.1% F.S.，分辨率為 0.03% F. S. （ $＼textsc { l } ＼mu ＼varepsilon ＼$ ），適用環(huán)境溫度為 -40～80^qC ，測溫精度 ±0.5% ，測溫范圍 -20～80^°C 。采用扎絲對(duì)稱固定，共12個(gè)應(yīng)變計(jì)分布于鋼筋籠內(nèi)側(cè)的6個(gè)不同深度（距樁頂分別為 1、3、5、8.5、13 和 17.5m ）。

此外，為消減棄土場沉降（后期施工、堆載等原因引起）在樁身產(chǎn)生的負(fù)摩阻力，在填土段，設(shè)計(jì)制作了負(fù)摩阻力消減裝置（如圖1所示），其核心是利用瀝青的潤滑特性[13-14]來減少樁基負(fù)摩阻力。具體而言，該裝置外側(cè)涂覆 1cm 厚瀝青材料，以實(shí)現(xiàn)良好的防護(hù)和隔離效果，減少不利因素對(duì)樁基的影響。預(yù)先采用特定直徑的鋼筋進(jìn)行重疊并間隔一定距離焊接至鋼筋籠的縱向鋼筋之上，旨在確保在澆筑混凝土?xí)r，能夠形成一定厚度的混凝土保護(hù)層。將負(fù)摩阻力消減裝置牢固地綁扎于預(yù)留混凝土保護(hù)層的鋼筋之上，以確保其在后續(xù)施工過程中的穩(wěn)定性。將整體放入沖孔中，確保其緊貼樁孔的孔壁，再進(jìn)行澆筑混凝土成樁等施工工作。

試驗(yàn)樁基于2023年7月16日12：25澆筑完混凝土，隨后立即采集樁基混凝土溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)。為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，溫度采集時(shí)間保持恒定以排除環(huán)境干擾。混凝土澆筑初期 32h 內(nèi)，鑒于溫度波動(dòng)顯著，采樣頻率設(shè)定為每 采集一次數(shù)據(jù)。隨著樁基混凝土的溫度逐漸趨于穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集的頻率相應(yīng)調(diào)整為每 24h 一次，以便于研究樁基早齡期混凝土的水化進(jìn)程及其樁身應(yīng)力演化規(guī)律。整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程歷時(shí) 24d 。

3 測試結(jié)果與分析

3.1樁基混凝土早齡期熱量消散過程

混凝土水化期間，高能量不穩(wěn)定礦物與水反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為低能量穩(wěn)定水化產(chǎn)物，并伴隨顯著放熱現(xiàn)象[15-16]。澆筑后的24d 內(nèi)，試驗(yàn)樁基溫度隨時(shí)間的變化曲線見圖2，揭示樁身不同位置處的溫度隨時(shí)間變化呈現(xiàn)一致性。具體而言，溫度在混凝土澆筑后 24h 左右達(dá)到峰值，標(biāo)志著此時(shí)水化作用最為活躍，隨后水化反應(yīng)強(qiáng)度減弱，溫度進(jìn)入快速下降期，繼之以緩慢降溫階段。樁基早齡期混凝土溫度演變過程可分為：迅速升溫、快速降溫和緩慢降溫。該3個(gè)階段對(duì)應(yīng)的時(shí)長分別為 0～24h 、24～320h 和 320～600h 。

在迅速升溫階段，隨著試驗(yàn)樁基混凝土澆筑作業(yè)完成，各個(gè)深度處的混凝土溫度均達(dá)到最大值。

其中，埋深 1m 處的峰值溫度最高，達(dá)到了 58.9^qC ，累積升溫幅度為 27.9°C ；最低的峰值溫度為埋深17.5m 處的 53.9°C ，累積升溫幅度為 22.3°C 。試驗(yàn)樁基樁體不同深度處樁體混凝土溫度最大值分布不同，具體見表2。受西南地區(qū)強(qiáng)烈太陽輻射影響，地表附近土壤溫度直接受熱，導(dǎo)致溫度上升。與此同時(shí)，相較于混凝土水化過程中產(chǎn)生的熱量的放熱過程，大氣對(duì)樁頂部土壤的散熱效果并不明顯。太陽輻射使得土壤表面溫度升高，但周圍空氣溫度相對(duì)較低，導(dǎo)致熱對(duì)流作用有限。此外，西南地區(qū)的特殊地理與氣候特征導(dǎo)致大氣中水汽含量偏低，空氣濕度較小，其進(jìn)一步降低了大氣的對(duì)流散熱效率。在樁基底部附近，地下半無限空間土體的影響使得熱量主要通過熱傳導(dǎo)途徑釋放，且熱量傳遞遵循從高溫向低溫區(qū)域的方向，因而散熱速率相對(duì)較高。然而，隨著深度的減小，熱量的消散效果逐漸降低，特別是在樁頂區(qū)域，熱量的消散面積最小，因此熱量積聚現(xiàn)象更為顯著，導(dǎo)致樁頂溫度最高。

在快速降溫階段，隨著水化反應(yīng)的衰減，試驗(yàn)樁基不同深度處的混凝土溫度均呈現(xiàn)下降趨勢。具體而言，埋深 8.5m 處樁身混凝土溫度降幅最為顯著，從 54.8‰ 下降至 29.9^qC ；埋深 3m 處樁身混凝土溫度降幅最小，僅從 57.8°C 下降至 36.8^°C 。在此期間，樁身混凝土水化過程中產(chǎn)生的熱量逐步向樁周土體散失。

繼快速降溫階段之后，進(jìn)入緩慢降溫階段，試驗(yàn)樁基樁體混凝土溫度在不同深度處持續(xù)以較低的速度下降，溫度降幅普遍較小，最大降幅為 6.1^9C ，最小降幅為 2.6°C 。此階段標(biāo)志著混凝土水化反應(yīng)逐步趨于完成。

此外，由設(shè)有負(fù)摩阻力消減裝置的樁段（1＼～5m ）的混凝土水化熱分布情況與嵌巖段水化熱分布情況進(jìn)行對(duì)比可知，樁基嵌巖段與負(fù)摩阻力消減段在迅速升溫、快速降溫和緩慢降溫三個(gè)階段中的分布規(guī)律相同。然而，經(jīng)過快速降溫和緩慢降溫兩個(gè)階段后，樁基嵌巖段的混凝土水化熱溫度低于樁基負(fù)摩阻力消減段的混凝土水化熱溫度。這表明，當(dāng)樁的中下部嵌入巖王層時(shí)，巖土層能夠加快水化熱在樁周土中的耗散過程。正如文獻(xiàn)［17]所指出的，具有高導(dǎo)熱系數(shù)的巖土層能夠更有效地傳導(dǎo)水化熱，導(dǎo)致樁周土體中溫度梯度增大，進(jìn)而提升了熱量的傳輸效率。

在淺層巖土體（ lt;200m 深度）中，存在兩個(gè)不同的溫度分布層：一是受氣候溫度波動(dòng)影響的變溫層（約 10m 深度范圍）；二是不受氣候溫度波動(dòng)影響的恒溫層（ 10～200m 深度范圍）[18]。在混凝土灌注樁的水化硬化階段，地層溫度對(duì)其作用顯著，導(dǎo)致水化熱釋放速率減緩，進(jìn)而引起樁體內(nèi)部溫度的顯著升高，內(nèi)部溫度峰值可能達(dá)到50＼～60℃[6]。試驗(yàn)樁基各齡期樁身溫度變化規(guī)律曲線如圖3所示。負(fù)摩阻力消減樁段存在于淺層巖土體的變溫層中，相比于恒溫層，樁基混凝土水化熱對(duì)變溫層的熱擾動(dòng)要略大，這與文獻(xiàn)[9]中提及水化熱對(duì)變溫層的熱擾動(dòng)小于恒溫層的結(jié)論有所差別，這可能是負(fù)摩阻力消減裝置對(duì)瀝青材料具有一定的隔熱效果，降低了變溫帶內(nèi)水化熱的消散速度。隨著深度的增加，變溫層的溫度升幅會(huì)相應(yīng)的減小；恒溫層內(nèi)，不同深度的溫度升幅較為接近，因?yàn)楹銣貛?nèi)的溫度變化相對(duì)較小。在樁身嵌巖段，由于存在半無限大、相對(duì)低溫的巖層，其冷卻效應(yīng)類似于大氣降溫，致使樁身在特定區(qū)域內(nèi)展現(xiàn)出與變溫層相

似的溫度變化規(guī)律。

3.2樁基混凝土早齡期熱力特性

3.2.1 樁身應(yīng)變

在混凝土初期固化階段，不僅伴隨著顯著的熱量釋放，還伴隨著體積的變化。當(dāng)這些體積變化受到周圍環(huán)境或結(jié)構(gòu)的限制時(shí)，會(huì)產(chǎn)生約束應(yīng)力，進(jìn)而對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)完整性造成影響。由于混凝土澆筑之后便立即進(jìn)人固化過程，因此會(huì)經(jīng)歷由溫度降低引起的溫度收縮、化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的化學(xué)收縮、材料自身的自收縮，以及水分蒸發(fā)造成的干燥收縮等不同類型的收縮現(xiàn)象。當(dāng)這些收縮效應(yīng)遭遇限制條件時(shí)，可能會(huì)引起應(yīng)力的高度集中[19]，從而對(duì)混凝土的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。樁基混凝土溫度與應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，負(fù)摩阻力消減樁段出現(xiàn)了顯著的膨脹變形。與嵌巖段相比，在樁體埋深1、3和5m 處，當(dāng)混凝土水化熱逐漸降低時(shí)，試驗(yàn)樁基產(chǎn)生了顯著的壓縮變形，其歸因于混凝土樁體在水化初期階段，經(jīng)歷先受熱膨脹后收縮變形。

在水化初期，水化熱的釋放導(dǎo)致樁體內(nèi)部溫度上升，引起熱膨脹并在混凝土內(nèi)部形成壓縮應(yīng)力。隨著混凝土硬化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)固，水化反應(yīng)減緩，溫度下降，混凝土開始收縮。由于樁端和樁側(cè)摩阻力的限制，混凝土在收縮過程中受限，從而產(chǎn)生收縮變形。然而，由于巖層的影響以及樁基負(fù)摩阻力消減裝置的存在，內(nèi)部混凝土所受的樁側(cè)摩阻力的約束作用被削弱。因此，相較于膨脹變形值，樁基混凝土的收縮變形值顯得更為微小。

圖5展示了不同齡期樁基混凝土應(yīng)變隨深度的變化規(guī)律。從圖5中可見，樁基應(yīng)變值在不同深度呈現(xiàn)出顯著不同，其差異主要源于溫度變化的差異和樁體在不同部位的約束條件所引起的。在負(fù)摩阻力消減樁段，隨著深度的增加，樁體所經(jīng)歷的拉伸形變呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。樁頂上部無荷載作用使其所受約束條件相對(duì)較低，因此該區(qū)域的約束應(yīng)變亦相對(duì)較小。此外，樁頂區(qū)域熱量積累較多，散熱效率不高，導(dǎo)致溫度下降緩慢，從而使得拉伸應(yīng)變相對(duì)較小。隨著深度的增加，熱量的消散效率提升，溫度下降速度加快，導(dǎo)致拉伸應(yīng)變逐漸增大。特別地，在負(fù)摩阻力消減樁段中部，由于受到樁端以及樁側(cè)摩阻力約束的影響，使得其約束應(yīng)變達(dá)到最大值。而在樁基嵌巖段，由于樁體兩側(cè)受到巖石層以及樁端的約束作用，其產(chǎn)生的拉應(yīng)變會(huì)相應(yīng)減小。

3.2.2 樁身應(yīng)力

混凝土的凝結(jié)與硬化過程涉及一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，其中包括水分的蒸發(fā)、水泥的水化作用，以及骨料與水泥漿體間的相互作用機(jī)制[10]在這一過程中，混凝土從塑性流動(dòng)狀態(tài)向固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變，逐漸失去流動(dòng)性并開始硬化和強(qiáng)度增長。其內(nèi)部水分逐漸蒸發(fā)，水泥顆粒與水反應(yīng)形成硬化的水泥石，進(jìn)而賦予混凝土其最終強(qiáng)度。硬化過程中，混凝土的變形特征為先膨脹后收縮，這是由于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹，隨后被水分蒸發(fā)和硬化收縮所替代。

在混凝土受到鄰近結(jié)構(gòu)或環(huán)境的約束而進(jìn)入約束狀態(tài)后，其發(fā)生的形變將受到一定程度的制約。根據(jù)這些形變是否導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力，可將其劃分為無害變形和有害變形[9]。具體而言，混凝土初凝前發(fā)生的變形屬于無害范疇，而初凝后出現(xiàn)的變形則被視為有害變形。侯東偉等[20]通過開展變形試驗(yàn)和貫入阻力法測試，測定確定了C30混凝土的初凝時(shí)間分別為 703min 和 685min 。

無害變形通常不會(huì)導(dǎo)致明顯的應(yīng)力，而有害變形則可能對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部造成裂縫或破壞。此類有害變形主要包括四類，分別為溫度變形、干燥收縮、自身收縮以及碳化收縮[19]。溫度變形是由于混凝土內(nèi)部與外部的溫差所引起，有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或損壞。干燥收縮是混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)的結(jié)果，而自身收縮則是混凝土硬化過程中體積的自然變化。碳化收縮則是由于混凝土中的碳化作用所引起，可能會(huì)降低其強(qiáng)度和耐久性。其中，碳化收縮主要出現(xiàn)在長期使用的混凝土中，而干燥收縮的影響隨著混凝土齡期的增長而逐漸減弱。鑒于混凝土結(jié)構(gòu)整體暴露面積有限，其干燥收縮效應(yīng)相對(duì)微弱，且與外界水分的交換有限。基于此，本研究認(rèn)為溫度變形是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生約束應(yīng)力的主要因素。

隨著混凝土齡期的增長，其初始彈性模量亦隨之發(fā)生適應(yīng)性變化。《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB50496—2018）[21]中提供了相關(guān)推導(dǎo)，據(jù)此可得出早期混凝土彈性模量計(jì)算公式：

E（t）=βE₀（1-e^-φt）

式中： E（t） 為混凝土齡期某時(shí)刻 χ_t 的彈性模量； χ_t 為混凝土齡期； E₀ 為混凝土 28d 齡期時(shí)彈性模量，對(duì)于C30混凝土，其值取為 30GPa ： φ 為取值系數(shù)，可根據(jù)所采用混凝土試驗(yàn)確定，此處取值為0.09; β 為因不同摻合料含量導(dǎo)致的彈性模量調(diào)整系數(shù)，取為1.0。

隨著溫度的降低，樁體將經(jīng)歷收縮變形，在無約束的條件下，混凝土的溫度變形可表示為

ε_free=αΔT

式中： ε_free 為自由約束時(shí)樁身軸向應(yīng)變； α 為混凝土的熱膨脹系數(shù)，其數(shù)值取為 10^-5/^°C ΔT 為樁身溫度變化值。

鑒于樁體與周圍土體以及樁端之間的橫向限制和約束效應(yīng)，樁體在收縮過程中無法達(dá)到完全的自由狀態(tài)。因此，樁體內(nèi)部由此產(chǎn)生的軸向約束應(yīng)力可用以下公式表達(dá)：

σ_T=E（t）（ε-ε_free）

式中： σ_T 為約束應(yīng)力， MPa ，拉應(yīng)力為正； ε 為實(shí)際應(yīng)變值。

在灌注樁混凝土硬化階段，樁體自身形變所誘發(fā)的約束應(yīng)力不容忽視，該應(yīng)力可能引發(fā)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉伸裂縫[10]。參照《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB50496—2018）[21]混凝土抗拉性能與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)聯(lián)性可通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

f_tk（t）=f_tk（1-e^-γt）

式中： f_tk（t） 為混凝土齡期為 χ_t 時(shí)的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值， MPa f_tk 為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值， MPa ;對(duì)于C30混凝土，其值取為 2.01MPa;γ 為取值系數(shù)，取值為0.3。

混凝土的抗裂性能評(píng)估可依據(jù)以下公式：

式中： σ_Z 為抗裂強(qiáng)度容許值， MPa ： K 為防裂安全系數(shù)，取值為1.15。

在混凝土樁的早期齡期變形階段，溫度變形是主要的變形機(jī)制，其歸因于混凝土在硬化的早期階段內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和物理變化，如水泥的水化反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，其會(huì)導(dǎo)致混凝土溫度上升，進(jìn)而引發(fā)其體積的膨脹變形。在此階段，混凝土的物理狀態(tài)和溫度波動(dòng)直接影響到樁體的應(yīng)力分布。如圖6所示，樁基混凝土澆筑初期，其彈性模量較低，表明尚未完全硬化，處于塑性狀態(tài)。此時(shí)，由于混凝土的強(qiáng)度不足，其對(duì)樁-土間和樁端的約束影響力較弱，進(jìn)而使得混凝土內(nèi)部所產(chǎn)生的約束應(yīng)力水平相對(duì)較低。然而，隨著混凝土逐步硬化，其內(nèi)部的水化反應(yīng)會(huì)釋放更多的熱量，導(dǎo)致混凝土的溫度不斷上升。由于溫度的升高，混凝土?xí)l(fā)生膨脹變形。在此過程中，樁側(cè)土體、巖層及樁端對(duì)樁體的約束效應(yīng)促使混凝土內(nèi)部形成壓應(yīng)力。隨著水化熱的消散，其作用逐漸減弱使得混凝土溫度下降，體積隨之收縮，產(chǎn)生收縮變形。該收縮變形在樁側(cè)土體、巖層及樁端的約束下，導(dǎo)致內(nèi)部壓應(yīng)力逐漸降低，并逐步轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力。隨著混凝土的進(jìn)一步硬化，彈性模量逐漸提升，而溫度持續(xù)下降。在此過程中，混凝土持續(xù)產(chǎn)生收縮變形，樁側(cè)土體、巖層及樁端的約束作用亦逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致內(nèi)部約束應(yīng)力不斷增大，可能對(duì)樁體穩(wěn)定性造成影響。

為了確保混凝土樁基的安全性，需要對(duì)其抗裂縫性能進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)規(guī)范[21]，試驗(yàn)樁在早齡期產(chǎn)生的約束應(yīng)力均未超過抗裂強(qiáng)度允許值 σ_Z ，表明在此條件下，混凝土樁基的抗裂性能符合要求，不會(huì)因約束應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂縫。

圖7揭示了試驗(yàn)樁基混凝土在不同齡期下約束應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律。在樁體混凝土澆筑完成后，樁體所受約束應(yīng)力會(huì)隨著齡期的增長而呈現(xiàn)不同的變化特征。具體而言，樁頂部分由于其與外界環(huán)境接觸，會(huì)經(jīng)歷較為顯著的熱積聚效應(yīng)，且熱量的散失速率相對(duì)緩慢，導(dǎo)致該區(qū)域溫度降低的速度較為遲緩，使得在樁頂部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的約束應(yīng)力體現(xiàn)為壓應(yīng)力。進(jìn)一步地，隨著深度的增加，在負(fù)摩阻力消減樁段的更深層區(qū)域中，混凝土隨著齡期的增長而逐漸硬化和增強(qiáng)，從而引發(fā)其物理性質(zhì)的時(shí)變特性。在初始階段，水泥水化過程導(dǎo)致混凝土體積膨脹，并伴隨著壓應(yīng)力的產(chǎn)生。然而，隨著時(shí)間的推移，水泥水化反應(yīng)速率逐步下降，導(dǎo)致混凝土開始表現(xiàn)出收縮效應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生拉應(yīng)力。此外，在嵌入巖層的樁體部分，由于強(qiáng)、中風(fēng)化灰?guī)r夾泥巖的熱消散性能相較于負(fù)摩阻力消減樁段更為優(yōu)越，使得該區(qū)域的熱量消散效果顯著優(yōu)于負(fù)摩阻力消減樁段。因此，在嵌巖段，混凝土所受的約束應(yīng)力會(huì)相應(yīng)減小。

4結(jié)論

1）樁基早齡期混凝土溫度變化過程可分為3個(gè)階段：迅速升溫、快速降溫和緩慢降溫。樁基嵌巖與未嵌巖且涂有瀝青材料樁段在不同升降階段的溫度變化規(guī)律保持一致。但在經(jīng)歷快速和緩慢降溫后，嵌巖段的混凝土水化熱溫度較低。

2）未嵌巖且涂有瀝青的樁段，水化熱降低期間出現(xiàn)了顯著收縮變形。早齡期混凝土水化期間，樁體經(jīng)歷先膨脹后收縮變形。初期水化熱致使樁體內(nèi)部溫度升高，引起膨脹變形；而隨著混凝土硬化，水化熱逐漸減弱，溫度降低，樁體隨之發(fā)生收縮變形。

3）在未嵌入巖層的瀝青涂覆樁段，隨著深度增加，初始階段水化作用使混凝土膨脹，產(chǎn)生壓應(yīng)力；而后期水化速率減小，混凝土收縮，產(chǎn)生拉應(yīng)力。相比而言，嵌巖段的樁體得益于所處巖體優(yōu)良熱量消散特性，其約束應(yīng)力相對(duì)較小。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

An Experimental Study on the Thermal Response Characteristics of Cast-in-Place Pile Concrete Hardening

QIN Guifang'， ZHANG Tengteng2，LI Zhao1，XIE Qinjian’，NIE Rusong 2 （1.Guizhou Roadamp; Bridge Group Co.，Ltd.，Guiyang 550001，China;2.School of Civil Engineering， Central South University，Changsha 41OO75，China）

Abstract：During the initial hardening process of cast-in-place pile concrete，the heat release of hydration reaction may lead to initial deformationand constraint stressof pile foundation，and then affect the bearing capacityof pile foundation.At present，there are few studies on the thermal response characteristics of concrete during hardening when the coating method isappliedto cast-in-place piles.In this study，by applying the coating method ona large diametercast-in-place pile in spoil ground，thefield testof hydration heat disipation of early age concrete was carried out，and the changes of hydration heat temperature and heat-induced strain were measured.The results show that the temperature change of early age pile foundation concrete has experienced three stages： rapid temperature rise，rapid temperature drop and slow temperature drop. The temperature change trend of rock-socketedpile foundation is consistent with thatof non-rock-socketed pile foundationwith asphalt material on itssurface，but after rapid and slow cooling，the hydration heat temperature of concrete in rocksocketed pile foundationisrelatively low；For thenon-rock-socketedasphalt-coated pile section，with the increase ofdepth，the hydration in the initial stage makes the concrete expand and produces compresive stress; In the later stage，the hydration rate decreases，and the concrete shrinks，resulting in tensile stress；However， due to the excelent heat dissipation characteristics of rock mass，the constraint stress of pile in rock-socketed section is relatively small.The research results can provide reference for the analysis of hydration heat process of early age concrete and stress evolution of pile bodies in similar projects.

Keywords： punched cast-in-place pile；coating method; concrete;hydration heat； constraint stress；field test