凍結(jié)水泥土攪拌樁溫度場(chǎng)數(shù)值分析

胡 俊，劉 勇，李玉萍

(1．海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，?？?70228;2．新加坡國(guó)立大學(xué)土木與環(huán)境工程系，新加坡肯特崗117576)

人工地層凍結(jié)凍土帷幕(墻)形成過(guò)程，是在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)低溫冷媒劑(鹽水)，通過(guò)凍結(jié)管與周圍地層不斷發(fā)生熱交換，開(kāi)始時(shí)在凍結(jié)管周圍形成凍土圓柱，隨著凍結(jié)管冷量的不斷供給，凍土圓柱不斷擴(kuò)展，相鄰凍土圓柱交圈后形成具有一定厚度凍土帷幕向兩邊擴(kuò)展。但人工凍結(jié)法施工后，使周圍地層產(chǎn)生凍脹融沉現(xiàn)象，對(duì)周圍環(huán)境來(lái)說(shuō)，使得土的工程性質(zhì)和相鄰建筑物受到不良影響，如造成地基失穩(wěn)，使鄰近建筑物產(chǎn)生傾斜、裂縫、嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致建筑物坍塌等事故，或使地下管線發(fā)生破壞等不良后果［1-2］。為了解決現(xiàn)有的人工凍結(jié)法施工后周圍地層產(chǎn)生凍脹融沉所引發(fā)不良后果的問(wèn)題，一種凍結(jié)水泥土攪拌樁應(yīng)運(yùn)而生。本文對(duì)這種凍結(jié)水泥土攪拌樁的施工工藝作一簡(jiǎn)單介紹，運(yùn)用有限元軟件對(duì)工字型截面凍結(jié)管單管凍結(jié)時(shí)水泥土的溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究，論證采用凍結(jié)水泥土攪拌樁施工的可行性，為今后類似工程設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

1 凍結(jié)水泥土攪拌樁

1．1 概 述

凍結(jié)水泥土攪拌樁由兩部分組成:第一部分為水泥土攪拌樁體;第二部分為插入水泥土攪拌樁中的凍結(jié)管。凍結(jié)管在樁體的中心部位或周圈設(shè)置有一根或數(shù)根，直徑通常為 89、108、127、146、159、168 mm，其底端位于樁體底端上方0．5～1 m。凍結(jié)管材質(zhì)通常為無(wú)縫低碳鋼管，也可以采用PVC、PPR、ABS和PE等塑料管;凍結(jié)管截面通常為圓形，也可以采用“工字形”、“X形”、“T形”、“Y形”等異形截面。

本工法在水泥土攪拌樁中實(shí)施凍結(jié)法，可有效地抑制凍脹融沉現(xiàn)象。同時(shí)，水泥土攪拌樁抗剪能力和抗彎能力不足，在水泥土攪拌樁中插入凍結(jié)管實(shí)施凍結(jié)，形成凍結(jié)水泥土攪拌樁，在保證地層承載力和防水性能的基礎(chǔ)上，既可以提高水泥土攪拌樁的抗剪能力和抗彎能力，也可減小水泥的使用量，節(jié)省了成本。本工法可以應(yīng)用于基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)進(jìn)出洞端頭的土體加固，以及地基處理工程中。本工法平面布置如圖1所示。

圖1 凍結(jié)水泥土攪拌樁平面布置圖Fig．1 Layout of frozen ground improved by deep cement mixing(1．Freezing pipe;2．Deep cement mixing soils)

1．2 施工工藝

凍結(jié)水泥土攪拌樁施工工藝流程如圖2所示。

圖2 凍結(jié)水泥土攪拌樁的施工工藝流程圖Fig．2 Construction procedure of frozen ground improved by deep cement mixing．

1．2．1 施工原理

每根水泥土攪拌樁施工完畢，隨即施工加筋材料。加筋材料選用凍結(jié)管，根據(jù)水泥土攪拌樁直徑來(lái)選擇。凍結(jié)管插設(shè)在樁體的中心部位，或者繞設(shè)在樁體中心部位的周圈設(shè)置，凍結(jié)管插入深度一般比外部水泥土攪拌樁短0．5～1 m。

凍結(jié)管必須在攪拌樁水泥土硬化前插入。選用的凍結(jié)管外表面必須通直光滑，先采用人工往樁中心壓入一部分凍結(jié)管，再利用樁機(jī)將凍結(jié)管剩余部分全部壓入水泥土中。加筋水泥攪拌樁施工完畢，挖除樁頭松散破碎的部分，露出20～30 cm凍結(jié)管管頭，沿樁頂將凍結(jié)管用鋼筋網(wǎng)連接，并用C20混凝土澆筑成鎮(zhèn)口板。

1．2．2 注意事項(xiàng)

(1)凍結(jié)管必須在攪拌樁機(jī)鉆桿提出后立即插入，以保證在水泥土未凝結(jié)之前完成。

(2)凍結(jié)管接頭采用螺紋加焊接，抗拉強(qiáng)度不低于母管的75%。

(3)凍結(jié)管插入前要先配管，保證凍結(jié)管同心軸線重合，焊接時(shí)，焊縫要飽滿，保證凍結(jié)管有足夠強(qiáng)度，以免拔管時(shí)凍結(jié)管斷裂。

(4)凍結(jié)管插入完畢后，用木塞等封堵管口，以免異物掉進(jìn)凍結(jié)管。

2 溫度場(chǎng)數(shù)值模型的建立

2．1 基本假定

假定水泥土具有均勻的初始溫度場(chǎng)，初始溫度由于水泥水化熱的影響取35℃;水泥土視為均質(zhì)、熱各向同性體;直接將溫度荷載施加到凍結(jié)管管壁上;忽略水分遷移的影響。

2．2 模型幾何尺寸

凍結(jié)管采用“工字形”凍結(jié)管，其尺寸如圖3所示。水泥土邊界為半徑1 m的半圓面，中心處布設(shè)“工字形”凍結(jié)管，凍結(jié)影響區(qū)域經(jīng)試算未超過(guò)該范圍。

圖3 “工字形”凍結(jié)管幾何尺寸示意圖 mmFig．3 Geometric size of I-shaped freezing pipes mm

2．3 模型參數(shù)選取

本文建立二維溫度場(chǎng)數(shù)值模型，選取9節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分格式，網(wǎng)格劃分后的計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分后模型及研究路徑示意圖Fig．4 Illustratcion of model size and mesh size with two paths

模型的材料參數(shù)見(jiàn)表1，依據(jù)為相關(guān)報(bào)告及試驗(yàn)［3-6］。模型中粘土水泥土材料采用熱傳導(dǎo)單元:各向同性，熱傳導(dǎo)率與時(shí)間相關(guān)，比熱容為常數(shù)。

凍結(jié)前地層初始溫度取35℃，并在整體模型邊界面上保持不變。凍結(jié)管管壁為熱荷載邊界，以鹽水溫度作為邊界荷載，凍結(jié)期間鹽水降溫計(jì)劃見(jiàn)表2。根據(jù)降溫計(jì)劃，取凍結(jié)時(shí)間步為40 d，每步時(shí)間長(zhǎng)為24 h。采用帶相變的瞬態(tài)導(dǎo)熱模型。

表1 土體材料參數(shù)Tab．1 Material parameters of soil

表2 鹽水溫度降溫計(jì)劃Tab．2 Cooling plan of brine temperature

2．4 研究路徑

為了更好地研究工字形凍結(jié)管單管凍結(jié)時(shí)水泥土中凍土帷幕的溫度場(chǎng)發(fā)展與分布規(guī)律，分別設(shè)置3條路徑和在路徑上的25個(gè)分析點(diǎn)，如圖4所示。路徑1和路徑2分別設(shè)置在水平和豎直的方向，每隔100 mm設(shè)置一分析點(diǎn);水平方向分析點(diǎn)為1～9號(hào)，豎直方向分析點(diǎn)為10～18號(hào);9和18號(hào)分析點(diǎn)離水泥土邊界100 mm。路徑3豎直設(shè)置在工字形凍結(jié)管邊緣，離腹板30 mm，每隔10 mm設(shè)置1個(gè)分析點(diǎn);19和25號(hào)分析點(diǎn)離翼緣10 mm。

3 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與分析

3．1 凍土帷幕溫度場(chǎng)等值線

不同凍結(jié)時(shí)間溫度場(chǎng)計(jì)算等值線如圖5所示。可以看出:工字形凍結(jié)管為非圓形截面，靠近凍結(jié)管的溫度等值線為非圓形，但是離凍結(jié)管越遠(yuǎn)其凍土帷幕溫度也是以凍結(jié)管為中心類似同心圓分布。隨著凍結(jié)時(shí)間的增加，凍土帷幕厚度逐漸增加，到凍結(jié)20 d時(shí)，-10℃凍土帷幕水平方向半徑發(fā)展到120 mm;到了凍結(jié)40 d時(shí)，-10℃凍土帷幕水平方向半徑達(dá)到180 mm。

圖5 不同凍結(jié)時(shí)間溫度場(chǎng)計(jì)算等值線Fig．5 Isotherm curves at different freezing time points in the temperature field．

3．2 路徑分析

3．2．1 路徑 1

路徑1設(shè)置在水平方向，每隔100 mm設(shè)置1個(gè)分析點(diǎn)，為1～9號(hào)分析點(diǎn)，9號(hào)分析點(diǎn)離水泥土邊界100 mm。路徑1上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖6所示?？梢钥闯觯拷鼉鼋Y(jié)管的1號(hào)分析點(diǎn)降溫最快，凍結(jié)5 d時(shí)溫度降到0℃;剩下各點(diǎn)離凍結(jié)管越遠(yuǎn)降溫越慢;4～9號(hào)分析點(diǎn)在降溫過(guò)程中溫度都在0℃之上，4號(hào)分析點(diǎn)在凍結(jié)40 d時(shí)溫度才降溫到0℃，說(shuō)明此時(shí)0℃的凍土帷幕水平方向半徑為400 mm。

圖6 路徑1上分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線Fig．6 Temperature change along Path 1 at different freezing time

圖7為路徑1上各點(diǎn)不同時(shí)間的溫度空間分布曲線。可以看出，路徑1上不同時(shí)間的溫度都是離凍結(jié)管越近溫度越低;降溫速度先快后慢，由鹽水降溫計(jì)劃所決定;凍結(jié)40 d時(shí)，4號(hào)分析點(diǎn)溫度才降溫到0℃以下，5～9號(hào)分析點(diǎn)溫度都在0℃以上。

圖7 路徑1上各點(diǎn)不同時(shí)間的溫度空間分布曲線Fig．7 Temperature change along Path 1 at different points

3．2．2 路徑 2

路徑2設(shè)置在豎直的方向，每隔100 mm設(shè)置1個(gè)分析點(diǎn)，為10～18號(hào)分析點(diǎn)，18號(hào)分析點(diǎn)離水泥土邊界100 mm。路徑2上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖8所示，不同時(shí)間的溫度空間分布曲線如圖9所示。可以看出:路徑2的降溫過(guò)程及規(guī)律與路徑1基本一致;路徑2各分析點(diǎn)的溫度總體上低于路徑1，說(shuō)明工字形凍結(jié)管豎直方向比水平方向降溫快，制冷效果更好;凍結(jié)40 d時(shí)，10～14號(hào)分析點(diǎn)溫度降到0℃以下，15～18號(hào)分析點(diǎn)溫度都在0℃之上，說(shuō)明此時(shí)0℃的凍土帷幕豎直方向半徑為500 mm。結(jié)合路徑1的分析，可知工字形凍結(jié)管所形成的凍土帷幕其實(shí)是呈橢圓形分布向外發(fā)展，豎直方向發(fā)展較快。

圖8 路徑2上分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線Fig．8 Temperature change along Path 2 at different freezing time

圖9 路徑2上各點(diǎn)不同時(shí)間的溫度空間分布曲線Fig．9 Temperature change along Path 2 at different points

3．2．3 路徑 3

路徑3豎直設(shè)置在工字形凍結(jié)管邊緣，離腹板30mm，每隔10 mm設(shè)置1個(gè)分析點(diǎn)，為19～25號(hào)分析點(diǎn)，19和25號(hào)分析點(diǎn)離翼緣10 mm。路徑3上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖10所示，不同時(shí)間的溫度空間分布曲線如圖11所示?？梢钥闯?19～25號(hào)分析點(diǎn)降溫過(guò)程幾乎一致，都是在凍結(jié)2 d時(shí)溫度就降到0℃以下，凍結(jié)5 d時(shí)溫度就降到-10℃以下，凍結(jié)40 d時(shí)溫度都降到-25℃以下;凍結(jié)初期，靠近翼緣的分析點(diǎn)降溫較快，到了凍結(jié)后期，各點(diǎn)溫度趨于一致。

圖10 路徑3上分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線Fig．10 Temperature change along Path 3 at different freezing time

圖11 路徑3上各點(diǎn)不同時(shí)間的溫度空間分布曲線Fig．11 Temperature change along Path 3 at different points

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)凍結(jié)水泥土攪拌樁的施工工藝作了簡(jiǎn)單介紹，運(yùn)用有限元軟件對(duì)工字型截面凍結(jié)管單管凍結(jié)時(shí)水泥土的溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究，主要得出:

(1)在水泥土攪拌樁中插入凍結(jié)管實(shí)施凍結(jié)，形成凍結(jié)水泥土攪拌樁，在保證地層承載力和防水性能的基礎(chǔ)上，既可提高水泥土攪拌樁的抗剪和抗彎能力，也可減少水泥用量，節(jié)省了成本。

(2)從溫度場(chǎng)等值線可知，靠近工字形凍結(jié)管的溫度等值線為非圓形，但離凍結(jié)管越遠(yuǎn)其凍土帷幕溫度是以凍結(jié)管為中心類似同心圓分布;凍結(jié)20 d時(shí)，-10℃凍土帷幕水平方向半徑發(fā)展到120 mm，凍結(jié)40 d時(shí)發(fā)展到180 mm。

(3)路徑1與路徑2的降溫過(guò)程及規(guī)律基本一致;凍結(jié)40 d時(shí)，0℃的凍土帷幕水平方向半徑為400 mm，豎直方向半徑為500 mm;工字形凍結(jié)管所形成的凍土帷幕呈橢圓形分布向外發(fā)展，豎直方向發(fā)展較快。

(4)路徑3上各點(diǎn)降溫過(guò)程幾乎一致，在凍結(jié)2 d時(shí)溫度降到0℃以下，5 d時(shí)溫度降到-10℃以下，40 d時(shí)溫度降到-25℃以下;凍結(jié)初期靠近翼緣的分析點(diǎn)降溫較快，凍結(jié)后期各點(diǎn)溫度趨于一致。

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