橋梁樁基單樁儲(chǔ)熱與樁身力學(xué)特性模擬研究

張 寧 高利平 楊國(guó)梁

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

1 概述

路面積雪與結(jié)冰會(huì)給道路通行和行駛安全帶來(lái)嚴(yán)重的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),在冬季30%的交通事故受路面冰雪影響發(fā)生[1]。目前常用的清除路面積雪結(jié)冰方法是化學(xué)法。化學(xué)法主要依托化學(xué)融化劑,該法具有材料來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜、化冰雪效果好,可以起到防滑作用,曾經(jīng)被普遍應(yīng)用。但此法造成的污染巨大，對(duì)路面腐蝕嚴(yán)重，為此花費(fèi)的道路維護(hù)費(fèi)用帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。目前對(duì)融冰融雪方法的研究集中在熱融法。熱融法是采用加熱的方式使冰雪融化,主要有電纜加熱、導(dǎo)電混凝土或?yàn)r青以及循環(huán)熱流體方法[3，4]。近年來(lái)，美、日以及瑞典、冰島、挪威、波蘭等國(guó)家積極開(kāi)展道路地?zé)崛谘┗夹g(shù)研究。道路地?zé)崛谘┗夹g(shù)具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，適用于道路、高速公路、機(jī)場(chǎng)跑道等，受到許多研究機(jī)構(gòu)和單位的重視[5]。在當(dāng)今提倡綠色經(jīng)濟(jì)建設(shè)“美麗中國(guó)”的背景下，利用地?zé)崮苓M(jìn)行橋面除冰融雪是一種符合生態(tài)文明理念的融雪方式。本文使用有限差分軟件FLAC3D，建立單樁模型。然后通過(guò)初始地應(yīng)力的平衡，進(jìn)行樁基儲(chǔ)熱及樁身力學(xué)特性的模擬。再通過(guò)將樁基冬季儲(chǔ)熱得到溫度值代入橋面數(shù)值模擬中，做出力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的耦合。模擬呼和浩特市，冬季利用地?zé)崮軐?duì)橋面進(jìn)行除冰融雪的情況。

2 模型建立

研究樁基與土體傳熱的問(wèn)題時(shí)，可將樁視為線熱源[6]。在建立模型時(shí)，我們?cè)O(shè)定樁基直徑D=0.6 m,樁身長(zhǎng)L=20 m，模型水平邊界距樁中心的距離為3.3 m(5.5D)，模型豎向邊界距樁底的距離為5 m(1/4L)，取1/2模型進(jìn)行研究。

樁基的幾何模型用柱體網(wǎng)格cylinder，劃分土體的幾何模型用柱形隧道外圍漸變放射網(wǎng)格radcylinder。其中在樁基附近網(wǎng)格分布較密，這樣做是為了提高樁土接觸面的計(jì)算精度。模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為46 997，網(wǎng)格單元量為41 760，如圖1所示。

3 橋梁樁基單樁儲(chǔ)熱模擬

3.1 初始應(yīng)力平衡

本模型中，初始地應(yīng)力的生成采用更改強(qiáng)度參數(shù)的彈塑性解法。為避免計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)的屈服流動(dòng)，將粘聚力和抗拉強(qiáng)度設(shè)為最大值。當(dāng)計(jì)算達(dá)到平衡狀態(tài)后，再將粘聚力和抗拉強(qiáng)度改為該模型中分析所需的數(shù)值，最終計(jì)算至平衡狀態(tài)。

在計(jì)算初始地應(yīng)力時(shí)，將不平衡比率設(shè)置為1e-6。當(dāng)?shù)貞?yīng)力達(dá)到平衡時(shí)，認(rèn)為樁土已經(jīng)固結(jié)完成。此時(shí)，樁土位移及應(yīng)力分別如圖2，圖3所示。觀察圖2，圖3，初始地應(yīng)力平衡后，模型豎向位移云圖和豎向應(yīng)力云圖分布較均勻。其中豎向位移云圖中，樁土上部位移較大，下部位移較小，隨著深度的增加，樁體位移逐漸減?。回Q向應(yīng)力云圖中，樁土上部的應(yīng)力較小，下部應(yīng)力較大，隨著深度的增加，樁土豎向應(yīng)力越來(lái)越大，對(duì)于樁體，在埋深-10 m左右存在著明顯的拉應(yīng)力，樁體兩端為壓應(yīng)力。

3.2 土壤初始溫度的確定

在本模型中，為了簡(jiǎn)化分析，忽略了日溫度變化對(duì)地層的影響。主要考慮年溫度變化對(duì)地層的影響，得到地層某一深度下某點(diǎn)溫度，見(jiàn)式(1)[7]。

(1)

其中，τ為地表溫度開(kāi)始變化開(kāi)始計(jì)時(shí)間，h；Z為計(jì)算點(diǎn)埋深，地面Z=0；T(τ,Z)為特定時(shí)刻，Z處的溫度；Tm為地表年平均溫度；Aw為地表溫度年周期波幅。

由于恒溫層處于在地下15 m以下，因此在本模型中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們認(rèn)為樁基處于恒溫層，通過(guò)查閱呼和浩特地區(qū)有關(guān)淺層地?zé)崮苜Y料，得出呼和浩特地區(qū)土體溫度全年穩(wěn)定在10 ℃；在夏季樁基儲(chǔ)熱模型中，由青松等[8]對(duì)呼和浩特地區(qū)夏季地表溫度的研究，可知夏季呼和浩特地區(qū)裸地溫度為30 ℃，因此得到夏季橋面換熱管溫度為30 ℃，所以夏季樁基換熱管初始溫度應(yīng)設(shè)定在30 ℃。

4 橋梁樁基樁身力學(xué)特性模擬研究

4.1 橋梁樁基不同季節(jié)單樁儲(chǔ)熱模擬

4.1.1橋梁樁基冬季單樁儲(chǔ)熱模擬

通過(guò)樁基冬季單樁儲(chǔ)熱模擬，我們可以得出冬季樁身?yè)Q熱管的換熱量，最終得到橋面換熱管溫度。本模型中，設(shè)定冬季樁基多層土體溫度為10 ℃，樁體換熱管溫度為1 ℃。

圖4是樁基冬季在不同儲(chǔ)熱時(shí)間下的樁身?yè)Q熱管溫度圖。

如圖4所示，隨著樁基換熱埋管傳熱時(shí)間的增加，樁基換熱管溫度逐漸上升，在傳熱時(shí)間6 h～48 h內(nèi)，樁基換熱管溫度上升較快，在傳熱時(shí)間48 h～120 h內(nèi)，樁基換熱管溫度上升較慢。當(dāng)傳熱120 h傳熱溫度最大，樁基換熱管溫度穩(wěn)定在7.75 ℃。

4.1.2樁基夏季單樁儲(chǔ)熱模擬

在樁基夏季單樁儲(chǔ)熱模擬中，我們?cè)O(shè)定樁基多層土體溫度為10 ℃，樁體換熱管溫度為30 ℃。圖5是樁基夏季在不同儲(chǔ)熱時(shí)間下(1月、3月、5月、7月)的溫度圖。

如圖5所示，隨著樁基儲(chǔ)熱時(shí)間的增加，樁基傳熱半徑逐漸擴(kuò)大，其中在樁基儲(chǔ)熱時(shí)間較短的1月所對(duì)應(yīng)的傳熱半徑為3 m左右，其他儲(chǔ)熱時(shí)間下樁基傳熱半徑都大于3 m。

4.2 橋梁樁基傳熱溫度對(duì)樁身應(yīng)力和位移的影響

為了研究傳熱溫度對(duì)樁基力學(xué)特性的影響，我們?cè)O(shè)置了樁基換熱管在不同傳熱時(shí)間情況下傳熱溫度對(duì)樁基埋管換熱器的樁身應(yīng)力和樁身位移的影響。模型中，在為了可以更加直觀的研究不同傳熱時(shí)間對(duì)樁身應(yīng)力、位移的影響，在樁周土附近施加了大小為40 000 Pa，方向向下的應(yīng)力。

4.2.1樁基傳熱溫度對(duì)樁身應(yīng)力的影響

圖6分別為在傳熱時(shí)間1月、6月、12月下，不同傳熱溫度下的樁身豎向應(yīng)力圖，為了更加直觀研究傳熱溫度對(duì)能源樁樁身力學(xué)特性的影響，加入?yún)⒄战M傳統(tǒng)樁基的樁身豎向應(yīng)力圖。

由圖6可以看出，傳熱時(shí)間一定時(shí)，在樁身豎向拉應(yīng)力區(qū)段，隨著傳熱溫度的增加，這時(shí)樁身應(yīng)力曲線在減小。在樁身豎向壓應(yīng)力區(qū)段，隨著傳熱溫度的增加，樁身應(yīng)力曲線也在增加。其中當(dāng)傳熱時(shí)間為1個(gè)月，樁身主要受壓應(yīng)力，呈W線型。在距樁頂19 m處，樁身壓應(yīng)力達(dá)到最大值，隨著傳熱溫度的增加，樁身壓應(yīng)力越來(lái)越大。傳熱時(shí)間為6月、12月時(shí)，隨著距樁頂距離的增加，樁身逐漸出現(xiàn)拉應(yīng)力，在距樁頂10 m處，拉應(yīng)力最大，隨后拉應(yīng)力逐漸減小，樁身并出現(xiàn)壓應(yīng)力，約距樁頂18 m處，達(dá)到樁身壓應(yīng)力最大值。

4.2.2樁基傳熱溫度對(duì)樁身豎向位移的影響

圖7分別為在傳熱時(shí)間1月、6月、12月下，不同傳熱溫度下的樁身豎向位移圖，為了更加直觀研究傳熱溫度對(duì)能源樁力學(xué)特性的影響，加入?yún)⒄战M傳統(tǒng)樁基的樁身豎向位移圖。

由圖7可以看出，樁身豎向位移變化大致相同。隨著傳熱溫度的增加，樁身豎向位移也在增加。傳熱時(shí)間為1個(gè)月時(shí)，大約距樁頂0 m～8 m處，樁身豎向位移隨著傳熱溫度的增加而減小，8 m～20 m處，樁身豎向位移隨著傳熱溫度的增加而增加。傳熱時(shí)間為6月時(shí)，約距樁頂0 m～9 m處，樁身豎向位移隨著傳熱溫度的增加而減小，9 m～20 m處，樁身豎向位移隨著傳熱溫度的增加而增加。傳熱時(shí)間為12月時(shí)，距樁頂0 m～10 m處，樁身豎向位移隨著傳熱溫度的增加而減小，10 m～20 m處，樁身豎向位移隨著傳熱溫度的增加而增加。

5 結(jié)語(yǔ)

1)基于有限差分軟件FLAC3D，建立樁基單樁模型。先模擬呼和浩特地區(qū)冬季單樁儲(chǔ)熱，得出橋面樁基換熱管溫度穩(wěn)定在7.75 ℃；再模擬呼和浩特地區(qū)樁基夏季在不同儲(chǔ)熱時(shí)間下的溫度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)傳熱影響半徑在3 m左右。

2)研究了傳熱溫度對(duì)樁身應(yīng)力和樁身位移的影響，結(jié)果表明，隨著傳熱溫度的增加，樁身豎向拉應(yīng)力在減小，壓應(yīng)力在增大；樁身前半段豎向位移逐漸減小，樁身后半段豎向位移在逐漸增大。對(duì)于非能源樁，在不同樁基土固結(jié)時(shí)間下，樁身豎向拉應(yīng)力前半段樁身豎向位移一直處于最大值，壓應(yīng)力后半段樁身豎向位移處于最小值。