橋梁樁基單樁儲熱與樁身力學特性模擬研究

張 寧 高利平 楊國梁

(內蒙古工業大學土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051)

1 概述

路面積雪與結冰會給道路通行和行駛安全帶來嚴重的影響。據統計,在冬季30%的交通事故受路面冰雪影響發生[1]。目前常用的清除路面積雪結冰方法是化學法。化學法主要依托化學融化劑,該法具有材料來源廣泛、價格便宜、化冰雪效果好,可以起到防滑作用,曾經被普遍應用。但此法造成的污染巨大，對路面腐蝕嚴重，為此花費的道路維護費用帶來很大的經濟損失[2]。目前對融冰融雪方法的研究集中在熱融法。熱融法是采用加熱的方式使冰雪融化,主要有電纜加熱、導電混凝土或瀝青以及循環熱流體方法[3，4]。近年來，美、日以及瑞典、冰島、挪威、波蘭等國家積極開展道路地熱融雪化冰技術研究。道路地熱融雪化冰技術具有節能、環保等優點，適用于道路、高速公路、機場跑道等，受到許多研究機構和單位的重視[5]。在當今提倡綠色經濟建設“美麗中國”的背景下，利用地熱能進行橋面除冰融雪是一種符合生態文明理念的融雪方式。本文使用有限差分軟件FLAC3D，建立單樁模型。然后通過初始地應力的平衡，進行樁基儲熱及樁身力學特性的模擬。再通過將樁基冬季儲熱得到溫度值代入橋面數值模擬中，做出力場與溫度場的耦合。模擬呼和浩特市，冬季利用地熱能對橋面進行除冰融雪的情況。

2 模型建立

研究樁基與土體傳熱的問題時，可將樁視為線熱源[6]。在建立模型時，我們設定樁基直徑D=0.6 m,樁身長L=20 m，模型水平邊界距樁中心的距離為3.3 m(5.5D)，模型豎向邊界距樁底的距離為5 m(1/4L)，取1/2模型進行研究。

樁基的幾何模型用柱體網格cylinder，劃分土體的幾何模型用柱形隧道外圍漸變放射網格radcylinder。其中在樁基附近網格分布較密，這樣做是為了提高樁土接觸面的計算精度。模型節點數為46 997，網格單元量為41 760，如圖1所示。

3 橋梁樁基單樁儲熱模擬

3.1 初始應力平衡

本模型中，初始地應力的生成采用更改強度參數的彈塑性解法。為避免計算過程中出現的屈服流動，將粘聚力和抗拉強度設為最大值。當計算達到平衡狀態后，再將粘聚力和抗拉強度改為該模型中分析所需的數值，最終計算至平衡狀態。

在計算初始地應力時，將不平衡比率設置為1e-6。當地應力達到平衡時，認為樁土已經固結完成。此時，樁土位移及應力分別如圖2，圖3所示。觀察圖2，圖3，初始地應力平衡后，模型豎向位移云圖和豎向應力云圖分布較均勻。其中豎向位移云圖中，樁土上部位移較大，下部位移較小，隨著深度的增加，樁體位移逐漸減小；豎向應力云圖中，樁土上部的應力較小，下部應力較大，隨著深度的增加，樁土豎向應力越來越大，對于樁體，在埋深-10 m左右存在著明顯的拉應力，樁體兩端為壓應力。

3.2 土壤初始溫度的確定

在本模型中，為了簡化分析，忽略了日溫度變化對地層的影響。主要考慮年溫度變化對地層的影響，得到地層某一深度下某點溫度，見式(1)[7]。

(1)

其中，τ為地表溫度開始變化開始計時間，h；Z為計算點埋深，地面Z=0；T(τ,Z)為特定時刻，Z處的溫度；Tm為地表年平均溫度；Aw為地表溫度年周期波幅。

由于恒溫層處于在地下15 m以下，因此在本模型中，為了簡化計算，我們認為樁基處于恒溫層，通過查閱呼和浩特地區有關淺層地熱能資料，得出呼和浩特地區土體溫度全年穩定在10 ℃；在夏季樁基儲熱模型中，由青松等[8]對呼和浩特地區夏季地表溫度的研究，可知夏季呼和浩特地區裸地溫度為30 ℃，因此得到夏季橋面換熱管溫度為30 ℃，所以夏季樁基換熱管初始溫度應設定在30 ℃。

4 橋梁樁基樁身力學特性模擬研究

4.1 橋梁樁基不同季節單樁儲熱模擬

4.1.1橋梁樁基冬季單樁儲熱模擬

通過樁基冬季單樁儲熱模擬，我們可以得出冬季樁身換熱管的換熱量，最終得到橋面換熱管溫度。本模型中，設定冬季樁基多層土體溫度為10 ℃，樁體換熱管溫度為1 ℃。

圖4是樁基冬季在不同儲熱時間下的樁身換熱管溫度圖。

如圖4所示，隨著樁基換熱埋管傳熱時間的增加，樁基換熱管溫度逐漸上升，在傳熱時間6 h～48 h內，樁基換熱管溫度上升較快，在傳熱時間48 h～120 h內，樁基換熱管溫度上升較慢。當傳熱120 h傳熱溫度最大，樁基換熱管溫度穩定在7.75 ℃。

4.1.2樁基夏季單樁儲熱模擬

在樁基夏季單樁儲熱模擬中，我們設定樁基多層土體溫度為10 ℃，樁體換熱管溫度為30 ℃。圖5是樁基夏季在不同儲熱時間下(1月、3月、5月、7月)的溫度圖。

如圖5所示，隨著樁基儲熱時間的增加，樁基傳熱半徑逐漸擴大，其中在樁基儲熱時間較短的1月所對應的傳熱半徑為3 m左右，其他儲熱時間下樁基傳熱半徑都大于3 m。

4.2 橋梁樁基傳熱溫度對樁身應力和位移的影響

為了研究傳熱溫度對樁基力學特性的影響，我們設置了樁基換熱管在不同傳熱時間情況下傳熱溫度對樁基埋管換熱器的樁身應力和樁身位移的影響。模型中，在為了可以更加直觀的研究不同傳熱時間對樁身應力、位移的影響，在樁周土附近施加了大小為40 000 Pa，方向向下的應力。

4.2.1樁基傳熱溫度對樁身應力的影響

圖6分別為在傳熱時間1月、6月、12月下，不同傳熱溫度下的樁身豎向應力圖，為了更加直觀研究傳熱溫度對能源樁樁身力學特性的影響，加入參照組傳統樁基的樁身豎向應力圖。

由圖6可以看出，傳熱時間一定時，在樁身豎向拉應力區段，隨著傳熱溫度的增加，這時樁身應力曲線在減小。在樁身豎向壓應力區段，隨著傳熱溫度的增加，樁身應力曲線也在增加。其中當傳熱時間為1個月，樁身主要受壓應力，呈W線型。在距樁頂19 m處，樁身壓應力達到最大值，隨著傳熱溫度的增加，樁身壓應力越來越大。傳熱時間為6月、12月時，隨著距樁頂距離的增加，樁身逐漸出現拉應力，在距樁頂10 m處，拉應力最大，隨后拉應力逐漸減小，樁身并出現壓應力，約距樁頂18 m處，達到樁身壓應力最大值。

4.2.2樁基傳熱溫度對樁身豎向位移的影響

圖7分別為在傳熱時間1月、6月、12月下，不同傳熱溫度下的樁身豎向位移圖，為了更加直觀研究傳熱溫度對能源樁力學特性的影響，加入參照組傳統樁基的樁身豎向位移圖。

由圖7可以看出，樁身豎向位移變化大致相同。隨著傳熱溫度的增加，樁身豎向位移也在增加。傳熱時間為1個月時，大約距樁頂0 m～8 m處，樁身豎向位移隨著傳熱溫度的增加而減小，8 m～20 m處，樁身豎向位移隨著傳熱溫度的增加而增加。傳熱時間為6月時，約距樁頂0 m～9 m處，樁身豎向位移隨著傳熱溫度的增加而減小，9 m～20 m處，樁身豎向位移隨著傳熱溫度的增加而增加。傳熱時間為12月時，距樁頂0 m～10 m處，樁身豎向位移隨著傳熱溫度的增加而減小，10 m～20 m處，樁身豎向位移隨著傳熱溫度的增加而增加。

5 結語

1)基于有限差分軟件FLAC3D，建立樁基單樁模型。先模擬呼和浩特地區冬季單樁儲熱，得出橋面樁基換熱管溫度穩定在7.75 ℃；再模擬呼和浩特地區樁基夏季在不同儲熱時間下的溫度場，發現傳熱影響半徑在3 m左右。

2)研究了傳熱溫度對樁身應力和樁身位移的影響，結果表明，隨著傳熱溫度的增加，樁身豎向拉應力在減小，壓應力在增大；樁身前半段豎向位移逐漸減小，樁身后半段豎向位移在逐漸增大。對于非能源樁，在不同樁基土固結時間下，樁身豎向拉應力前半段樁身豎向位移一直處于最大值，壓應力后半段樁身豎向位移處于最小值。