设置1-2根圆形冻结管时冻结水泥土搅拌桩温度场数值对比分析

胡　俊，刘　勇，梁乾乾

(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；

3.南京市建筑设计研究院有限责任公司，南京 210000)



设置1-2根圆形冻结管时冻结水泥土搅拌桩温度场数值对比分析

胡俊1,2，刘勇2，梁乾乾3

(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；

3.南京市建筑设计研究院有限责任公司，南京 210000)

摘要：为解决现有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，冻结水泥土搅拌桩应运而生。本文对冻结水泥土搅拌桩的施工工艺作了简单介绍，运用有限元软件对设置1-2根圆形冻结管时冻结水泥土搅拌桩的温度场发展规律进行了数值对比分析。主要得出：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，既可提高水泥土搅拌桩的抗剪和抗弯能力，也可减少水泥用量；设置1根冻结管交圈所用时间是设置2根冻结管的4倍；冻结40d时，设置2根冻结管比设置1根冻结管的冻土墙厚度厚0.6m；路径1上各点离冻结管越远降温越慢，降温速度先快后慢，由盐水降温计划所决定；当使用冻结水泥土搅拌桩施工时，建议采用设置2根冻结管的形式。所得结果可为今后类似工程设计提供理论参考依据。

关键词：冻结水泥土搅拌桩；水泥土；冻结法；温度场；数值模拟

引文格式：胡俊，刘勇，梁乾乾.设置1-2根圆形冻结管时冻结水泥土搅拌桩温度场数值对比分析[J].森林工程，2016，32(1)：77-82.

0引言

人工冻结法施工后，会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，例如造成地基失稳，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[1-5]。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，它是在水泥土搅拌桩桩体的中心部位或周圈设置有一根或数根冻结管，冻结管的底部位于桩体底端上方0.5～1m。

本文对这种冻结水泥土搅拌桩作一简单介绍，运用有限元软件对设置1-2根圆形冻结管时冻结水泥土搅拌桩的温度场发展规律进行数值对比分析，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与数值参考依据。

1冻结水泥土搅拌桩

1.1简介

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0.5～1m。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(1—冻结管；2—水泥土搅拌桩)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 groundimproved by deep cement mixing

1.3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)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。

(3)冻结水泥搅拌桩施工完毕，挖除桩头松散破碎的部分，露出20～30cm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。

(4)冻结管接头采用螺纹加焊接，抗拉强度不低于母管的75%。

(5)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。

(6)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计算基本假定

假定粘土和粘土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计算模型参数选取

本文运用ADINA软件建立二维温度场数值模型，选取了九节点网格划分格式，网格划分后的计算模型如图3所示。

图3　网格划分后模型及研究路径示意图Fig.3 Illustrations of model size and mesh size with two paths

水泥土搅拌桩直径为1 000mm，冻结管直径为127mm。水泥土搅拌桩中设置1根冻结管时，冻结管设置在每根桩体的中心部位。设置2根冻结管时，两根冻结管间距600mm，每根冻结管距桩体中心300mm，距桩体外边缘200mm。土层厚度为3 000mm。

模型的材料参数见表1，依据为相关报告及试验[8-12]。

冻结前粘土水泥土初始温度由于水泥水化热的影响取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，积极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步，每步时间长为24h。采用带相变的瞬态导热模型。

2.3研究路径

为了更好地研究设置1-2根圆形冻结管时冻结水泥土搅拌桩的温度场发展与分布规律，布置了路径1(1～10号分析点)以及水泥土搅拌桩的相切点(11、12号分析点)，如图3所示。路径1设置在竖直方向，每隔100mm布置一分析点，10号分析点离冻结管表面的竖直距离为1m。

3温度场计算结果与分析

3.1冻土帷幕温度场等值线

图4为不同冻结时间温度场计算等值线图。

表1　土体材料参数

表2　盐水温度降温计划

可以看出：设置2根冻结管时，在冻结第五天就已经开始交圈，此时就可以有效地阻断水泥土搅拌桩之间的渗水通道，而对于设置1根冻结管的情况，到冻结20d时冻土帷幕才开始交圈，交圈所用时间是设置2根冻结管的4倍。刚开始冻结时冻土帷幕温度是以冻结管为圆心呈同心圆分布，离冻结管越近温度越低，交圈后形成冻土墙，随着冻结时间的增加冻土墙厚度越来越厚。冻结30d时，设置2根冻结管的冻土墙厚度发展到1.4m，-10℃等温线发展到离冻结管400mm，设置1根冻结管的冻土墙厚度发展到1.0m，-10℃等温线发展到离冻结管250mm且尚未交圈。冻结40d时，设置2根冻结管的冻土墙厚度发展到1.8m，-10℃等温线发展到离冻结管500mm，设置1根冻结管的冻土墙厚度发展到1.2m，-10℃等温线开始交圈且发展到离冻结管300mm。最终，设置2根冻结管比设置1根冻结管的冻土墙厚度厚0.6m。

3.2路径与分析点对比分析

3.2.1路径1

(1) 设置1根冻结管时

设置1根冻结管时路径1上各点温度随时间变化曲线如图5所示。可以看出：靠近冻结管的1号分析点降温最快，冻结10d时温度降到0℃；剩下各点离冻结管越远降温越慢；6～10号分析点在降温过程中温度都在0℃之上，5号分析点在冻结40d时温度才降温到0℃，说明此时冻土墙厚度发展到1.2m。

图4　不同冻结时间温度场计算等值线Fig.4 Isotherm curves at different freezing time points in the temperature field

图6为设置1根冻结管时路径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40d时，5号分析点温度才降温到0℃以下，6-10号分析点温度都在0℃以上。

图5　设置1根冻结管时各点温度随时间变化图Fig.5.Termperature change with cooling timeat different points with 1 freezing pipe

图6　设置1根冻结管时各点不同时间温度空间分布图Fig.6 Temperature change with spatial locationat different points with 1 freezing pipe

(2) 设置2根冻结管时

设置2根冻结管时路径1上各点温度随时间变化曲线如图7所示。可以看出：与设置1根冻结管时相似，各点离冻结管越远降温越慢；1号分析点降温最快，冻结5d时温度就降到0℃以下；只有9、10号分析点在降温过程中温度都在0℃之上，8号分析点在冻结40d时温度才降温到0℃，说明此时冻土墙厚度发展到1.8m。

图7　设置2根冻结管时各点温度随时间变化图Fig.7 Temperature change with cooling timeat different points with 2 freezing pipes

图8　设置2根冻结管时各点不同时间温度空间分布图Fig.8 Temperature change with spatial locationat different points with 2 freezing pipes

图8为设置2根冻结管时路径1上各点不同时间的温度空间分布曲线。可以看出：冻结40d时，8号分析点温度才降温到0℃以下，9、10号分析点温度都在0℃以上。

3.2.2水泥土搅拌桩相切点(11、12号分析点)

11、12号分析点为水泥土搅拌桩的相切点，由于对称性，11、12号分析点的降温曲线是一致的，当设置不同根数的冻结管时降温曲线才有差别。图9为设置1-2根冻结管时11、12号分析点降温对比曲线图，可以看出：当设置2根冻结管时，在水泥土搅拌桩相切处的降温过程明显快于设置1根冻结管的情况，冻结5d时设置2根冻结管的11、12号分析点就降温到0℃以下，而设置1根冻结管时需要冻结20d；到了冻结40d时，设置1-2根冻结管的11、12号分析点温差约为14℃。

图9　11、12号分析点温度随时间变化图Fig.9 Temperature change with cooling time at Points 11 and 12

图10　1号分析点温度随时间变化图Fig.10 Temperature change with cooling time at Point 1

图11　10号分析点温度随时间变化图Fig.11 Temperature change with cooling time at Point 10

图10和图11分别为设置1-2根冻结管时1、10号分析点降温对比曲线图，可知，冻结40d时，设置1-2根冻结管的1号分析点温差约为1.5℃，10号分析点温差约为7℃。说明到了冻结后期，设置2根冻结管时对于水泥土搅拌桩相切处的降温影响要比竖直方向的降温影响大，而水泥土搅拌桩相切处最容易存在渗水通道，故当使用冻结水泥土搅拌桩施工时，建议采用设置2根冻结管的形式。

4结束语

本文对冻结水泥土搅拌桩的施工工艺作了简单介绍，运用有限元软件对设置1-2根圆形冻结管时冻结水泥土搅拌桩的温度场发展规律进行了数值对比分析，主要得出以下结论。

(1)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，既可提高水泥土搅拌桩的抗剪和抗弯能力，也可减少水泥用量，节省成本。

(2)设置1根冻结管交圈所用时间是设置2根冻结管的4倍；冻结40d时，设置2根冻结管比设置1根冻结管的冻土墙厚度厚0.6m。

(3)设置1-2根冻结管时路径1上各点离冻结管越远降温越慢，降温速度先快后慢，由盐水降温计划所决定；冻结40d时，设置1根冻结管的冻土墙厚度发展到1.2m，设置2根冻结管的冻土墙厚度发展到1.8m。

(4)冻结后期设置2根冻结管时对于水泥土搅拌桩相切处的降温影响要比竖直方向的降温影响大，而水泥土搅拌桩相切处最容易存在渗水通道，故当使用冻结水泥土搅拌桩施工时，建议采用设置2根冻结管的形式。

【参考文献】

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Temperature Field Comparison of Freeze Cement Mixing Piles with1-2 Circular-shaped Freezing Piles by Numerical Simulation

Hu Jun1，2，Liu Yong2，Liang Qianqian3

(1.College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou 570228；

2.Department of Civil and Environmental Engineering，National University of Singapore，Kent Ridge 117576，Singapore；

3.Nanjing Architectural Design and Research Institute Co.Ltd，Nanjing 210000)

Abstract：In order to solve the frost thaw settlement problems caused by adverse consequences in the artificial freezing method after the construction of the surrounding formation，the freeze cement mixing pile emerged.A brief introduction to the construction process of freeze cement mixing piles was made，then the finite element software was used to make numerical comparisons on the development laws of temperature field while setting 1-2 root canal circular freeze cement mixing piles.The results showed that the shear and flexural capacity of freeze cement mixing piles could be improved and the consumption of cement could be reduced while ensuring the bearing capacity and waterproof performance.The cross lap time of setting a freezing pipe was 4 times of that setting two freezing pipes.After freezing for 40 days，the wall thickness of permafrost with two freezing pipes was 0.6m thicker than setting one freezing pipe.The farther each point on the path of a frozen pipe，the slower the cooling，and the cooling speed slowed down after that，which was determined by the brine cooling plan.When freeze cement mixing piles were used in construction freeze，it is suggested to use two freezing pipes.The results can provide a theoretical reference for future similar projects.

Keywords：freeze cement mixing pile；cement-treated soil；temperature field；numerical simulation

作者简介：第一胡俊，博士，讲师。研究方向：隧道及地下工程方面的教学与研究工作。E-mail：hj7140477@hainu.edu.cn

基金项目：中国博士后科学基金资助项目(2015M580559)；海南省教育厅高等学校科研项目(Hnky2015-10)；留学人员科技活动择优资助启动类项目(人社厅函[2014]240号)；海南省科技项目(ZDXM2015117)

收稿日期：2015-08-07

中图分类号：S 714.8

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2016)01-0077-06