冻结水泥土搅拌桩温度场数值分析

2015-12-16李玉萍

森林工程 2015年5期

胡俊，刘勇，李玉萍

(1．海南大学土木建筑工程学院，海口570228;2．新加坡国立大学土木与环境工程系，新加坡肯特岗117576)

人工地层冻结冻土帷幕(墙)形成过程，是在冻结管内循环低温冷媒剂(盐水)，通过冻结管与周围地层不断发生热交换，开始时在冻结管周围形成冻土圆柱，随着冻结管冷量的不断供给，冻土圆柱不断扩展，相邻冻土圆柱交圈后形成具有一定厚度冻土帷幕向两边扩展。但人工冻结法施工后，使周围地层产生冻胀融沉现象，对周围环境来说，使得土的工程性质和相邻建筑物受到不良影响，如造成地基失稳，使邻近建筑物产生倾斜、裂缝、严重时会导致建筑物坍塌等事故，或使地下管线发生破坏等不良后果［1-2］。为了解决现有的人工冻结法施工后周围地层产生冻胀融沉所引发不良后果的问题，一种冻结水泥土搅拌桩应运而生。本文对这种冻结水泥土搅拌桩的施工工艺作一简单介绍，运用有限元软件对工字型截面冻结管单管冻结时水泥土的温度场发展规律进行研究，论证采用冻结水泥土搅拌桩施工的可行性，为今后类似工程设计提供理论参考依据。

1 冻结水泥土搅拌桩

1．1 概述

冻结水泥土搅拌桩由两部分组成:第一部分为水泥土搅拌桩体;第二部分为插入水泥土搅拌桩中的冻结管。冻结管在桩体的中心部位或周圈设置有一根或数根，直径通常为 89、108、127、146、159、168 mm，其底端位于桩体底端上方0．5～1 m。冻结管材质通常为无缝低碳钢管，也可以采用PVC、PPR、ABS和PE等塑料管;冻结管截面通常为圆形，也可以采用“工字形”、“X形”、“T形”、“Y形”等异形截面。

本工法在水泥土搅拌桩中实施冻结法，可有效地抑制冻胀融沉现象。同时，水泥土搅拌桩抗剪能力和抗弯能力不足，在水泥土搅拌桩中插入冻结管实施冻结，形成冻结水泥土搅拌桩，在保证地层承载力和防水性能的基础上，既可以提高水泥土搅拌桩的抗剪能力和抗弯能力，也可减小水泥的使用量，节省了成本。本工法可以应用于基坑工程的围护结构，盾构进出洞端头的土体加固，以及地基处理工程中。本工法平面布置如图1所示。

图1 冻结水泥土搅拌桩平面布置图Fig．1 Layout of frozen ground improved by deep cement mixing(1．Freezing pipe;2．Deep cement mixing soils)

1．2 施工工艺

冻结水泥土搅拌桩施工工艺流程如图2所示。

图2 冻结水泥土搅拌桩的施工工艺流程图Fig．2 Construction procedure of frozen ground improved by deep cement mixing．

1．2．1 施工原理

每根水泥土搅拌桩施工完毕，随即施工加筋材料。加筋材料选用冻结管，根据水泥土搅拌桩直径来选择。冻结管插设在桩体的中心部位，或者绕设在桩体中心部位的周圈设置，冻结管插入深度一般比外部水泥土搅拌桩短0．5～1 m。

冻结管必须在搅拌桩水泥土硬化前插入。选用的冻结管外表面必须通直光滑，先采用人工往桩中心压入一部分冻结管，再利用桩机将冻结管剩余部分全部压入水泥土中。加筋水泥搅拌桩施工完毕，挖除桩头松散破碎的部分，露出20～30 cm冻结管管头，沿桩顶将冻结管用钢筋网连接，并用C20混凝土浇筑成镇口板。

1．2．2 注意事项

(1)冻结管必须在搅拌桩机钻杆提出后立即插入，以保证在水泥土未凝结之前完成。

(2)冻结管接头采用螺纹加焊接，抗拉强度不低于母管的75%。

(3)冻结管插入前要先配管，保证冻结管同心轴线重合，焊接时，焊缝要饱满，保证冻结管有足够强度，以免拔管时冻结管断裂。

(4)冻结管插入完毕后，用木塞等封堵管口，以免异物掉进冻结管。

2 温度场数值模型的建立

2．1 基本假定

假定水泥土具有均匀的初始温度场，初始温度由于水泥水化热的影响取35℃;水泥土视为均质、热各向同性体;直接将温度荷载施加到冻结管管壁上;忽略水分迁移的影响。

2．2 模型几何尺寸

冻结管采用“工字形”冻结管，其尺寸如图3所示。水泥土边界为半径1 m的半圆面，中心处布设“工字形”冻结管，冻结影响区域经试算未超过该范围。

图3 “工字形”冻结管几何尺寸示意图 mmFig．3 Geometric size of I-shaped freezing pipes mm

2．3 模型参数选取

本文建立二维温度场数值模型，选取9节点网格划分格式，网格划分后的计算模型如图4所示。

图4 网格划分后模型及研究路径示意图Fig．4 Illustratcion of model size and mesh size with two paths

模型的材料参数见表1，依据为相关报告及试验［3-6］。模型中粘土水泥土材料采用热传导单元:各向同性，热传导率与时间相关，比热容为常数。

冻结前地层初始温度取35℃，并在整体模型边界面上保持不变。冻结管管壁为热荷载边界，以盐水温度作为边界荷载，冻结期间盐水降温计划见表2。根据降温计划，取冻结时间步为40 d，每步时间长为24 h。采用带相变的瞬态导热模型。

表1 土体材料参数Tab．1 Material parameters of soil

表2 盐水温度降温计划Tab．2 Cooling plan of brine temperature

2．4 研究路径

为了更好地研究工字形冻结管单管冻结时水泥土中冻土帷幕的温度场发展与分布规律，分别设置3条路径和在路径上的25个分析点，如图4所示。路径1和路径2分别设置在水平和竖直的方向，每隔100 mm设置一分析点;水平方向分析点为1～9号，竖直方向分析点为10～18号;9和18号分析点离水泥土边界100 mm。路径3竖直设置在工字形冻结管边缘，离腹板30 mm，每隔10 mm设置1个分析点;19和25号分析点离翼缘10 mm。

3 温度场计算结果与分析

3．1 冻土帷幕温度场等值线

不同冻结时间温度场计算等值线如图5所示。可以看出:工字形冻结管为非圆形截面，靠近冻结管的温度等值线为非圆形，但是离冻结管越远其冻土帷幕温度也是以冻结管为中心类似同心圆分布。随着冻结时间的增加，冻土帷幕厚度逐渐增加，到冻结20 d时，-10℃冻土帷幕水平方向半径发展到120 mm;到了冻结40 d时，-10℃冻土帷幕水平方向半径达到180 mm。

图5 不同冻结时间温度场计算等值线Fig．5 Isotherm curves at different freezing time points in the temperature field．

3．2 路径分析

3．2．1 路径 1

路径1设置在水平方向，每隔100 mm设置1个分析点，为1～9号分析点，9号分析点离水泥土边界100 mm。路径1上各点温度随时间变化曲线如图6所示。可以看出，靠近冻结管的1号分析点降温最快，冻结5 d时温度降到0℃;剩下各点离冻结管越远降温越慢;4～9号分析点在降温过程中温度都在0℃之上，4号分析点在冻结40 d时温度才降温到0℃，说明此时0℃的冻土帷幕水平方向半径为400 mm。

图6 路径1上分析点温度随时间变化曲线Fig．6 Temperature change along Path 1 at different freezing time

图7为路径1上各点不同时间的温度空间分布曲线。可以看出，路径1上不同时间的温度都是离冻结管越近温度越低;降温速度先快后慢，由盐水降温计划所决定;冻结40 d时，4号分析点温度才降温到0℃以下，5～9号分析点温度都在0℃以上。

图7 路径1上各点不同时间的温度空间分布曲线Fig．7 Temperature change along Path 1 at different points

3．2．2 路径 2

路径2设置在竖直的方向，每隔100 mm设置1个分析点，为10～18号分析点，18号分析点离水泥土边界100 mm。路径2上各点温度随时间变化曲线如图8所示，不同时间的温度空间分布曲线如图9所示。可以看出:路径2的降温过程及规律与路径1基本一致;路径2各分析点的温度总体上低于路径1，说明工字形冻结管竖直方向比水平方向降温快，制冷效果更好;冻结40 d时，10～14号分析点温度降到0℃以下，15～18号分析点温度都在0℃之上，说明此时0℃的冻土帷幕竖直方向半径为500 mm。结合路径1的分析，可知工字形冻结管所形成的冻土帷幕其实是呈椭圆形分布向外发展，竖直方向发展较快。

图8 路径2上分析点温度随时间变化曲线Fig．8 Temperature change along Path 2 at different freezing time

图9 路径2上各点不同时间的温度空间分布曲线Fig．9 Temperature change along Path 2 at different points

3．2．3 路径 3

路径3竖直设置在工字形冻结管边缘，离腹板30mm，每隔10 mm设置1个分析点，为19～25号分析点，19和25号分析点离翼缘10 mm。路径3上各点温度随时间变化曲线如图10所示，不同时间的温度空间分布曲线如图11所示。可以看出:19～25号分析点降温过程几乎一致，都是在冻结2 d时温度就降到0℃以下，冻结5 d时温度就降到-10℃以下，冻结40 d时温度都降到-25℃以下;冻结初期，靠近翼缘的分析点降温较快，到了冻结后期，各点温度趋于一致。