水下桩基混凝土早期强度预测模型及护筒拆除龄期研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1039

摘要/Abstract

摘要：

现有检测手段难以检测水下桩基护筒内混凝土实际强度，未能对水下桩基混凝土抗压强度进行准确评估。为揭示水下桩基混凝土的早期抗压强度发展规律，本研究利用自主研发的控温自平衡加压养护装置对水下桩基环境进行模拟，开展了不同自重高度、养护温度、养护龄期对桩基混凝土早期抗压强度的影响试验。结果表明：与标准养护相比，模拟水下养护7 d的混凝土试件抗压强度提高6.56%；养护龄期是影响桩基混凝土早期抗压强度的主要因素，养护温度次之，自重高度影响相对较弱；延长养护龄期能提高养护温度对水下桩基混凝土抗压强度的改善效果；基于成熟度理论建立了水下桩基混凝土早期强度预测模型，预测值与实测值相对误差在7.0%以内，结合平昭高速桂江特大桥工程案例，可将护筒拆除龄期从17 d缩短到5 d。研究结果为水下桩基早期承载力评估与施工决策提供可靠依据。

关键词: 桩基混凝土, 早期抗压强度, 水下养护, 加压养护, 成熟度理论, 预测模型

Abstract:

Existing testing methods are difficult to monitor the actual strength of concrete in underwater pile foundation casing and fail to accurately evaluate the compressive strength of underwater pile foundation concrete. To reveal the early compressive strength development law of underwater pile foundation concrete， this study used the independently developed temperature control and self-balancing pressure curing equipment to simulate the underwater pile foundation condition and conducted the influences of different self-weight heights， curing temperatures and curing ages on the early compressive strength of pile foundation concrete. The results show that， compared with standard curing， the compressive strength of concrete specimens simulated underwater curing for 7 d is increased by 6.56%. Curing age is the main factor affecting the early compressive strength of pile foundation concrete， followed by curing temperature， and the influence of self-weight height is relatively weak. Prolonging the curing age improves the improvement effect of curing temperature on the compressive strength of underwater pile foundation concrete. Based on the maturity theory， a prediction model for the early age strength of underwater pile foundation concrete is established， with the relative error between predicted and measured values within 7.0%. Combined with the engineering case of the Guijiang Grand Bridge on the Pingzhao Expressway， the demolition age of the casing is shortened from 17 d to 5 d. The research results provide a reliable basis for the early bearing capacity evaluation and construction decisions of underwater pile foundation.

Key words: pile foundation concrete, early compressive strength, underwater curing, pressure curing, maturity theory, prediction model

中图分类号:

TU528

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图/表 13

表1 水泥的主要化学组成

Table 1 Main chemical composition of cement

Composition	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	K₂O	Na₂O	Loss
Mass fraction/%	16.22	4.20	3.07	57.18	1.08	2.04	0.53	0.13	3.46

表2 C30混凝土的配合比

Table 2 Mix proportion of C30 concrete

Material	Cement	Fly ash	Fine aggregate	Coarse aggregate	Water	Water reducer	Water-cement ratio
Mix proportion/（kg·m^-3）	338	60	814	1 037	171	3.98	0.51

图1 控温自平衡加压养护装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of temperature control and self-balancing pressure curing equipment

图2 瓣膜式模具示意图

Fig.2 Schematic diagram of valve mold

表3 正交试验因素水平

Table 3 Orthogonal test factor level

Level	A（self-weight height）/m	B（curing temperature）/℃	C（curing age）/d	Empty column
1	10	10	1	1
2	15	15	2	2
3	20	20	3	3
4	25	25	7	4

图3 水下桩基混凝土养护流程图

Fig.3 Curing flowchart of underwater pile foundation concrete

图4 养护温度20 ℃时不同龄期试件抗压强度

Fig.4 Compressive strength of specimens at different ages under a curing temperature of 20 ℃

表4 极差分析

Table 4 Range analysis

Parameter	Self-weight height	Curing temperature	Curing age	Empty column
K₁	113.6	95.0	50.9	114.2
K₂	121.5	108.8	118.2	114.5
K₃	117.2	123.6	136.6	118.3
K₄	119.1	144.0	165.7	124.4
k₁	28.4	23.8	12.7	28.6
k₂	30.4	27.2	29.6	28.6
k₃	29.3	30.9	34.2	29.6
k₄	29.8	36.0	41.4	31.1
R	2.0	12.2	28.7	3.5

图5 各影响因素对混凝土抗压强度的影响

Fig.5 Influences of various factors on compressive strength of concrete

表5 方差分析

Table 5 Variance analysis

Source of variation	Sun of square	Degree of freedom	Mean square	F	F threshold value	Significance
Factor A	8.343	3	2.781	0.46	F_0.01（3，3）=23.46 F_0.05（3，3）=9.28
Factor B	330.227	3	110.076	18.202		*
Factor C	1 780.903	3	593.634	98.162		**
Standard error	36.285	6	6.048
Total sum of square	2 155.758

图6 影响因素交互作用对混凝土抗压强度的影响

Fig.6 Influences of interaction factors on compressive strength of concrete

图7 水下桩基混凝土早期抗压强度与成熟度关系拟合曲线

Fig.7 Fitting curve of relationship between early compressive strength and maturity of underwater pile foundation concrete

表6 早期抗压强度预测模型的精度验证

Table 6 Accuracy verification of early compressive strength prediction model

M/（℃∙d）	Measured value/MPa	Predicted value/MPa	Relative error/%
30	13.24	13.77	3.89
60	24.86	23.26	6.84
90	28.44	27.71	2.64
210	32.50	33.83	3.94

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