持續低溫環境下混凝土灌注樁溫度場模擬研究

陳川

（陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），西安 710043）

青藏鐵路凍土區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定的高含冰量凍土區。第二類橋梁基礎大多數采用鉆孔灌注樁[1]。青藏鐵路沿線凍土區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]。混凝土澆筑后凍土會吸收灌注樁混凝土水化熱，使得樁體長期處于持續低溫的環境下。低溫的水化環境使得各個齡期混凝土的水化速率和水化程度相應降低[3]。雖然混凝土水化放熱量的減小能夠降低對多年凍土的擾動，但在低溫環境下澆筑混凝土也會導致樁身水化反應不充分、混凝土強度不夠等問題[4-5]。

本文采用中國鐵道科學研究院集團有限公司研發的人工氣候模擬試驗箱，在凍土層中進行灌注樁澆筑試驗，同時使用有限元軟件ANSYS對低溫環境下凍土-灌注樁溫度場變化情況進行模擬。利用試驗數據校核數值模擬參數，以求得能夠預測不同入模溫度、不同樁徑、不同凍土溫度條件下凍土-灌注樁溫度場變化規律的數值模型。

1 模型試驗

1.1 試驗設備

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

1.2 試驗材料

1）試驗用土

黃土過篩，篩孔孔徑0.5 mm。采用液塑限聯合測定法測得黃土液限wl=27.2%，塑限wp=27.2%。根據輕型擊實試驗得到黃土最大干密度為1.98 g/cm3，最優含水率為15%。

2）試驗灌注樁

模擬樁體采用C35水下混凝土，樁直徑30 cm，高80 cm。混凝土配合比見表1。P·O 42.5普通硅酸鹽水泥技術指標見表2。碎石顆粒級配為5～20 mm，含泥量0.5%，泥塊含量0.1%，壓碎指標10%，表觀密度2 670 kg/m3，級配見表3。天然砂細度模數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指標

表3 碎石的級配

表4 天然砂的級配

1.3 試驗步驟

①監測點布設。將人工氣候模擬試驗箱設置為恒溫-5℃，在試驗箱中心預留澆筑孔，逐層填埋凍土，并在監測點埋置溫度傳感器（圖2）。填埋完成后，凍土溫度將最終穩定在-5℃。在灌注樁鋼筋籠上按照設計位置布設溫度傳感器，然后將鋼筋籠放置于預留澆筑孔中。②混凝土入模。拌制混凝土時采用0℃的水拌和，控制混凝土溫度為5℃，將其澆筑入模。③數據采集。混凝土澆筑完成后，采用溫度巡檢儀實測凍土-灌注樁溫度場數據。

圖2 在凍土層中埋置溫度傳感器

1.4 試驗結果分析

持續采集試驗數據30 d，獲取混凝土灌注樁內、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 混凝土灌注樁內溫度變化情況

表6 混凝土灌注樁內溫度變化情況

2 凍土-灌注樁混凝土溫度場數值模擬

2.1 參數的確定

首先根據JGJ 118—2011《凍土地區建筑地基基礎設計規范》確定模型中灌注樁以及凍土層的熱物理參數，再依照試驗實測溫度場數據加以調整。調整后參數見表7。

表7 灌注樁以及凍土層的熱物理參數

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

2.2 模型的建立

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

2.3 模擬結果分析

利用模型算得各個齡期的凍土-灌注樁模擬溫度場見圖 3。結合表5、表 6可知：齡期1 h，3 h，1 d，30 d時樁心混凝土溫度模擬值分別為11.2，4.7，-3.8，-4.8℃，實測值分別為 10.8，4.4，-3.9，-4.9℃；齡期30 d時凍土-灌注樁溫度場基本達到恒溫，溫度模擬值在-4.8～-5.0℃，實測值為-4.9℃。可見，模擬結果能真實反映了灌注樁澆筑后溫度場變化過程，可利用該模型對其他工況下凍土-灌注樁溫度場進行模擬，進而預測不同入模溫度、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 各個齡期凍土-灌注樁模擬溫度場（單位：℃）

3 結語

本文利用人工氣候模擬試驗箱，通過控制試驗溫度條件，模擬多年凍土環境中凍土-灌注樁溫度場隨齡期變化情況。在模型試驗的基礎上，建立相應的凍土-灌注樁溫度場數值模型。依據試驗實測溫度場數據對模型參數進行校核，使模擬結果更加符合實際。利用參數優化后的溫度場模型，可預測不同工況下凍土-灌注樁混凝土溫度場變化情況。