陳川

（陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），西安 710043）

青藏鐵路凍土區(qū)的橋梁工程分為兩大類型，一類是跨越流水河谷及湖塘，另一類是跨越溫度極不穩(wěn)定的高含冰量?jī)鐾羺^(qū)。第二類橋梁基礎(chǔ)大多數(shù)采用鉆孔灌注樁[1]。青藏鐵路沿線凍土區(qū)年平均地溫基本維持在0～-3.5℃，而混凝土入模溫度一般控制在2～10℃[2]。混凝土澆筑后凍土?xí)展嘧痘炷了療?，使得樁體長(zhǎng)期處于持續(xù)低溫的環(huán)境下。低溫的水化環(huán)境使得各個(gè)齡期混凝土的水化速率和水化程度相應(yīng)降低[3]。雖然混凝土水化放熱量的減小能夠降低對(duì)多年凍土的擾動(dòng)，但在低溫環(huán)境下澆筑混凝土也會(huì)導(dǎo)致樁身水化反應(yīng)不充分、混凝土強(qiáng)度不夠等問題[4-5]。

本文采用中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研發(fā)的人工氣候模擬試驗(yàn)箱，在凍土層中進(jìn)行灌注樁澆筑試驗(yàn)，同時(shí)使用有限元軟件ANSYS對(duì)低溫環(huán)境下凍土-灌注樁溫度場(chǎng)變化情況進(jìn)行模擬。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)校核數(shù)值模擬參數(shù)，以求得能夠預(yù)測(cè)不同入模溫度、不同樁徑、不同凍土溫度條件下凍土-灌注樁溫度場(chǎng)變化規(guī)律的數(shù)值模型。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用溫度巡檢儀、溫度識(shí)別傳感器、人工氣候模擬試驗(yàn)箱（圖1）等設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。其中，凍土試驗(yàn)箱為圓柱形，直徑90 cm，高105 cm。

1.2 試驗(yàn)材料

1）試驗(yàn)用土

黃土過篩，篩孔孔徑0.5 mm。采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)得黃土液限wl=27.2%，塑限wp=27.2%。根據(jù)輕型擊實(shí)試驗(yàn)得到黃土最大干密度為1.98 g/cm3，最優(yōu)含水率為15%。

2）試驗(yàn)灌注樁

模擬樁體采用C35水下混凝土，樁直徑30 cm，高80 cm?；炷僚浜媳纫姳?。P·O 42.5普通硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)見表2。碎石顆粒級(jí)配為5～20 mm，含泥量0.5%，泥塊含量0.1%，壓碎指標(biāo)10%，表觀密度2 670 kg/m3，級(jí)配見表3。天然砂細(xì)度模數(shù)2.9，含泥量0.7%，表觀密度2 600 kg/m3，松散、緊密堆積密度分別為1 514.9，1 764.4 kg/m3，級(jí)配見表4。

表1 C35水下混凝土配合比 kg·m-3

表2 P·O 42.5普通硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)

表3 碎石的級(jí)配

表4 天然砂的級(jí)配

1.3 試驗(yàn)步驟

①監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。將人工氣候模擬試驗(yàn)箱設(shè)置為恒溫-5℃，在試驗(yàn)箱中心預(yù)留澆筑孔，逐層填埋凍土，并在監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋置溫度傳感器（圖2）。填埋完成后，凍土溫度將最終穩(wěn)定在-5℃。在灌注樁鋼筋籠上按照設(shè)計(jì)位置布設(shè)溫度傳感器，然后將鋼筋籠放置于預(yù)留澆筑孔中。②混凝土入模。拌制混凝土?xí)r采用0℃的水拌和，控制混凝土溫度為5℃，將其澆筑入模。③數(shù)據(jù)采集。混凝土澆筑完成后，采用溫度巡檢儀實(shí)測(cè)凍土-灌注樁溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖2 在凍土層中埋置溫度傳感器

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

持續(xù)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)30 d，獲取混凝土灌注樁內(nèi)、凍土體溫度變化情況，見表5、表6。可以看出：①混凝土澆筑后，灌注樁樁心溫度最高，樁體表面溫度最低。由于受水泥水化熱影響，樁心溫度短暫上升，隨后開始下降，入模5 h降至0℃，入模720 h（30 d）降至-4.9℃。②凍土體受到混凝土入模溫度影響，土體溫度不斷上升，混凝土入模自帶熱量以及樁身混凝土水化熱從樁體表面向凍土內(nèi)傳遞，樁體表面凍土層逐漸融化，但很快又降至0℃以下。

表5 混凝土灌注樁內(nèi)溫度變化情況

表6 混凝土灌注樁內(nèi)溫度變化情況

2 凍土-灌注樁混凝土溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 參數(shù)的確定

首先根據(jù)JGJ 118—2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定模型中灌注樁以及凍土層的熱物理參數(shù)，再依照試驗(yàn)實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)加以調(diào)整。調(diào)整后參數(shù)見表7。

表7 灌注樁以及凍土層的熱物理參數(shù)

灌注樁混凝土入模溫度設(shè)定為+10℃，凍土體溫度設(shè)定為-5℃，邊界條件設(shè)定為-5℃。

2.2 模型的建立

凍土與灌注樁的傳熱過程屬于瞬態(tài)傳熱。采用有限元軟件ANSYS，根據(jù)灌注樁和凍土層的軸對(duì)稱性，取灌注樁和凍土體縱斷面的1/4建立模型。采用軸對(duì)稱單元進(jìn)行求解。

2.3 模擬結(jié)果分析

利用模型算得各個(gè)齡期的凍土-灌注樁模擬溫度場(chǎng)見圖 3。結(jié)合表5、表 6可知：齡期1 h，3 h，1 d，30 d時(shí)樁心混凝土溫度模擬值分別為11.2，4.7，-3.8，-4.8℃，實(shí)測(cè)值分別為 10.8，4.4，-3.9，-4.9℃；齡期30 d時(shí)凍土-灌注樁溫度場(chǎng)基本達(dá)到恒溫，溫度模擬值在-4.8～-5.0℃，實(shí)測(cè)值為-4.9℃?？梢姡M結(jié)果能真實(shí)反映了灌注樁澆筑后溫度場(chǎng)變化過程，可利用該模型對(duì)其他工況下凍土-灌注樁溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，進(jìn)而預(yù)測(cè)不同入模溫度、不同樁徑、不同凍土溫度條件下灌注樁混凝土水化溫度變化范圍。

圖3 各個(gè)齡期凍土-灌注樁模擬溫度場(chǎng)（單位：℃）

3 結(jié)語

本文利用人工氣候模擬試驗(yàn)箱，通過控制試驗(yàn)溫度條件，模擬多年凍土環(huán)境中凍土-灌注樁溫度場(chǎng)隨齡期變化情況。在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的凍土-灌注樁溫度場(chǎng)數(shù)值模型。依據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校核，使模擬結(jié)果更加符合實(shí)際。利用參數(shù)優(yōu)化后的溫度場(chǎng)模型，可預(yù)測(cè)不同工況下凍土-灌注樁混凝土溫度場(chǎng)變化情況。