桥梁桩基单桩储热与桩身力学特性模拟研究

张 宁 高利平 杨国梁

(内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

1 概述

路面积雪与结冰会给道路通行和行驶安全带来严重的影响。据统计,在冬季30%的交通事故受路面冰雪影响发生[1]。目前常用的清除路面积雪结冰方法是化学法。化学法主要依托化学融化剂,该法具有材料来源广泛、价格便宜、化冰雪效果好,可以起到防滑作用,曾经被普遍应用。但此法造成的污染巨大，对路面腐蚀严重，为此花费的道路维护费用带来很大的经济损失[2]。目前对融冰融雪方法的研究集中在热融法。热融法是采用加热的方式使冰雪融化,主要有电缆加热、导电混凝土或沥青以及循环热流体方法[3，4]。近年来，美、日以及瑞典、冰岛、挪威、波兰等国家积极开展道路地热融雪化冰技术研究。道路地热融雪化冰技术具有节能、环保等优点，适用于道路、高速公路、机场跑道等，受到许多研究机构和单位的重视[5]。在当今提倡绿色经济建设“美丽中国”的背景下，利用地热能进行桥面除冰融雪是一种符合生态文明理念的融雪方式。本文使用有限差分软件FLAC3D，建立单桩模型。然后通过初始地应力的平衡，进行桩基储热及桩身力学特性的模拟。再通过将桩基冬季储热得到温度值代入桥面数值模拟中，做出力场与温度场的耦合。模拟呼和浩特市，冬季利用地热能对桥面进行除冰融雪的情况。

2 模型建立

研究桩基与土体传热的问题时，可将桩视为线热源[6]。在建立模型时，我们设定桩基直径D=0.6 m,桩身长L=20 m，模型水平边界距桩中心的距离为3.3 m(5.5D)，模型竖向边界距桩底的距离为5 m(1/4L)，取1/2模型进行研究。

桩基的几何模型用柱体网格cylinder，划分土体的几何模型用柱形隧道外围渐变放射网格radcylinder。其中在桩基附近网格分布较密，这样做是为了提高桩土接触面的计算精度。模型节点数为46 997，网格单元量为41 760，如图1所示。

3 桥梁桩基单桩储热模拟

3.1 初始应力平衡

本模型中，初始地应力的生成采用更改强度参数的弹塑性解法。为避免计算过程中出现的屈服流动，将粘聚力和抗拉强度设为最大值。当计算达到平衡状态后，再将粘聚力和抗拉强度改为该模型中分析所需的数值，最终计算至平衡状态。

在计算初始地应力时，将不平衡比率设置为1e-6。当地应力达到平衡时，认为桩土已经固结完成。此时，桩土位移及应力分别如图2，图3所示。观察图2，图3，初始地应力平衡后，模型竖向位移云图和竖向应力云图分布较均匀。其中竖向位移云图中，桩土上部位移较大，下部位移较小，随着深度的增加，桩体位移逐渐减小；竖向应力云图中，桩土上部的应力较小，下部应力较大，随着深度的增加，桩土竖向应力越来越大，对于桩体，在埋深-10 m左右存在着明显的拉应力，桩体两端为压应力。

3.2 土壤初始温度的确定

在本模型中，为了简化分析，忽略了日温度变化对地层的影响。主要考虑年温度变化对地层的影响，得到地层某一深度下某点温度，见式(1)[7]。

(1)

其中，τ为地表温度开始变化开始计时间，h；Z为计算点埋深，地面Z=0；T(τ,Z)为特定时刻，Z处的温度；Tm为地表年平均温度；Aw为地表温度年周期波幅。

由于恒温层处于在地下15 m以下，因此在本模型中，为了简化计算，我们认为桩基处于恒温层，通过查阅呼和浩特地区有关浅层地热能资料，得出呼和浩特地区土体温度全年稳定在10 ℃；在夏季桩基储热模型中，由青松等[8]对呼和浩特地区夏季地表温度的研究，可知夏季呼和浩特地区裸地温度为30 ℃，因此得到夏季桥面换热管温度为30 ℃，所以夏季桩基换热管初始温度应设定在30 ℃。

4 桥梁桩基桩身力学特性模拟研究

4.1 桥梁桩基不同季节单桩储热模拟

4.1.1桥梁桩基冬季单桩储热模拟

通过桩基冬季单桩储热模拟，我们可以得出冬季桩身换热管的换热量，最终得到桥面换热管温度。本模型中，设定冬季桩基多层土体温度为10 ℃，桩体换热管温度为1 ℃。

图4是桩基冬季在不同储热时间下的桩身换热管温度图。

如图4所示，随着桩基换热埋管传热时间的增加，桩基换热管温度逐渐上升，在传热时间6 h～48 h内，桩基换热管温度上升较快，在传热时间48 h～120 h内，桩基换热管温度上升较慢。当传热120 h传热温度最大，桩基换热管温度稳定在7.75 ℃。

4.1.2桩基夏季单桩储热模拟

在桩基夏季单桩储热模拟中，我们设定桩基多层土体温度为10 ℃，桩体换热管温度为30 ℃。图5是桩基夏季在不同储热时间下(1月、3月、5月、7月)的温度图。

如图5所示，随着桩基储热时间的增加，桩基传热半径逐渐扩大，其中在桩基储热时间较短的1月所对应的传热半径为3 m左右，其他储热时间下桩基传热半径都大于3 m。

4.2 桥梁桩基传热温度对桩身应力和位移的影响

为了研究传热温度对桩基力学特性的影响，我们设置了桩基换热管在不同传热时间情况下传热温度对桩基埋管换热器的桩身应力和桩身位移的影响。模型中，在为了可以更加直观的研究不同传热时间对桩身应力、位移的影响，在桩周土附近施加了大小为40 000 Pa，方向向下的应力。

4.2.1桩基传热温度对桩身应力的影响

图6分别为在传热时间1月、6月、12月下，不同传热温度下的桩身竖向应力图，为了更加直观研究传热温度对能源桩桩身力学特性的影响，加入参照组传统桩基的桩身竖向应力图。

由图6可以看出，传热时间一定时，在桩身竖向拉应力区段，随着传热温度的增加，这时桩身应力曲线在减小。在桩身竖向压应力区段，随着传热温度的增加，桩身应力曲线也在增加。其中当传热时间为1个月，桩身主要受压应力，呈W线型。在距桩顶19 m处，桩身压应力达到最大值，随着传热温度的增加，桩身压应力越来越大。传热时间为6月、12月时，随着距桩顶距离的增加，桩身逐渐出现拉应力，在距桩顶10 m处，拉应力最大，随后拉应力逐渐减小，桩身并出现压应力，约距桩顶18 m处，达到桩身压应力最大值。

4.2.2桩基传热温度对桩身竖向位移的影响

图7分别为在传热时间1月、6月、12月下，不同传热温度下的桩身竖向位移图，为了更加直观研究传热温度对能源桩力学特性的影响，加入参照组传统桩基的桩身竖向位移图。

由图7可以看出，桩身竖向位移变化大致相同。随着传热温度的增加，桩身竖向位移也在增加。传热时间为1个月时，大约距桩顶0 m～8 m处，桩身竖向位移随着传热温度的增加而减小，8 m～20 m处，桩身竖向位移随着传热温度的增加而增加。传热时间为6月时，约距桩顶0 m～9 m处，桩身竖向位移随着传热温度的增加而减小，9 m～20 m处，桩身竖向位移随着传热温度的增加而增加。传热时间为12月时，距桩顶0 m～10 m处，桩身竖向位移随着传热温度的增加而减小，10 m～20 m处，桩身竖向位移随着传热温度的增加而增加。

5 结语

1)基于有限差分软件FLAC3D，建立桩基单桩模型。先模拟呼和浩特地区冬季单桩储热，得出桥面桩基换热管温度稳定在7.75 ℃；再模拟呼和浩特地区桩基夏季在不同储热时间下的温度场，发现传热影响半径在3 m左右。

2)研究了传热温度对桩身应力和桩身位移的影响，结果表明，随着传热温度的增加，桩身竖向拉应力在减小，压应力在增大；桩身前半段竖向位移逐渐减小，桩身后半段竖向位移在逐渐增大。对于非能源桩，在不同桩基土固结时间下，桩身竖向拉应力前半段桩身竖向位移一直处于最大值，压应力后半段桩身竖向位移处于最小值。