大截面抗滑樁水化熱溫度場及應力場機理分析研究

侯小強 ，姚政學，王 健 ，王 政 ，侯艷平

（1.甘肅建筑職業技術學院，甘肅蘭州 730050；2.甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，甘肅蘭州 730000；3.國網蘭州供電公司，甘肅蘭州 730030；4.甘肅慶城縣供電局，甘肅慶城 745100）

1 概述

抗滑樁是穿過滑坡體深入于滑床的樁柱，用以支擋滑體的滑動力，起穩定邊坡的作用，適用于淺層和中厚層的滑坡，是一種抗滑處理的主要措施。抗滑樁對滑坡體的作用是利用抗滑樁插入滑動面以下的穩定地層對樁的抗力（錨固力）平衡滑動體的推力，增加其穩定性。當滑坡體下滑時受到抗滑樁的阻抗，使樁前滑體達到穩定狀態。當土層沿滑面滑動時，錨固深度采用樁徑的2～5倍。實心抗滑樁體積較大，大多斷面尺寸為1.8 m×2.2～3.0 m×4.2 m之間，延米工程量在3.96～12.6 m3，每立方米鋼筋用量一般在90～120 kg之間。大體積混凝土澆筑，容易產生大量水化熱，內部溫度急劇上升，徐變很大，升溫引起的一定壓力，但隨溫度逐漸降低時，彈性模量較大，徐變較小，在一定約束條件下會產生相當大的拉應力。此外，如果出現拉應力超過了容許應力，就會出現裂縫，影響混凝土質量[1-4]。由于拉壓應力在水化熱反期間交替變化，引起內部溫度場和內部應力場交替變化。根據此，筆者本人提出箱型結構抗滑樁，解決了水化熱條件下具有內部溫度和應力場變化等因素。且針對箱型鋼筋混凝土結構和箱型預應力混凝土結構力學，該兩種結構通過一系列模擬機現場試驗抗彎抗剪均能滿足實心抗滑樁的抗滑要求[5-6]，由于篇幅本文不在論證。

箱型抗滑樁依靠自身結構具有較大的表面積來提高散熱效果，在混凝土水化熱反應期間，做好孔內灑水養生，具有迅速散熱功能，抗滑樁內外溫度處于平穩，使溫差大大降低，避免因混凝土水化熱溫度過高而產生裂縫，影響抗滑樁的安全性和耐久性[7-10]。目前，抗滑樁水化熱溫度場及溫度應力場機理方面研究較少，筆本次者針對箱型抗滑樁和實心抗滑樁兩種結構從水化熱方面分析其溫度場及溫度應力場影響程度。

2 混凝土熱傳導理論

混凝土內部溫度場計算的實質是熱傳導方程在特定邊界條件和初始條件下的求解，整個傳熱過程為瞬態傳熱。大體積混凝土的水化熱溫度場即為瞬態傳熱過程。對于瞬態傳熱的溫度場，系統的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統內能隨時間都有明顯變化。根據能量守恒原理，瞬態熱平衡可以表達為(三維瞬態溫度場的熱傳導方程為：

式中：λ為導熱系數，單位為kJ/（m·h·℃）；c為比熱，單位為kJ/（kg·℃）；t為時間，單位為h；ρ為密度，單位為kg/m3；θ為混凝土的絕熱溫升，單位為kJ/kg。

3 有限元模型建立及條件設置

3.1 有限元三維模型

本次以箱型抗滑樁和普通實心混凝土抗滑樁兩者結合起來進行比較研究。截面面積分別為3 m×4m進行研究，其中箱型結構中，為3 m×4 m箱內尺寸為1.5 m×2 m，樁長均為為20 m，分別按照懸臂樁和埋入式兩種進行研究，其中懸臂樁錨固深度為8m，混凝土等級強度為C30。

采用大型有限元軟MIDAS/Civil本建模，為保證分析其溫度場和應力場直觀性，按照1/4建立三維模型。其中橫向和豎向均按照0.375m劃分單元，其中實心抗滑樁共有875各節點，576各單元，箱型抗滑樁共有803個節點，384各單元。地基土體均為1 381個節點，1 008個單元，見圖1、圖2和表1。

圖1 實心抗滑樁1/4模型

圖2 箱型抗滑樁1/4模型

表1 抗滑樁及巖土物理參數一覽表

3.2 初始條件和邊界條件

熱傳導方程而建立了物體的溫度和時間、空間的一般關系,用熱傳導方程的求得的解有無限多,只要確定了物體的初始條件和邊界條件,就可以從無限多熱傳導方程的解中得到所需的溫度場。初始條件為在初始狀態下,物體內部的溫度場分布規律;邊界條件為混凝土表面與周圍介質(如空氣或水)之間溫度相互作用的規律。具體如下：

（1）混凝土澆筑溫度取20℃；地基土體的初始溫度，在考慮了地表溫度和地下較深層的穩定溫度后，取為10℃。

（2）抗滑樁頂面及外露面與空氣接觸，此邊界上存在與空氣的熱對流，屬于熱分析中的第三類邊界條件，因此，將對流邊界條件作為面荷載施加于實體的表面(具體輸入參數為對流系數和環境溫度)。氣溫作為溫度邊界條件，取20℃。

（3）最大絕熱溫升計算，本次選用普通硅酸鹽水泥，澆筑溫度20℃，單位水泥用量370 kg/m3,F（t）＞k×[1-e(-a×t）]=53.7℃，見圖3。混凝土水化熱在3 d以后，溫度接近于平穩。

圖3 C30混凝土水化熱升溫隨時間變化曲線溫度

4 抗滑樁溫度和應力場分析

混凝土中水泥的水化熱是影響混凝土溫度應力的重要因素。水泥在水化過程中會釋放出一定量的水化熱，而大體積混凝土的尺寸一般比較厚大，本次采用的C30混凝土表面散熱容易而混凝土內部積聚的水化熱散發不出，以致內部溫度高達53.7℃，內部溫度高于外表面溫度，因此，混凝土內部膨脹而表面收縮，表面的收縮受到內部的約束就會產生拉應力，當超過混凝土抗拉強度時就會開裂。本次主要通過水化熱產生的溫度場變化和引發的應力場變化進一步分析。

4.1 溫度場分析

從圖4～圖14可以看出，實心結構抗滑樁由于錨固段以上同外界環境接觸，散失溫度降低速度較快，錨固段在土體握裹，則由于地基土熱傳導較低，熱量散失較慢，在第5～20 h溫度升高到最大值，20 h時混凝土內部逐漸升高，溫度達到最高值48.5℃，混凝土外部溫度及錨固段巖土部分溫度一直在20℃左右。在這20 h期間，混凝土最高溫度部位由混凝土結構整體逐漸下移至樁底（即巖土地基埋入部分），內外溫差逐漸增加。在20～300 h期間，混凝土內部逐漸降低，內外溫差逐漸降低。箱型結構抗滑樁由于結構內部和外部均于外界相接觸，空氣對流作用，熱量散失較快，在第10 h達到混凝土內部最高溫25.97℃，且最高溫度部位由混凝土結構整體逐漸下移至樁底（即巖土地基埋入部分）混凝土外表層溫度達到19.86℃～20.12℃之間。因此，箱型結構抗滑樁內外最高溫度和最低溫度差在5℃左右，10～300 h箱型結構抗滑樁內外最高溫度和最低溫度差在接近于0，混凝土在澆筑75 h以后，大部分水化熱基本散失。

圖4 實心抗滑樁澆筑完5 h溫度

圖5 箱型抗滑樁澆筑完5 h溫度

圖6 實心抗滑樁澆筑完10 h溫度

圖7 箱型抗滑樁澆筑完10 h溫度

圖8 實心抗滑樁澆筑完20 h溫度

圖9 箱型抗滑樁澆筑完20 h溫度

圖10 實心抗滑樁澆筑完35 h溫度

圖11 箱型抗滑樁澆筑完35 h溫度

圖12 實心抗滑樁澆筑完50 h溫度

圖13 箱型抗滑樁澆筑完50 h溫度

圖14 抗滑樁澆筑后不同時間最高溫度

4.2 應力場分析

大體積混凝土在澆筑以后，水泥水化產生大量的水化熱，由于外露表面形式和大小不同，混凝土內外溫差不同，中心混凝土與外部混凝土產生變形也不同，形成拉應力或壓應力，當應力超過容許應力，就形成了裂縫。因此，分析抗滑樁在XX和YY方向節點應力對判斷是否出現裂縫相當重要。

如圖15，4節點1238和126，兩個節點分別為實心抗滑樁在XX方向同一水平截面上應力差別較大節點，由圖16可知，各節點在不同時間容許應力隨著時間延長強度逐漸增加，在75 h（3 d）強度增加較快；1238節點處于抗滑樁的中心部，在20 h水化熱反應，產生壓應力達到1.706 5 MPa,在50 h時，應力為0，隨后表現為拉應力1.2 MPa左右。1264節點在20 h水化熱反應，產生拉應力達到0.832 4 MPa,在40 h時，應力為0，隨后表現為壓應力1.640 5 MPa左右，且應力均為超過其容許應力，說明在該截面上不會出現裂縫。

圖15 實心抗滑樁澆筑完20 h應力（XX）方向

圖16 實心抗滑樁節點XX方向應力和容許抗拉強度

如圖17，節點1273和1195，兩個節點分別為實心抗滑樁在YY方向同一水平截面上應力差別較大節點，由圖18可知，各節點在不同時間容許應力隨著時間延長強度逐漸增加，在75 h（3 d）強度增加較快；1273節點處于抗滑樁的中心部，在20 h水化熱反應，產生壓應力達到1.687 9 MPa,在44 h時，應力為0，隨后表現為拉應力1.203 9MPa左右。1195節點5～20 h期間，產生拉應力由0.460 9 MPa到最大值1.332 5 MPa,該節點即時容許應力均小于實際拉應力，在前20 h，最有可能出現裂縫。在20 h之后，兩個節點的容許應力大于節點應力。

圖17 實心抗滑樁澆筑完20 h應力（YY）方向

圖18 實心抗滑樁節點YY方向應力和容許抗拉強度

如圖19和圖20，節點1406和1405，兩個節點分別為箱型抗滑樁在XX和YY方向同一水平截面上應力差別較大節點，由圖21可知，各節點在不同時間容許應力隨著時間延長強度逐漸增加，在75 h（3 d）強度增加較快；1404節點處于抗滑樁的中心部，在5 h水化熱反應，產生壓應力達到0.215 13MPa,在70 h時，應力為0，隨后表現為拉應力0.12 MPa左右。1405節點水化熱反應隨著時間增加壓應力逐漸增加，產生壓應力達到0.289 9 MPa。節點應力遠遠小時節點應力，不會出現裂縫，且受溫度產生的應力影響較小。

圖19 箱型抗滑樁澆筑完20 h應力（XX）方向

圖20 箱型抗滑樁澆筑完20 h應力（YY）方向

圖21 箱型抗滑樁應力和容許抗拉強度

5 結論

通過利用有限元模擬分析，根據工程和現場環境的在特點，準確地模擬了實心和箱型兩種抗滑樁，混凝土水化熱產生的溫度場和應力場變化狀況，計算中考慮了與空氣的對流及與錨固地基土的熱傳遞等各種初始條件和邊界條件因素。通過對兩種結構抗滑樁對里表溫差、溫度峰值、溫度峰值、拉壓應力和容許應力出現時間的影響分析出現時間的影響分析，得出以下結論：

（1）認為兩種結構抗滑樁在水化熱反應初期，溫度場呈凸形變化，先增高在降低，實心結構在20 h時達到最高值48.5℃，箱型結構10 h達到最高值25.97℃，實心結構元高于箱型結構，且實心結構樁內部高溫部分由樁頂想樁底錨固段移動明顯與箱型結構；

（2）通過應力場分析，實心結構節點最大應力在20 h之前，水化熱產生節點最大應力大于容許應力，混凝土存在裂縫可能，箱型結構節點最大應力遠遠小于容許應力，混凝土不會出現裂縫。因此，箱型抗滑樁具有很強的耐久性和安全性。

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