胡　俊，劉　勇，梁乾乾

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，?？?570228；2.新加坡國(guó)立大學(xué) 土木與環(huán)境工程系，新加坡 肯特崗 117576；

3.南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南京 210000)

?

設(shè)置1-2根圓形凍結(jié)管時(shí)凍結(jié)水泥土攪拌樁溫度場(chǎng)數(shù)值對(duì)比分析

胡俊1,2，劉勇2，梁乾乾3

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，?？?570228；2.新加坡國(guó)立大學(xué) 土木與環(huán)境工程系，新加坡 肯特崗 117576；

3.南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南京 210000)

摘要：為解決現(xiàn)有人工凍結(jié)法施工后周?chē)貙赢a(chǎn)生凍脹融沉所引發(fā)不良后果的問(wèn)題，凍結(jié)水泥土攪拌樁應(yīng)運(yùn)而生。本文對(duì)凍結(jié)水泥土攪拌樁的施工工藝作了簡(jiǎn)單介紹，運(yùn)用有限元軟件對(duì)設(shè)置1-2根圓形凍結(jié)管時(shí)凍結(jié)水泥土攪拌樁的溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值對(duì)比分析。主要得出：凍結(jié)水泥土攪拌樁在保證地層承載力和防水性能的基礎(chǔ)上，既可提高水泥土攪拌樁的抗剪和抗彎能力，也可減少水泥用量；設(shè)置1根凍結(jié)管交圈所用時(shí)間是設(shè)置2根凍結(jié)管的4倍；凍結(jié)40d時(shí)，設(shè)置2根凍結(jié)管比設(shè)置1根凍結(jié)管的凍土墻厚度厚0.6m；路徑1上各點(diǎn)離凍結(jié)管越遠(yuǎn)降溫越慢，降溫速度先快后慢，由鹽水降溫計(jì)劃所決定；當(dāng)使用凍結(jié)水泥土攪拌樁施工時(shí)，建議采用設(shè)置2根凍結(jié)管的形式。所得結(jié)果可為今后類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：凍結(jié)水泥土攪拌樁；水泥土；凍結(jié)法；溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬

引文格式：胡俊，劉勇，梁乾乾.設(shè)置1-2根圓形凍結(jié)管時(shí)凍結(jié)水泥土攪拌樁溫度場(chǎng)數(shù)值對(duì)比分析[J].森林工程，2016，32(1)：77-82.

0引言

人工凍結(jié)法施工后，會(huì)使周?chē)貙赢a(chǎn)生凍脹融沉現(xiàn)象，對(duì)周?chē)h(huán)境來(lái)說(shuō)，使得土的工程性質(zhì)和相鄰建筑物受到不良影響，例如造成地基失穩(wěn)，使鄰近建筑物產(chǎn)生傾斜、裂縫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致建筑物坍塌等事故，或使地下管線(xiàn)發(fā)生破壞等不良后果[1-5]。為了解決現(xiàn)有的人工凍結(jié)法施工后周?chē)貙赢a(chǎn)生凍脹融沉所引發(fā)不良后果的問(wèn)題，一種凍結(jié)水泥土攪拌樁應(yīng)運(yùn)而生，它是在水泥土攪拌樁樁體的中心部位或周圈設(shè)置有一根或數(shù)根凍結(jié)管，凍結(jié)管的底部位于樁體底端上方0.5～1m。

本文對(duì)這種凍結(jié)水泥土攪拌樁作一簡(jiǎn)單介紹，運(yùn)用有限元軟件對(duì)設(shè)置1-2根圓形凍結(jié)管時(shí)凍結(jié)水泥土攪拌樁的溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行數(shù)值對(duì)比分析，論證采用凍結(jié)水泥土攪拌樁施工的可行性，為今后類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供理論與數(shù)值參考依據(jù)。

1凍結(jié)水泥土攪拌樁

1.1簡(jiǎn)介

凍結(jié)水泥土攪拌樁由兩部分組成：第一部分為水泥土攪拌樁體；第二部分為插入水泥土攪拌樁中的凍結(jié)管。凍結(jié)管在樁體的中心部位或周圈設(shè)置有一根或數(shù)根，直徑通常為89、108、127、146、159、168 mm，其底端位于樁體底端上方0.5～1m。凍結(jié)管材質(zhì)通常為無(wú)縫低碳鋼管，也可以采用PVC、PPR、ABS和PE等塑料管；凍結(jié)管截面通常為圓形，也可以采用“工字形”、“X形”、“T形”、“Y形”等異形截面。

本工法在水泥土攪拌樁中實(shí)施凍結(jié)法，可有效地抑制凍脹融沉現(xiàn)象。同時(shí)，水泥土攪拌樁抗剪能力和抗彎能力不足，在水泥土攪拌樁中插入凍結(jié)管實(shí)施凍結(jié)，形成凍結(jié)水泥土攪拌樁，在保證地層承載力和防水性能的基礎(chǔ)上，既可以提高水泥土攪拌樁的抗剪能力和抗彎能力，也可減小水泥的使用量，節(jié)省成本。本工法可以應(yīng)用于基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)進(jìn)出洞端頭的土體加固，以及地基處理工程中。本工法平面布置如圖1所示。

圖1　凍結(jié)水泥土攪拌樁平面布置圖(1—凍結(jié)管；2—水泥土攪拌樁)Fig.1 Layout of frozen ground improved by deep cement mixing(1.Freezing pipe；2.Deep cement mixing soils)

1.2施工工藝

凍結(jié)水泥土攪拌樁施工工藝流程如圖2所示。

圖2　凍結(jié)水泥土攪拌樁的施工工藝流程圖Fig.2 Construction procedure of frozen groundimproved by deep cement mixing

1.3注意事項(xiàng)

(1)凍結(jié)管必須在攪拌樁機(jī)鉆桿提出后立即插入，以保證在水泥土未凝結(jié)之前完成。

(2)選用的凍結(jié)管外表面必須通直光滑，先采用人工往樁中心壓入一部分凍結(jié)管，再利用樁機(jī)將凍結(jié)管剩余部分全部壓入水泥土中。

(3)凍結(jié)水泥攪拌樁施工完畢，挖除樁頭松散破碎的部分，露出20～30cm凍結(jié)管管頭，沿樁頂將凍結(jié)管用鋼筋網(wǎng)連接，并用C20混凝土澆筑成鎮(zhèn)口板。

(4)凍結(jié)管接頭采用螺紋加焊接，抗拉強(qiáng)度不低于母管的75%。

(5)凍結(jié)管插入前要先配管，保證凍結(jié)管同心軸線(xiàn)重合，焊接時(shí)，焊縫要飽滿(mǎn)，保證凍結(jié)管有足夠強(qiáng)度，以免拔管時(shí)凍結(jié)管斷裂。

(6)凍結(jié)管插入完畢后，用木塞等封堵管口，以免異物掉進(jìn)凍結(jié)管。

2溫度場(chǎng)數(shù)值模型的建立

2.1計(jì)算基本假定

假定粘土和粘土水泥土具有均勻的初始溫度場(chǎng)，初始溫度由于水泥水化熱的影響取35℃；水泥土視為均質(zhì)、熱各向同性體；直接將溫度荷載施加到凍結(jié)管管壁上；忽略水分遷移的影響。

2.2計(jì)算模型參數(shù)選取

本文運(yùn)用ADINA軟件建立二維溫度場(chǎng)數(shù)值模型，選取了九節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分格式，網(wǎng)格劃分后的計(jì)算模型如圖3所示。

圖3　網(wǎng)格劃分后模型及研究路徑示意圖Fig.3 Illustrations of model size and mesh size with two paths

水泥土攪拌樁直徑為1 000mm，凍結(jié)管直徑為127mm。水泥土攪拌樁中設(shè)置1根凍結(jié)管時(shí)，凍結(jié)管設(shè)置在每根樁體的中心部位。設(shè)置2根凍結(jié)管時(shí)，兩根凍結(jié)管間距600mm，每根凍結(jié)管距樁體中心300mm，距樁體外邊緣200mm。土層厚度為3 000mm。

模型的材料參數(shù)見(jiàn)表1，依據(jù)為相關(guān)報(bào)告及試驗(yàn)[8-12]。

凍結(jié)前粘土水泥土初始溫度由于水泥水化熱的影響取35℃，并在整體模型邊界面上保持不變。凍結(jié)管管壁為熱荷載邊界，以鹽水溫度作為邊界荷載，積極凍結(jié)期間鹽水降溫計(jì)劃見(jiàn)表2。

根據(jù)降溫計(jì)劃，取凍結(jié)時(shí)間步為40步，每步時(shí)間長(zhǎng)為24h。采用帶相變的瞬態(tài)導(dǎo)熱模型。

2.3研究路徑

為了更好地研究設(shè)置1-2根圓形凍結(jié)管時(shí)凍結(jié)水泥土攪拌樁的溫度場(chǎng)發(fā)展與分布規(guī)律，布置了路徑1(1～10號(hào)分析點(diǎn))以及水泥土攪拌樁的相切點(diǎn)(11、12號(hào)分析點(diǎn))，如圖3所示。路徑1設(shè)置在豎直方向，每隔100mm布置一分析點(diǎn)，10號(hào)分析點(diǎn)離凍結(jié)管表面的豎直距離為1m。

3溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與分析

3.1凍土帷幕溫度場(chǎng)等值線(xiàn)

圖4為不同凍結(jié)時(shí)間溫度場(chǎng)計(jì)算等值線(xiàn)圖。

表1　土體材料參數(shù)

表2　鹽水溫度降溫計(jì)劃

可以看出：設(shè)置2根凍結(jié)管時(shí)，在凍結(jié)第五天就已經(jīng)開(kāi)始交圈，此時(shí)就可以有效地阻斷水泥土攪拌樁之間的滲水通道，而對(duì)于設(shè)置1根凍結(jié)管的情況，到凍結(jié)20d時(shí)凍土帷幕才開(kāi)始交圈，交圈所用時(shí)間是設(shè)置2根凍結(jié)管的4倍。剛開(kāi)始凍結(jié)時(shí)凍土帷幕溫度是以?xún)鼋Y(jié)管為圓心呈同心圓分布，離凍結(jié)管越近溫度越低，交圈后形成凍土墻，隨著凍結(jié)時(shí)間的增加凍土墻厚度越來(lái)越厚。凍結(jié)30d時(shí)，設(shè)置2根凍結(jié)管的凍土墻厚度發(fā)展到1.4m，-10℃等溫線(xiàn)發(fā)展到離凍結(jié)管400mm，設(shè)置1根凍結(jié)管的凍土墻厚度發(fā)展到1.0m，-10℃等溫線(xiàn)發(fā)展到離凍結(jié)管250mm且尚未交圈。凍結(jié)40d時(shí)，設(shè)置2根凍結(jié)管的凍土墻厚度發(fā)展到1.8m，-10℃等溫線(xiàn)發(fā)展到離凍結(jié)管500mm，設(shè)置1根凍結(jié)管的凍土墻厚度發(fā)展到1.2m，-10℃等溫線(xiàn)開(kāi)始交圈且發(fā)展到離凍結(jié)管300mm。最終，設(shè)置2根凍結(jié)管比設(shè)置1根凍結(jié)管的凍土墻厚度厚0.6m。

3.2路徑與分析點(diǎn)對(duì)比分析

3.2.1路徑1

(1) 設(shè)置1根凍結(jié)管時(shí)

設(shè)置1根凍結(jié)管時(shí)路徑1上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖5所示?？梢钥闯觯嚎拷鼉鼋Y(jié)管的1號(hào)分析點(diǎn)降溫最快，凍結(jié)10d時(shí)溫度降到0℃；剩下各點(diǎn)離凍結(jié)管越遠(yuǎn)降溫越慢；6～10號(hào)分析點(diǎn)在降溫過(guò)程中溫度都在0℃之上，5號(hào)分析點(diǎn)在凍結(jié)40d時(shí)溫度才降溫到0℃，說(shuō)明此時(shí)凍土墻厚度發(fā)展到1.2m。

圖4　不同凍結(jié)時(shí)間溫度場(chǎng)計(jì)算等值線(xiàn)Fig.4 Isotherm curves at different freezing time points in the temperature field

圖6為設(shè)置1根凍結(jié)管時(shí)路徑1上各點(diǎn)不同時(shí)間的溫度空間分布曲線(xiàn)。可以看出：路徑1上不同時(shí)間的溫度都是離凍結(jié)管越近溫度越低；降溫速度先快后慢，由鹽水降溫計(jì)劃所決定；凍結(jié)40d時(shí)，5號(hào)分析點(diǎn)溫度才降溫到0℃以下，6-10號(hào)分析點(diǎn)溫度都在0℃以上。

圖5　設(shè)置1根凍結(jié)管時(shí)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.5.Termperature change with cooling timeat different points with 1 freezing pipe

圖6　設(shè)置1根凍結(jié)管時(shí)各點(diǎn)不同時(shí)間溫度空間分布圖Fig.6 Temperature change with spatial locationat different points with 1 freezing pipe

(2) 設(shè)置2根凍結(jié)管時(shí)

設(shè)置2根凍結(jié)管時(shí)路徑1上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖7所示。可以看出：與設(shè)置1根凍結(jié)管時(shí)相似，各點(diǎn)離凍結(jié)管越遠(yuǎn)降溫越慢；1號(hào)分析點(diǎn)降溫最快，凍結(jié)5d時(shí)溫度就降到0℃以下；只有9、10號(hào)分析點(diǎn)在降溫過(guò)程中溫度都在0℃之上，8號(hào)分析點(diǎn)在凍結(jié)40d時(shí)溫度才降溫到0℃，說(shuō)明此時(shí)凍土墻厚度發(fā)展到1.8m。

圖7　設(shè)置2根凍結(jié)管時(shí)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.7 Temperature change with cooling timeat different points with 2 freezing pipes

圖8　設(shè)置2根凍結(jié)管時(shí)各點(diǎn)不同時(shí)間溫度空間分布圖Fig.8 Temperature change with spatial locationat different points with 2 freezing pipes

圖8為設(shè)置2根凍結(jié)管時(shí)路徑1上各點(diǎn)不同時(shí)間的溫度空間分布曲線(xiàn)?？梢钥闯觯簝鼋Y(jié)40d時(shí)，8號(hào)分析點(diǎn)溫度才降溫到0℃以下，9、10號(hào)分析點(diǎn)溫度都在0℃以上。

3.2.2水泥土攪拌樁相切點(diǎn)(11、12號(hào)分析點(diǎn))

11、12號(hào)分析點(diǎn)為水泥土攪拌樁的相切點(diǎn)，由于對(duì)稱(chēng)性，11、12號(hào)分析點(diǎn)的降溫曲線(xiàn)是一致的，當(dāng)設(shè)置不同根數(shù)的凍結(jié)管時(shí)降溫曲線(xiàn)才有差別。圖9為設(shè)置1-2根凍結(jié)管時(shí)11、12號(hào)分析點(diǎn)降溫對(duì)比曲線(xiàn)圖，可以看出：當(dāng)設(shè)置2根凍結(jié)管時(shí)，在水泥土攪拌樁相切處的降溫過(guò)程明顯快于設(shè)置1根凍結(jié)管的情況，凍結(jié)5d時(shí)設(shè)置2根凍結(jié)管的11、12號(hào)分析點(diǎn)就降溫到0℃以下，而設(shè)置1根凍結(jié)管時(shí)需要凍結(jié)20d；到了凍結(jié)40d時(shí)，設(shè)置1-2根凍結(jié)管的11、12號(hào)分析點(diǎn)溫差約為14℃。

圖9　11、12號(hào)分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.9 Temperature change with cooling time at Points 11 and 12

圖10　1號(hào)分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.10 Temperature change with cooling time at Point 1

圖11　10號(hào)分析點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.11 Temperature change with cooling time at Point 10

圖10和圖11分別為設(shè)置1-2根凍結(jié)管時(shí)1、10號(hào)分析點(diǎn)降溫對(duì)比曲線(xiàn)圖，可知，凍結(jié)40d時(shí)，設(shè)置1-2根凍結(jié)管的1號(hào)分析點(diǎn)溫差約為1.5℃，10號(hào)分析點(diǎn)溫差約為7℃。說(shuō)明到了凍結(jié)后期，設(shè)置2根凍結(jié)管時(shí)對(duì)于水泥土攪拌樁相切處的降溫影響要比豎直方向的降溫影響大，而水泥土攪拌樁相切處最容易存在滲水通道，故當(dāng)使用凍結(jié)水泥土攪拌樁施工時(shí)，建議采用設(shè)置2根凍結(jié)管的形式。

4結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)凍結(jié)水泥土攪拌樁的施工工藝作了簡(jiǎn)單介紹，運(yùn)用有限元軟件對(duì)設(shè)置1-2根圓形凍結(jié)管時(shí)凍結(jié)水泥土攪拌樁的溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值對(duì)比分析，主要得出以下結(jié)論。

(1)在水泥土攪拌樁中插入凍結(jié)管實(shí)施凍結(jié)，形成凍結(jié)水泥土攪拌樁，在保證地層承載力和防水性能的基礎(chǔ)上，既可提高水泥土攪拌樁的抗剪和抗彎能力，也可減少水泥用量，節(jié)省成本。

(2)設(shè)置1根凍結(jié)管交圈所用時(shí)間是設(shè)置2根凍結(jié)管的4倍；凍結(jié)40d時(shí)，設(shè)置2根凍結(jié)管比設(shè)置1根凍結(jié)管的凍土墻厚度厚0.6m。

(3)設(shè)置1-2根凍結(jié)管時(shí)路徑1上各點(diǎn)離凍結(jié)管越遠(yuǎn)降溫越慢，降溫速度先快后慢，由鹽水降溫計(jì)劃所決定；凍結(jié)40d時(shí)，設(shè)置1根凍結(jié)管的凍土墻厚度發(fā)展到1.2m，設(shè)置2根凍結(jié)管的凍土墻厚度發(fā)展到1.8m。

(4)凍結(jié)后期設(shè)置2根凍結(jié)管時(shí)對(duì)于水泥土攪拌樁相切處的降溫影響要比豎直方向的降溫影響大，而水泥土攪拌樁相切處最容易存在滲水通道，故當(dāng)使用凍結(jié)水泥土攪拌樁施工時(shí)，建議采用設(shè)置2根凍結(jié)管的形式。

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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

作者簡(jiǎn)介：第一胡俊，博士，講師。研究方向：隧道及地下工程方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：hj7140477@hainu.edu.cn

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M580559)；海南省教育廳高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(Hnky2015-10)；留學(xué)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助啟動(dòng)類(lèi)項(xiàng)目(人社廳函[2014]240號(hào))；海南省科技項(xiàng)目(ZDXM2015117)

收稿日期：2015-08-07

中圖分類(lèi)號(hào)：S 714.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2016)01-0077-06