MJS加固试验桩水化热对温度场影响研究

2022-05-06巢路鑫冯俊青

隧道建设(中英文) 2022年4期

巢路鑫，冯俊青，杨平， *，石鑫，杨宁，郑盛

(1. 南京林业大学土木工程学院，江苏南京 210037； 2. 中铁三局集团华东建设有限公司，江苏南京 211106)

0 引言

近年来，随着我国城市轨道交通建设快速发展，不可避免地出现了新建车站下穿运营车站或下穿既有大型建筑物、构筑物等情况，这类下穿工程对既有隧道的安全带来严峻考验[1-3]。通常，在有敏感建(构)筑物的富水地层应用人工冻结法，需要在满足止水要求的同时严格控制冻胀融沉[4-5]，水泥土改良后再进行人工冻结可有效抑制冻胀融沉。水泥含量越大，控制效果越好、强度越高，因此MJS(全方位高压喷射注浆技术)+人工冻结联合加固工法应用逐渐增多[6-8]。然而，当2种技术结合使用时，MJS产生的水化热将影响人工冻结效果，导致积极冻结时间(即从冻结开始到达到冻土墙设计厚度与温度的时间跨度)增加[7-8]。因此，应掌握MJS加固后水化热引起的温度变化规律，以便针对性开展人工冻结设计；根据温度变化规律提出MJS加固后合理开始冻结时间(即冻结开冻时机)，为冻结工程的工期和费用控制提供依据。

已有不少学者对水化热进行了深入研究，侯炜等[9]、郭子奇等[10]研究了大体积混凝土在水化热反应过程中的内部温度变化，发现水化放热会产生温度应力；李潘武等[11]研究了浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响；魏丁一等[12]、毋林林等[13]分别研究了聚羧酸高性能减水剂、不同配比粉煤灰膏体充填材料对水泥水化热的影响；李虹燕等[14]研究了粉煤灰、矿渣对水泥水化热的影响。然而，上述水化热研究主要集中在大体积混凝土水化热分析和不同掺和料对水化热的影响，而对水泥水化热却鲜有研究。MJS工法水泥质量掺量较高，均在40%以上，且因养护条件等有所不同，低掺量水泥土与高掺量水泥土的热物理特性有明显差异；另外，MJS加固体形状为半圆或全圆，与大体积混凝土水化热同样存在差异[15-16]，因此有必要进行水化热温度场研究。

本文针对南京地铁7号线在富水承压砂层下穿既有10号线中胜站工程，拟采用MJS加固+水平冻结加固方案，通常通过数值模拟来预测冻结开冻时机，而数值模拟结果的准确性依赖于准确的水化热室内试验数据。地铁在富水承压砂层密贴下穿既有车站施工在国内尚无经验借鉴，因此在正式加固前须进行MJS试验桩工程试验。根据MJS水化热室内试验数据，采用数值模拟计算试验桩水泥土水化温度，并进行现场实测，以验证数值模拟的准确性。利用数值模拟预测正式加固时MJS加固体温度场变化规律，以期为后期正式进行MJS加固施工及人工冻结方案设计提供参数依据。

1 MJS水化热室内试验

1.1 水化热室内试验材料

试验所用土样取自南京7号线新城科技园车站基坑，表1为土样基本物理参数。试验采用海螺牌P·O42.5普通硅酸盐水泥，用水泥砂浆搅拌机制样，试验土样按扰动土含水率25.63%进行配置，水泥浆按水灰比0.5配置。水泥浆配置完成后，按4种不同掺入比分别加入至扰动土中进行充分搅拌，水泥浆体的初始拌入温度为20 ℃。

表1 试验土样物理参数

1.2 水化热室内试验方法

水化热室内试验主要研究不同水泥质量掺入比(40%、45%、50%、60%、70%)水泥土28 d水化放热规律和放热速率规律，并结合数值模拟推导实际工程中MJS水泥水化过程中加固体中心升温情况。试验仪器为水泥水化热测定仪(SHR-6型)，通过直接法测定试样的水泥水化热。微机自动对水化热数据进行采集记录，并绘制曲线。

1.3 水化放热速率分析

图1示出硅酸盐水泥水化放热速率曲线。由图可知，硅酸盐水泥水化主要分为4个阶段[14,17]：阶段Ⅰ预诱导期、阶段Ⅱ水化诱导期、阶段Ⅲ加速期和阶段Ⅳ后加速期。

图1 硅酸盐水泥水化放热速率曲线图

试验得出不同水泥质量掺入比水泥水化初期放热速率随龄期变化规律，如图2所示。由图可知，不同水泥质量掺入比水泥土的水化放热趋势大致相同。由于试验持续时间较长，数据记录间隔为0.5 h。水化反应前期水泥水化反应速率变快，放热速率迅速提高，在达到最大后开始下降，此时水泥水化反应速率降低，进入后加速期。水泥土水化放热速率的峰值随水泥质量掺入比增大而提高，放热速率峰值在2.23～3.41 J/(g·h)。其中，水泥质量掺入比70%的试样比水泥质量掺入比40%加热速率峰值高54.5%。

图2 不同水泥质量掺入比水泥水化放热速率与龄期关系曲线

不同水泥质量掺入比水泥土水化放热速率均在水化15 h左右到达峰值。在水泥土水化反应过程中主要由水和水泥熟料发生水化反应，而粉细砂的矿物成分比较稳定，不参加水化反应。水泥质量掺量对反应速率的影响较大，导致随水泥质量掺入比增大水泥土水化放热峰值提高。

图3示出不同水泥质量掺入比水泥水化热曲线。由图可知，不同水泥质量掺入比水泥水化热随龄期增大而增大，水化热增长速率先快后慢。不同掺入比的水泥水化热在水化24 h内迅速提升，不同掺入比水泥水化热的差异较小； 24 h后随龄期增大，水泥水化热差异逐渐显现； 200 h后水泥水化热随龄期增长而缓慢增大。整个龄期过程中，水泥质量掺入比越大，水泥水化热越大。在672 h(28 d)龄期时，70%水泥质量掺入比水泥土的水化热为128.33 J/g，比40%水泥质量掺入比水泥水化热大28.5%。水化前期水泥熟料反应剧烈，虽然在水化诱导期时反应速率较低，但水化诱导期持续时间较短，水化初期水泥水化热增长较快。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，反应热较小，此时水泥水化热随龄期增长较缓慢。

图3 不同水泥质量掺入比水泥水化热曲线

2 MJS试验桩方案和温度实测研究

2.1 试验桩场地选择

由于中胜站在富水承压砂层密贴下穿既有车站，且在国内尚无经验借鉴，因此决定在与中胜站地层条件相同的新城科技园站进行MJS试验桩试验，通过数值模拟与实测数据对比，分析MJS试验桩温度发展规律。

新城科技园站位于长江漫滩区，覆盖层厚度大(56.4～57.7 m)，土层、岩层分布较均匀。水平MJS加固主要位于②-2b4淤泥质粉质黏土(软—流塑)、②-3d3+c3粉细砂(稍密)为承压含水层。新城科技园站采用明挖顺作法(局部盖挖)施工。车站主体基坑长494.5 m，标准段宽19.7 m，深17.05～17.35 m，在既有基坑内进行试验桩试验，有较好的场地条件。

2.2 MJS试验桩方案与参数

2.2.1 试验桩数量及布置

初步决定取2根MJS试验桩，在粉细砂土层中施工半圆和全圆试验桩各1根。

2.2.2 试验桩参数

图4为MJS试验桩施工参数和水平埋设测温点示意图。试验桩总共2根，根据中胜站实际下穿段开挖长度，确定全圆试验桩长度为27 m，直径为1.3 m，水泥质量掺量为45%；半圆试验桩长度为27 m，直径为2.2 m，沿纵向27 m分3段，每段水泥质量掺量分别是45%、50%、60%。

(a) MJS-2全圆试验桩

2.2.3 试验桩温度监测

待MJS试验桩施工完成养护7 d后，水平沿桩长在直径1/2位置处钻孔埋设测温点，测温点间距3 m，MJS-2全圆试验桩为同一水泥质量掺入比45%，设置5个测温点。MJS-1半圆试验桩为3种水泥质量掺入比(45%、50%、60%)，设置7个测温点，其中，测点C1-1—C1-3在掺量60%段，测点C1-4—C1-6在掺量50%段，测点C1-7在掺量45%段。图5为现场施工图。测温采用铜-康铜热电偶测温，测温精度为0.1 ℃。测温点随PVC测温管埋入设定位置。布线之前对测温线进行标定，采用VC890D数显式电工万用表，根据现场实测所得电压值换算得到MJS加固体的实际温度，最后根据温度与时间的关系曲线分析加固体中温度变化规律。

图5 现场施工图

2.3 MJS试验桩温度实测研究

2.3.1 MJS-2全圆试验桩实测温度分析

因场地条件所限，MJS试验桩施工后水泥土尚未达到一定强度不能直接钻孔，且钻孔布设测温管需安装脚手架，因此MJS-2全圆试验桩施工完成15 d才埋设测点测温。图6为试验桩实测温度折线图。由图6(a)可知，各测点初始温度高低不一，其中测点C2-1、C2-2初始温度偏高，原因为注浆顺序是由深部向浅部逐渐进行的。从测温日开始，桩内各点温度均呈下降趋势，平均每日下降0.4～0.7 ℃，说明水泥水化热放热量随龄期增长而下降。由于靠近地下连续墙存在热交换，导致测点C2-1处的桩体温度下降速度较快。测点C2-2处的桩体温度最高，为42.1 ℃。不同测点处的最高温度在40.9～42.1 ℃。水泥水化后期水化热释放缓慢，30 d后温度下降速率变缓，平均每日下降0.2～0.3 ℃。除C2-5外，其他测点30 d温度稳定在35～36 ℃并且缓慢下降，因此可考虑30 d为冻结开冻时机。

(a) MJS-2全圆试验桩

2.3.2 MJS-1半圆试验桩实测温度分析

MJS-1半圆试验桩完成后第13 d完成测点埋设，开始测温。由图6(b)可知，各测点初始温度为45～52 ℃，水泥质量掺量越高，桩体中心温度越高。由于测点C1-1处靠近基坑地下连续墙，导致与外界热交换明显，因此初始温度最低，桩体温度下降速度较快。测点C1-2处受热交换影响较小，且位于60%水泥质量掺量段，因此桩体中心温度最高。因水化放热量随龄期增长而减小，随龄期增长试验桩各测点温度下降趋势先快后慢。除C1-1温度下降较快外，其他测点30 d后温度稳定在38～42 ℃并且缓慢下降，因此可考虑30 d为冻结开冻时机。

2.3.3 全圆试验桩与半圆试验桩的温度变化比较

全圆试验桩直径为1.3 m，半圆试验桩直径为2.2 m，半圆试验桩的体积是全圆试验桩的1.4倍，除测点C1-1因靠近基坑地下连续墙受外界影响明显外，半圆试验桩温度高于全圆试验桩。全圆试验桩中C2-1、C2-3、C2-4测点的平均温度与半圆试验桩中C1-7相比，45%水泥质量掺入比的半圆试验桩水化热温度比全圆试验桩高4%～9%，温差为1.3～3.6 ℃。综合考虑全圆与半圆试验桩水化放热效果及已有冻结工程经验，地温达40 ℃左右可实施冻结，可考虑30 d为冻结开冻时机。

3 试验桩数值模拟与实测数据对比验证

3.1 模型假定

由于温度场计算模型较为复杂，为简化计算量，便于参数取值和分析温度场变化趋势，对计算模型做出一定假设： 1)假定计算范围内土体和水泥土为均质、各向同性热传导材料； 2)因计算范围已达桩体尺寸的4倍以上，假定模型外边界为绝热边界条件，地下连续墙表面为热对流边界； 3)假定土体中不同位置初始温度均为17 ℃，大气温度为19 ℃(根据现场实测数据的平均值选取)； 4)假设导热物质密度ρ、比热容C、导热系数λ均为常量。

3.2 模型尺寸和参数

本文数值基于ADINA软件，采用有限元进行模拟计算。由于在本工程方案中的MJS加固体绝大部分为半圆桩，仅有顶部1排拟用全圆桩，因此半圆试验桩是本次试验桩研究的重点。采用了3种不同水泥质量掺入比，实测数据较多；而全圆桩仅做了45%掺量试验桩，因此数值模拟只分析半圆试验桩。图7为几何模型及边界条件示意图。在有限元计算中，温度影响范围为水泥土几何尺寸的3～5倍，因此设定模型几何尺寸为纵向长度(x轴方向)×横向宽度(y轴方向)×垂直距离(z轴方向)=90 m×10 m×10 m。由图7可知，周围土体为粉细砂，半圆试验桩直径为2.2 m，与空气接触的边界主要采用对流换热进行热传递，对于地下连续墙混凝土与空气对流取16.49 W/(m2·℃)。由于水泥土部分温度变化较敏感，因此模型在水泥土加固区进行局部网格细化处理，网格尺寸为0.1 m，剩余区域网格尺寸为0.5 m，均采用四节点网格进行划分。

图7 几何模型尺寸及边界条件(单位： m)

模型采用水化放热作为内热源，内热源为水泥土中水化产生，以室内试验所得的水化放热速率为依据换算得到，根据试验结果以生热率的形式施加，单位为kJ/(h·m3)。模型计算60 d内水化放热对土体温度的影响，以24 h为1个时间步，共60个时间步。在每个时间步上输入水化放热速率，软件内嵌的内热源计算公式进行积分得到每个时间步的放热量，并与前一时间步放热温度变化和影响范围叠加，得到当前时间步下水化放热导致的温度变化和升温范围。模型土体的各项参数根据本课题组所做水泥土室内试验选取[16]，见表2。

表2 模型材料参数

3.3 实测与数值模拟结果对比验证

不同水泥质量掺量半圆试验桩的中心温度和实测数据对比关系曲线如图8所示。由图可知： 1)模拟值与实测值变化趋势相近，MJS半圆试验桩在水化初期释放大量热量，测点在5 d左右水化放热量达到峰值，随后温度开始下降，下降速率先快后慢，在60 d时不同水泥质量掺量桩体中心温度均下降至30 ℃左右。2)桩体中心温度随水泥质量掺入比增大而升高，60%水泥质量掺入比半圆试验桩的中心温度最高可达到69.2 ℃，比45%和50%水泥质量掺入比半圆试验桩中心温度峰值分别高13.1 ℃和7.8 ℃。由于水泥质量掺入比越高，其水化热越大，不同水泥土的容积热容量与导热系数差距较小，因此水化放热越大其温度上升越高。3)由于测点C1-1靠近地下连续墙及测温管端部，且地下连续墙对流及热辐射作用加之测温管端部密封性不够，测点C1-1温度比内部温度降低更快；而数值模拟未能考虑其密封性因素，温度差距较大，不具可比性，因此删去该点对比。不同掺量段模拟值与实测值最大温差分别为2.5、3.9、2.6 ℃(60%、50%、45%)，由于假定中的大气温度在模型中是恒定不变的，而大气温度非恒定，因此导致温差产生。考虑到水泥土加固强度须满足施工和工期要求，应在30 d进行人工冻结加固，此时60%、50%和45%掺量MJS半圆试验桩的中心温度分别为44.1、43.0、41.4 ℃。

3.4 水泥土温度影响范围分析

图9示出了不同水泥质量掺量28 d时水化温度影响范围。取测点C1-2、C1-5、C1-7的Z截面作水泥水化热温度影响范围分析，标准龄期28 d时不同水泥质量掺入比下水泥土中心温度分别为45.38、41.15、40.42 ℃(60%、50%、45%)。由图9可知，土体温度由内到外逐渐降低，等温线呈椭圆形向外扩散，随水泥质量掺入比增大，土体受水泥土水化放热影响而升温的幅度增大。水化热导致的土体升温范围有限，不同水泥质量掺入比条件下，水泥土中心5 m范围外的土体温度较为接近，温度略大于原始地温，受水泥水化热影响较小。