MJS加固試驗樁水化熱對溫度場影響研究

巢路鑫， 馮俊青， 楊 平， *， 石 鑫， 楊 寧， 鄭 盛

(1. 南京林業(yè)大學土木工程學院， 江蘇 南京 210037； 2. 中鐵三局集團華東建設有限公司， 江蘇 南京 211106)

0 引言

近年來，隨著我國城市軌道交通建設快速發(fā)展，不可避免地出現(xiàn)了新建車站下穿運營車站或下穿既有大型建筑物、構筑物等情況，這類下穿工程對既有隧道的安全帶來嚴峻考驗[1-3]。通常，在有敏感建(構)筑物的富水地層應用人工凍結法，需要在滿足止水要求的同時嚴格控制凍脹融沉[4-5]，水泥土改良后再進行人工凍結可有效抑制凍脹融沉。水泥含量越大，控制效果越好、強度越高，因此MJS(全方位高壓噴射注漿技術)+人工凍結聯(lián)合加固工法應用逐漸增多[6-8]。然而，當2種技術結合使用時，MJS產生的水化熱將影響人工凍結效果，導致積極凍結時間(即從凍結開始到達到凍土墻設計厚度與溫度的時間跨度)增加[7-8]。因此，應掌握MJS加固后水化熱引起的溫度變化規(guī)律，以便針對性開展人工凍結設計；根據(jù)溫度變化規(guī)律提出MJS加固后合理開始凍結時間(即凍結開凍時機)，為凍結工程的工期和費用控制提供依據(jù)。

已有不少學者對水化熱進行了深入研究，侯煒等[9]、郭子奇等[10]研究了大體積混凝土在水化熱反應過程中的內部溫度變化，發(fā)現(xiàn)水化放熱會產生溫度應力； 李潘武等[11]研究了澆筑溫度對大體積混凝土溫度應力的影響； 魏丁一等[12]、毋林林等[13]分別研究了聚羧酸高性能減水劑、不同配比粉煤灰膏體充填材料對水泥水化熱的影響； 李虹燕等[14]研究了粉煤灰、礦渣對水泥水化熱的影響。然而，上述水化熱研究主要集中在大體積混凝土水化熱分析和不同摻和料對水化熱的影響，而對水泥水化熱卻鮮有研究。MJS工法水泥質量摻量較高，均在40%以上，且因養(yǎng)護條件等有所不同，低摻量水泥土與高摻量水泥土的熱物理特性有明顯差異； 另外，MJS加固體形狀為半圓或全圓，與大體積混凝土水化熱同樣存在差異[15-16]，因此有必要進行水化熱溫度場研究。

本文針對南京地鐵7號線在富水承壓砂層下穿既有10號線中勝站工程，擬采用MJS加固+水平凍結加固方案，通常通過數(shù)值模擬來預測凍結開凍時機，而數(shù)值模擬結果的準確性依賴于準確的水化熱室內試驗數(shù)據(jù)。地鐵在富水承壓砂層密貼下穿既有車站施工在國內尚無經驗借鑒，因此在正式加固前須進行MJS試驗樁工程試驗。根據(jù)MJS水化熱室內試驗數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬計算試驗樁水泥土水化溫度，并進行現(xiàn)場實測，以驗證數(shù)值模擬的準確性。利用數(shù)值模擬預測正式加固時MJS加固體溫度場變化規(guī)律，以期為后期正式進行MJS加固施工及人工凍結方案設計提供參數(shù)依據(jù)。

1 MJS水化熱室內試驗

1.1 水化熱室內試驗材料

試驗所用土樣取自南京7號線新城科技園車站基坑，表1為土樣基本物理參數(shù)。試驗采用海螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，用水泥砂漿攪拌機制樣，試驗土樣按擾動土含水率25.63%進行配置，水泥漿按水灰比0.5配置。水泥漿配置完成后，按4種不同摻入比分別加入至擾動土中進行充分攪拌，水泥漿體的初始拌入溫度為20 ℃。

表1 試驗土樣物理參數(shù)

1.2 水化熱室內試驗方法

水化熱室內試驗主要研究不同水泥質量摻入比(40%、45%、50%、60%、70%)水泥土28 d水化放熱規(guī)律和放熱速率規(guī)律，并結合數(shù)值模擬推導實際工程中MJS水泥水化過程中加固體中心升溫情況。試驗儀器為水泥水化熱測定儀(SHR-6型)，通過直接法測定試樣的水泥水化熱。微機自動對水化熱數(shù)據(jù)進行采集記錄，并繪制曲線。

1.3 水化放熱速率分析

圖1示出硅酸鹽水泥水化放熱速率曲線。由圖可知，硅酸鹽水泥水化主要分為4個階段[14,17]： 階段Ⅰ預誘導期、階段Ⅱ水化誘導期、階段Ⅲ加速期和階段Ⅳ后加速期。

圖1 硅酸鹽水泥水化放熱速率曲線圖

試驗得出不同水泥質量摻入比水泥水化初期放熱速率隨齡期變化規(guī)律，如圖2所示。由圖可知，不同水泥質量摻入比水泥土的水化放熱趨勢大致相同。由于試驗持續(xù)時間較長，數(shù)據(jù)記錄間隔為0.5 h。水化反應前期水泥水化反應速率變快，放熱速率迅速提高，在達到最大后開始下降，此時水泥水化反應速率降低，進入后加速期。水泥土水化放熱速率的峰值隨水泥質量摻入比增大而提高，放熱速率峰值在2.23～3.41 J/(g·h)。其中，水泥質量摻入比70%的試樣比水泥質量摻入比40%加熱速率峰值高54.5%。

圖2 不同水泥質量摻入比水泥水化放熱速率與齡期關系曲線

不同水泥質量摻入比水泥土水化放熱速率均在水化15 h左右到達峰值。在水泥土水化反應過程中主要由水和水泥熟料發(fā)生水化反應，而粉細砂的礦物成分比較穩(wěn)定，不參加水化反應。水泥質量摻量對反應速率的影響較大，導致隨水泥質量摻入比增大水泥土水化放熱峰值提高。

圖3示出不同水泥質量摻入比水泥水化熱曲線。由圖可知，不同水泥質量摻入比水泥水化熱隨齡期增大而增大，水化熱增長速率先快后慢。不同摻入比的水泥水化熱在水化24 h內迅速提升，不同摻入比水泥水化熱的差異較小； 24 h后隨齡期增大，水泥水化熱差異逐漸顯現(xiàn)； 200 h后水泥水化熱隨齡期增長而緩慢增大。整個齡期過程中，水泥質量摻入比越大，水泥水化熱越大。在672 h(28 d)齡期時，70%水泥質量摻入比水泥土的水化熱為128.33 J/g，比40%水泥質量摻入比水泥水化熱大28.5%。水化前期水泥熟料反應劇烈，雖然在水化誘導期時反應速率較低，但水化誘導期持續(xù)時間較短，水化初期水泥水化熱增長較快。水化后期，水泥熟料含量下降，水化物C-S-H和CH等生成速率下降，反應熱較小，此時水泥水化熱隨齡期增長較緩慢。

圖3 不同水泥質量摻入比水泥水化熱曲線

2 MJS試驗樁方案和溫度實測研究

2.1 試驗樁場地選擇

由于中勝站在富水承壓砂層密貼下穿既有車站，且在國內尚無經驗借鑒，因此決定在與中勝站地層條件相同的新城科技園站進行MJS試驗樁試驗，通過數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)對比，分析MJS試驗樁溫度發(fā)展規(guī)律。

新城科技園站位于長江漫灘區(qū)，覆蓋層厚度大(56.4～57.7 m)，土層、巖層分布較均勻。水平MJS加固主要位于②-2b4淤泥質粉質黏土(軟—流塑)、②-3d3+c3粉細砂(稍密)為承壓含水層。新城科技園站采用明挖順作法(局部蓋挖)施工。車站主體基坑長494.5 m，標準段寬19.7 m，深17.05～17.35 m，在既有基坑內進行試驗樁試驗，有較好的場地條件。

2.2 MJS試驗樁方案與參數(shù)

2.2.1 試驗樁數(shù)量及布置

初步決定取2根MJS試驗樁，在粉細砂土層中施工半圓和全圓試驗樁各1根。

2.2.2 試驗樁參數(shù)

圖4為MJS試驗樁施工參數(shù)和水平埋設測溫點示意圖。試驗樁總共2根，根據(jù)中勝站實際下穿段開挖長度，確定全圓試驗樁長度為27 m，直徑為1.3 m，水泥質量摻量為45%；半圓試驗樁長度為27 m，直徑為2.2 m，沿縱向27 m分3段，每段水泥質量摻量分別是45%、50%、60%。

(a) MJS-2全圓試驗樁

2.2.3 試驗樁溫度監(jiān)測

待MJS試驗樁施工完成養(yǎng)護7 d后，水平沿樁長在直徑1/2位置處鉆孔埋設測溫點，測溫點間距3 m，MJS-2全圓試驗樁為同一水泥質量摻入比45%，設置5個測溫點。MJS-1半圓試驗樁為3種水泥質量摻入比(45%、50%、60%)，設置7個測溫點，其中，測點C1-1—C1-3在摻量60%段，測點C1-4—C1-6在摻量50%段，測點C1-7在摻量45%段。圖5為現(xiàn)場施工圖。測溫采用銅-康銅熱電偶測溫，測溫精度為0.1 ℃。測溫點隨PVC測溫管埋入設定位置。布線之前對測溫線進行標定，采用VC890D數(shù)顯式電工萬用表，根據(jù)現(xiàn)場實測所得電壓值換算得到MJS加固體的實際溫度，最后根據(jù)溫度與時間的關系曲線分析加固體中溫度變化規(guī)律。

圖5 現(xiàn)場施工圖

2.3 MJS試驗樁溫度實測研究

2.3.1 MJS-2全圓試驗樁實測溫度分析

因場地條件所限，MJS試驗樁施工后水泥土尚未達到一定強度不能直接鉆孔，且鉆孔布設測溫管需安裝腳手架，因此MJS-2全圓試驗樁施工完成15 d才埋設測點測溫。圖6為試驗樁實測溫度折線圖。由圖6(a)可知，各測點初始溫度高低不一，其中測點C2-1、C2-2初始溫度偏高，原因為注漿順序是由深部向淺部逐漸進行的。從測溫日開始，樁內各點溫度均呈下降趨勢，平均每日下降0.4～0.7 ℃，說明水泥水化熱放熱量隨齡期增長而下降。由于靠近地下連續(xù)墻存在熱交換，導致測點C2-1處的樁體溫度下降速度較快。測點C2-2處的樁體溫度最高，為42.1 ℃。不同測點處的最高溫度在40.9～42.1 ℃。水泥水化后期水化熱釋放緩慢，30 d后溫度下降速率變緩，平均每日下降0.2～0.3 ℃。除C2-5外，其他測點30 d溫度穩(wěn)定在35～36 ℃并且緩慢下降，因此可考慮30 d為凍結開凍時機。

(a) MJS-2全圓試驗樁

2.3.2 MJS-1半圓試驗樁實測溫度分析

MJS-1半圓試驗樁完成后第13 d完成測點埋設，開始測溫。由圖6(b)可知，各測點初始溫度為45～52 ℃，水泥質量摻量越高，樁體中心溫度越高。由于測點C1-1處靠近基坑地下連續(xù)墻，導致與外界熱交換明顯，因此初始溫度最低，樁體溫度下降速度較快。測點C1-2處受熱交換影響較小，且位于60%水泥質量摻量段，因此樁體中心溫度最高。因水化放熱量隨齡期增長而減小，隨齡期增長試驗樁各測點溫度下降趨勢先快后慢。除C1-1溫度下降較快外，其他測點30 d后溫度穩(wěn)定在38～42 ℃并且緩慢下降，因此可考慮30 d為凍結開凍時機。

2.3.3 全圓試驗樁與半圓試驗樁的溫度變化比較

全圓試驗樁直徑為1.3 m，半圓試驗樁直徑為2.2 m，半圓試驗樁的體積是全圓試驗樁的1.4倍，除測點C1-1因靠近基坑地下連續(xù)墻受外界影響明顯外，半圓試驗樁溫度高于全圓試驗樁。全圓試驗樁中C2-1、C2-3、C2-4測點的平均溫度與半圓試驗樁中C1-7相比，45%水泥質量摻入比的半圓試驗樁水化熱溫度比全圓試驗樁高4%～9%，溫差為1.3～3.6 ℃。綜合考慮全圓與半圓試驗樁水化放熱效果及已有凍結工程經驗，地溫達40 ℃左右可實施凍結，可考慮30 d為凍結開凍時機。

3 試驗樁數(shù)值模擬與實測數(shù)據(jù)對比驗證

3.1 模型假定

由于溫度場計算模型較為復雜，為簡化計算量，便于參數(shù)取值和分析溫度場變化趨勢，對計算模型做出一定假設： 1)假定計算范圍內土體和水泥土為均質、各向同性熱傳導材料； 2)因計算范圍已達樁體尺寸的4倍以上，假定模型外邊界為絕熱邊界條件，地下連續(xù)墻表面為熱對流邊界； 3)假定土體中不同位置初始溫度均為17 ℃，大氣溫度為19 ℃(根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的平均值選取)； 4)假設導熱物質密度ρ、比熱容C、導熱系數(shù)λ均為常量。

3.2 模型尺寸和參數(shù)

本文數(shù)值基于ADINA軟件，采用有限元進行模擬計算。由于在本工程方案中的MJS加固體絕大部分為半圓樁，僅有頂部1排擬用全圓樁，因此半圓試驗樁是本次試驗樁研究的重點。采用了3種不同水泥質量摻入比，實測數(shù)據(jù)較多； 而全圓樁僅做了45%摻量試驗樁，因此數(shù)值模擬只分析半圓試驗樁。圖7為幾何模型及邊界條件示意圖。在有限元計算中，溫度影響范圍為水泥土幾何尺寸的3～5倍，因此設定模型幾何尺寸為縱向長度(x軸方向)×橫向寬度(y軸方向)×垂直距離(z軸方向)=90 m×10 m×10 m。由圖7可知，周圍土體為粉細砂，半圓試驗樁直徑為2.2 m，與空氣接觸的邊界主要采用對流換熱進行熱傳遞，對于地下連續(xù)墻混凝土與空氣對流取16.49 W/(m2·℃)。由于水泥土部分溫度變化較敏感，因此模型在水泥土加固區(qū)進行局部網格細化處理，網格尺寸為0.1 m，剩余區(qū)域網格尺寸為0.5 m，均采用四節(jié)點網格進行劃分。

圖7 幾何模型尺寸及邊界條件(單位： m)

模型采用水化放熱作為內熱源，內熱源為水泥土中水化產生，以室內試驗所得的水化放熱速率為依據(jù)換算得到，根據(jù)試驗結果以生熱率的形式施加，單位為kJ/(h·m3)。模型計算60 d內水化放熱對土體溫度的影響，以24 h為1個時間步，共60個時間步。在每個時間步上輸入水化放熱速率，軟件內嵌的內熱源計算公式進行積分得到每個時間步的放熱量，并與前一時間步放熱溫度變化和影響范圍疊加，得到當前時間步下水化放熱導致的溫度變化和升溫范圍。模型土體的各項參數(shù)根據(jù)本課題組所做水泥土室內試驗選取[16]，見表2。

表2 模型材料參數(shù)

3.3 實測與數(shù)值模擬結果對比驗證

不同水泥質量摻量半圓試驗樁的中心溫度和實測數(shù)據(jù)對比關系曲線如圖8所示。由圖可知： 1)模擬值與實測值變化趨勢相近，MJS半圓試驗樁在水化初期釋放大量熱量，測點在5 d左右水化放熱量達到峰值，隨后溫度開始下降，下降速率先快后慢，在60 d時不同水泥質量摻量樁體中心溫度均下降至30 ℃左右。2)樁體中心溫度隨水泥質量摻入比增大而升高，60%水泥質量摻入比半圓試驗樁的中心溫度最高可達到69.2 ℃，比45%和50%水泥質量摻入比半圓試驗樁中心溫度峰值分別高13.1 ℃和7.8 ℃。由于水泥質量摻入比越高，其水化熱越大，不同水泥土的容積熱容量與導熱系數(shù)差距較小，因此水化放熱越大其溫度上升越高。3)由于測點C1-1靠近地下連續(xù)墻及測溫管端部，且地下連續(xù)墻對流及熱輻射作用加之測溫管端部密封性不夠，測點C1-1溫度比內部溫度降低更快； 而數(shù)值模擬未能考慮其密封性因素，溫度差距較大，不具可比性，因此刪去該點對比。不同摻量段模擬值與實測值最大溫差分別為2.5、3.9、2.6 ℃(60%、50%、45%)，由于假定中的大氣溫度在模型中是恒定不變的，而大氣溫度非恒定，因此導致溫差產生?？紤]到水泥土加固強度須滿足施工和工期要求，應在30 d進行人工凍結加固，此時60%、50%和45%摻量MJS半圓試驗樁的中心溫度分別為44.1、43.0、41.4 ℃。

3.4 水泥土溫度影響范圍分析

圖9示出了不同水泥質量摻量28 d時水化溫度影響范圍。取測點C1-2、C1-5、C1-7的Z截面作水泥水化熱溫度影響范圍分析，標準齡期28 d時不同水泥質量摻入比下水泥土中心溫度分別為45.38、41.15、40.42 ℃(60%、50%、45%)。由圖9可知，土體溫度由內到外逐漸降低，等溫線呈橢圓形向外擴散，隨水泥質量摻入比增大，土體受水泥土水化放熱影響而升溫的幅度增大。水化熱導致的土體升溫范圍有限，不同水泥質量摻入比條件下，水泥土中心5 m范圍外的土體溫度較為接近，溫度略大于原始地溫，受水泥水化熱影響較小。

(a) 60%水泥質量摻量

(a) 60%水泥質量摻量

4 結論與討論

1)水泥水化熱在水化初期提升較快，進入階段Ⅳ(后加速期)后隨齡期增大水化熱增長速率放緩；水泥質量摻入比越大，樁體水泥水化熱越大、溫度越高。

2)根據(jù)水泥水化熱室內試驗數(shù)據(jù)對MJS加固試驗樁中心溫升進行數(shù)值模擬，結果表明試驗樁溫度模擬值與實測值變化趨勢相近，不同摻量段模擬值與實測值最大溫差分別為2.5、3.9、2.6 ℃(60%、50%、45%)，驗證了數(shù)值模擬的正確性。

3)MJS半圓試驗樁在水化初期釋放大量熱量，5 d左右水化放熱溫度達到峰值，試驗樁溫度隨水泥質量摻入比增大而提高，3種摻量段峰值溫度分別為69.2、61.4、56.1 ℃(60%、50%、45%)，隨后溫度開始下降，下降速率先快后慢。隨水泥質量摻入比增大，土體受水泥土水化放熱影響而升溫的幅度增大。

4)單樁MJS水泥水化熱在施工后30 d基本釋放完成，綜合考慮工期要求和溫度對凍結的影響，宜在30 d進行人工凍結加固； 若考慮群樁效應，建議開始人工凍結加固時間相應延長。

5)本試驗樁工程只研究了單根MJS工法樁的水化熱放熱規(guī)律，今后可根據(jù)本文得到的數(shù)據(jù)及相應工程經驗進一步研究群樁水化熱放熱規(guī)律。