凍結水泥土攪拌樁溫度場數值分析

胡 俊，劉 勇，李玉萍

(1．海南大學土木建筑工程學院，海口570228;2．新加坡國立大學土木與環境工程系，新加坡肯特崗117576)

人工地層凍結凍土帷幕(墻)形成過程，是在凍結管內循環低溫冷媒劑(鹽水)，通過凍結管與周圍地層不斷發生熱交換，開始時在凍結管周圍形成凍土圓柱，隨著凍結管冷量的不斷供給，凍土圓柱不斷擴展，相鄰凍土圓柱交圈后形成具有一定厚度凍土帷幕向兩邊擴展。但人工凍結法施工后，使周圍地層產生凍脹融沉現象，對周圍環境來說，使得土的工程性質和相鄰建筑物受到不良影響，如造成地基失穩，使鄰近建筑物產生傾斜、裂縫、嚴重時會導致建筑物坍塌等事故，或使地下管線發生破壞等不良后果［1-2］。為了解決現有的人工凍結法施工后周圍地層產生凍脹融沉所引發不良后果的問題，一種凍結水泥土攪拌樁應運而生。本文對這種凍結水泥土攪拌樁的施工工藝作一簡單介紹，運用有限元軟件對工字型截面凍結管單管凍結時水泥土的溫度場發展規律進行研究，論證采用凍結水泥土攪拌樁施工的可行性，為今后類似工程設計提供理論參考依據。

1 凍結水泥土攪拌樁

1．1 概 述

凍結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管。凍結管在樁體的中心部位或周圈設置有一根或數根，直徑通常為 89、108、127、146、159、168 mm，其底端位于樁體底端上方0．5～1 m。凍結管材質通常為無縫低碳鋼管，也可以采用PVC、PPR、ABS和PE等塑料管;凍結管截面通常為圓形，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施凍結法，可有效地抑制凍脹融沉現象。同時，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管實施凍結，形成凍結水泥土攪拌樁，在保證地層承載力和防水性能的基礎上，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，節省了成本。本工法可以應用于基坑工程的圍護結構，盾構進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 凍結水泥土攪拌樁平面布置圖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

凍結水泥土攪拌樁施工工藝流程如圖2所示。

圖2 凍結水泥土攪拌樁的施工工藝流程圖Fig．2 Construction procedure of frozen ground improved by deep cement mixing．

1．2．1 施工原理

每根水泥土攪拌樁施工完畢，隨即施工加筋材料。加筋材料選用凍結管，根據水泥土攪拌樁直徑來選擇。凍結管插設在樁體的中心部位，或者繞設在樁體中心部位的周圈設置，凍結管插入深度一般比外部水泥土攪拌樁短0．5～1 m。

凍結管必須在攪拌樁水泥土硬化前插入。選用的凍結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管，再利用樁機將凍結管剩余部分全部壓入水泥土中。加筋水泥攪拌樁施工完畢，挖除樁頭松散破碎的部分，露出20～30 cm凍結管管頭，沿樁頂將凍結管用鋼筋網連接，并用C20混凝土澆筑成鎮口板。

1．2．2 注意事項

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

(2)凍結管接頭采用螺紋加焊接，抗拉強度不低于母管的75%。

(3)凍結管插入前要先配管，保證凍結管同心軸線重合，焊接時，焊縫要飽滿，保證凍結管有足夠強度，以免拔管時凍結管斷裂。

(4)凍結管插入完畢后，用木塞等封堵管口，以免異物掉進凍結管。

2 溫度場數值模型的建立

2．1 基本假定

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

2．2 模型幾何尺寸

凍結管采用“工字形”凍結管，其尺寸如圖3所示。水泥土邊界為半徑1 m的半圓面，中心處布設“工字形”凍結管，凍結影響區域經試算未超過該范圍。

圖3 “工字形”凍結管幾何尺寸示意圖 mmFig．3 Geometric size of I-shaped freezing pipes mm

2．3 模型參數選取

本文建立二維溫度場數值模型，選取9節點網格劃分格式，網格劃分后的計算模型如圖4所示。

圖4 網格劃分后模型及研究路徑示意圖Fig．4 Illustratcion of model size and mesh size with two paths

模型的材料參數見表1，依據為相關報告及試驗［3-6］。模型中粘土水泥土材料采用熱傳導單元:各向同性，熱傳導率與時間相關，比熱容為常數。

凍結前地層初始溫度取35℃，并在整體模型邊界面上保持不變。凍結管管壁為熱荷載邊界，以鹽水溫度作為邊界荷載，凍結期間鹽水降溫計劃見表2。根據降溫計劃，取凍結時間步為40 d，每步時間長為24 h。采用帶相變的瞬態導熱模型。

表1 土體材料參數Tab．1 Material parameters of soil

表2 鹽水溫度降溫計劃Tab．2 Cooling plan of brine temperature

2．4 研究路徑

為了更好地研究工字形凍結管單管凍結時水泥土中凍土帷幕的溫度場發展與分布規律，分別設置3條路徑和在路徑上的25個分析點，如圖4所示。路徑1和路徑2分別設置在水平和豎直的方向，每隔100 mm設置一分析點;水平方向分析點為1～9號，豎直方向分析點為10～18號;9和18號分析點離水泥土邊界100 mm。路徑3豎直設置在工字形凍結管邊緣，離腹板30 mm，每隔10 mm設置1個分析點;19和25號分析點離翼緣10 mm。

3 溫度場計算結果與分析

3．1 凍土帷幕溫度場等值線

不同凍結時間溫度場計算等值線如圖5所示。可以看出:工字形凍結管為非圓形截面，靠近凍結管的溫度等值線為非圓形，但是離凍結管越遠其凍土帷幕溫度也是以凍結管為中心類似同心圓分布。隨著凍結時間的增加，凍土帷幕厚度逐漸增加，到凍結20 d時，-10℃凍土帷幕水平方向半徑發展到120 mm;到了凍結40 d時，-10℃凍土帷幕水平方向半徑達到180 mm。

圖5 不同凍結時間溫度場計算等值線Fig．5 Isotherm curves at different freezing time points in the temperature field．

3．2 路徑分析

3．2．1 路徑 1

路徑1設置在水平方向，每隔100 mm設置1個分析點，為1～9號分析點，9號分析點離水泥土邊界100 mm。路徑1上各點溫度隨時間變化曲線如圖6所示。可以看出，靠近凍結管的1號分析點降溫最快，凍結5 d時溫度降到0℃;剩下各點離凍結管越遠降溫越慢;4～9號分析點在降溫過程中溫度都在0℃之上，4號分析點在凍結40 d時溫度才降溫到0℃，說明此時0℃的凍土帷幕水平方向半徑為400 mm。

圖6 路徑1上分析點溫度隨時間變化曲線Fig．6 Temperature change along Path 1 at different freezing time

圖7為路徑1上各點不同時間的溫度空間分布曲線。可以看出，路徑1上不同時間的溫度都是離凍結管越近溫度越低;降溫速度先快后慢，由鹽水降溫計劃所決定;凍結40 d時，4號分析點溫度才降溫到0℃以下，5～9號分析點溫度都在0℃以上。

圖7 路徑1上各點不同時間的溫度空間分布曲線Fig．7 Temperature change along Path 1 at different points

3．2．2 路徑 2

路徑2設置在豎直的方向，每隔100 mm設置1個分析點，為10～18號分析點，18號分析點離水泥土邊界100 mm。路徑2上各點溫度隨時間變化曲線如圖8所示，不同時間的溫度空間分布曲線如圖9所示。可以看出:路徑2的降溫過程及規律與路徑1基本一致;路徑2各分析點的溫度總體上低于路徑1，說明工字形凍結管豎直方向比水平方向降溫快，制冷效果更好;凍結40 d時，10～14號分析點溫度降到0℃以下，15～18號分析點溫度都在0℃之上，說明此時0℃的凍土帷幕豎直方向半徑為500 mm。結合路徑1的分析，可知工字形凍結管所形成的凍土帷幕其實是呈橢圓形分布向外發展，豎直方向發展較快。

圖8 路徑2上分析點溫度隨時間變化曲線Fig．8 Temperature change along Path 2 at different freezing time

圖9 路徑2上各點不同時間的溫度空間分布曲線Fig．9 Temperature change along Path 2 at different points

3．2．3 路徑 3

路徑3豎直設置在工字形凍結管邊緣，離腹板30mm，每隔10 mm設置1個分析點，為19～25號分析點，19和25號分析點離翼緣10 mm。路徑3上各點溫度隨時間變化曲線如圖10所示，不同時間的溫度空間分布曲線如圖11所示。可以看出:19～25號分析點降溫過程幾乎一致，都是在凍結2 d時溫度就降到0℃以下，凍結5 d時溫度就降到-10℃以下，凍結40 d時溫度都降到-25℃以下;凍結初期，靠近翼緣的分析點降溫較快，到了凍結后期，各點溫度趨于一致。

圖10 路徑3上分析點溫度隨時間變化曲線Fig．10 Temperature change along Path 3 at different freezing time

圖11 路徑3上各點不同時間的溫度空間分布曲線Fig．11 Temperature change along Path 3 at different points

4 結束語

本文對凍結水泥土攪拌樁的施工工藝作了簡單介紹，運用有限元軟件對工字型截面凍結管單管凍結時水泥土的溫度場發展規律進行了研究，主要得出:

(1)在水泥土攪拌樁中插入凍結管實施凍結，形成凍結水泥土攪拌樁，在保證地層承載力和防水性能的基礎上，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，節省了成本。

(2)從溫度場等值線可知，靠近工字形凍結管的溫度等值線為非圓形，但離凍結管越遠其凍土帷幕溫度是以凍結管為中心類似同心圓分布;凍結20 d時，-10℃凍土帷幕水平方向半徑發展到120 mm，凍結40 d時發展到180 mm。

(3)路徑1與路徑2的降溫過程及規律基本一致;凍結40 d時，0℃的凍土帷幕水平方向半徑為400 mm，豎直方向半徑為500 mm;工字形凍結管所形成的凍土帷幕呈橢圓形分布向外發展，豎直方向發展較快。

(4)路徑3上各點降溫過程幾乎一致，在凍結2 d時溫度降到0℃以下，5 d時溫度降到-10℃以下，40 d時溫度降到-25℃以下;凍結初期靠近翼緣的分析點降溫較快，凍結后期各點溫度趨于一致。

［1］劉貫榮，楊 平，張 婷，等．人工凍土融沉特性及融土微觀結構研究綜述［J］．森林工程，2014，30(5):118-121．

［2］胡 俊，楊 平，董朝文，等．盾構始發端頭化學加固范圍及加固工藝研究［J］．鐵道建筑，2010，15(2):47-51．

［3］胡 俊，楊 平．大直徑杯型凍土壁溫度場數值分析［J］．巖土力學，2015，36(2):523-531．

［4］周曉東，何 東，楊 平．富水地層盾構端頭加固方式與工藝研究［J］．森林工程，2014，30(6):137-140．

［5］張 婷，楊 平．人工凍結法在地鐵建設中的應用與發展［J］．森林工程，2012，28(6):74-78．

［6］王效賓，楊 平．基于BP人工神經網絡的凍土融沉系數預測方法研究［J］．森林工程，2008，24(5):18-21．