設置1-2根圓形凍結管時凍結水泥土攪拌樁溫度場數值對比分析

胡　俊，劉　勇，梁乾乾

(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；

3.南京市建筑設計研究院有限責任公司，南京 210000)

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設置1-2根圓形凍結管時凍結水泥土攪拌樁溫度場數值對比分析

胡俊1,2，劉勇2，梁乾乾3

(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；

3.南京市建筑設計研究院有限責任公司，南京 210000)

摘要：為解決現有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，凍結水泥土攪拌樁應運而生。本文對凍結水泥土攪拌樁的施工工藝作了簡單介紹，運用有限元軟件對設置1-2根圓形凍結管時凍結水泥土攪拌樁的溫度場發展規律進行了數值對比分析。主要得出：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；設置1根凍結管交圈所用時間是設置2根凍結管的4倍；凍結40d時，設置2根凍結管比設置1根凍結管的凍土墻厚度厚0.6m；路徑1上各點離凍結管越遠降溫越慢，降溫速度先快后慢，由鹽水降溫計劃所決定；當使用凍結水泥土攪拌樁施工時，建議采用設置2根凍結管的形式。所得結果可為今后類似工程設計提供理論參考依據。

關鍵詞：凍結水泥土攪拌樁；水泥土；凍結法；溫度場；數值模擬

引文格式：胡俊，劉勇，梁乾乾.設置1-2根圓形凍結管時凍結水泥土攪拌樁溫度場數值對比分析[J].森林工程，2016，32(1)：77-82.

0引言

人工凍結法施工后，會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，例如造成地基失穩，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[1-5]。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，它是在水泥土攪拌樁樁體的中心部位或周圈設置有一根或數根凍結管，凍結管的底部位于樁體底端上方0.5～1m。

本文對這種凍結水泥土攪拌樁作一簡單介紹，運用有限元軟件對設置1-2根圓形凍結管時凍結水泥土攪拌樁的溫度場發展規律進行數值對比分析，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與數值參考依據。

1凍結水泥土攪拌樁

1.1簡介

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0.5～1m。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(1—凍結管；2—水泥土攪拌樁)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 groundimproved by deep cement mixing

1.3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)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。

(3)凍結水泥攪拌樁施工完畢，挖除樁頭松散破碎的部分，露出20～30cm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。

(4)凍結管接頭采用螺紋加焊接，抗拉強度不低于母管的75%。

(5)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。

(6)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計算基本假定

假定粘土和粘土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計算模型參數選取

本文運用ADINA軟件建立二維溫度場數值模型，選取了九節點網格劃分格式，網格劃分后的計算模型如圖3所示。

圖3　網格劃分后模型及研究路徑示意圖Fig.3 Illustrations of model size and mesh size with two paths

水泥土攪拌樁直徑為1 000mm，凍結管直徑為127mm。水泥土攪拌樁中設置1根凍結管時，凍結管設置在每根樁體的中心部位。設置2根凍結管時，兩根凍結管間距600mm，每根凍結管距樁體中心300mm，距樁體外邊緣200mm。土層厚度為3 000mm。

模型的材料參數見表1，依據為相關報告及試驗[8-12]。

凍結前粘土水泥土初始溫度由于水泥水化熱的影響取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，積極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步，每步時間長為24h。采用帶相變的瞬態導熱模型。

2.3研究路徑

為了更好地研究設置1-2根圓形凍結管時凍結水泥土攪拌樁的溫度場發展與分布規律，布置了路徑1(1～10號分析點)以及水泥土攪拌樁的相切點(11、12號分析點)，如圖3所示。路徑1設置在豎直方向，每隔100mm布置一分析點，10號分析點離凍結管表面的豎直距離為1m。

3溫度場計算結果與分析

3.1凍土帷幕溫度場等值線

圖4為不同凍結時間溫度場計算等值線圖。

表1　土體材料參數

表2　鹽水溫度降溫計劃

可以看出：設置2根凍結管時，在凍結第五天就已經開始交圈，此時就可以有效地阻斷水泥土攪拌樁之間的滲水通道，而對于設置1根凍結管的情況，到凍結20d時凍土帷幕才開始交圈，交圈所用時間是設置2根凍結管的4倍。剛開始凍結時凍土帷幕溫度是以凍結管為圓心呈同心圓分布，離凍結管越近溫度越低，交圈后形成凍土墻，隨著凍結時間的增加凍土墻厚度越來越厚。凍結30d時，設置2根凍結管的凍土墻厚度發展到1.4m，-10℃等溫線發展到離凍結管400mm，設置1根凍結管的凍土墻厚度發展到1.0m，-10℃等溫線發展到離凍結管250mm且尚未交圈。凍結40d時，設置2根凍結管的凍土墻厚度發展到1.8m，-10℃等溫線發展到離凍結管500mm，設置1根凍結管的凍土墻厚度發展到1.2m，-10℃等溫線開始交圈且發展到離凍結管300mm。最終，設置2根凍結管比設置1根凍結管的凍土墻厚度厚0.6m。

3.2路徑與分析點對比分析

3.2.1路徑1

(1) 設置1根凍結管時

設置1根凍結管時路徑1上各點溫度隨時間變化曲線如圖5所示。可以看出：靠近凍結管的1號分析點降溫最快，凍結10d時溫度降到0℃；剩下各點離凍結管越遠降溫越慢；6～10號分析點在降溫過程中溫度都在0℃之上，5號分析點在凍結40d時溫度才降溫到0℃，說明此時凍土墻厚度發展到1.2m。

圖4　不同凍結時間溫度場計算等值線Fig.4 Isotherm curves at different freezing time points in the temperature field

圖6為設置1根凍結管時路徑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40d時，5號分析點溫度才降溫到0℃以下，6-10號分析點溫度都在0℃以上。

圖5　設置1根凍結管時各點溫度隨時間變化圖Fig.5.Termperature change with cooling timeat different points with 1 freezing pipe

圖6　設置1根凍結管時各點不同時間溫度空間分布圖Fig.6 Temperature change with spatial locationat different points with 1 freezing pipe

(2) 設置2根凍結管時

設置2根凍結管時路徑1上各點溫度隨時間變化曲線如圖7所示。可以看出：與設置1根凍結管時相似，各點離凍結管越遠降溫越慢；1號分析點降溫最快，凍結5d時溫度就降到0℃以下；只有9、10號分析點在降溫過程中溫度都在0℃之上，8號分析點在凍結40d時溫度才降溫到0℃，說明此時凍土墻厚度發展到1.8m。

圖7　設置2根凍結管時各點溫度隨時間變化圖Fig.7 Temperature change with cooling timeat different points with 2 freezing pipes

圖8　設置2根凍結管時各點不同時間溫度空間分布圖Fig.8 Temperature change with spatial locationat different points with 2 freezing pipes

圖8為設置2根凍結管時路徑1上各點不同時間的溫度空間分布曲線。可以看出：凍結40d時，8號分析點溫度才降溫到0℃以下，9、10號分析點溫度都在0℃以上。

3.2.2水泥土攪拌樁相切點(11、12號分析點)

11、12號分析點為水泥土攪拌樁的相切點，由于對稱性，11、12號分析點的降溫曲線是一致的，當設置不同根數的凍結管時降溫曲線才有差別。圖9為設置1-2根凍結管時11、12號分析點降溫對比曲線圖，可以看出：當設置2根凍結管時，在水泥土攪拌樁相切處的降溫過程明顯快于設置1根凍結管的情況，凍結5d時設置2根凍結管的11、12號分析點就降溫到0℃以下，而設置1根凍結管時需要凍結20d；到了凍結40d時，設置1-2根凍結管的11、12號分析點溫差約為14℃。

圖9　11、12號分析點溫度隨時間變化圖Fig.9 Temperature change with cooling time at Points 11 and 12

圖10　1號分析點溫度隨時間變化圖Fig.10 Temperature change with cooling time at Point 1

圖11　10號分析點溫度隨時間變化圖Fig.11 Temperature change with cooling time at Point 10

圖10和圖11分別為設置1-2根凍結管時1、10號分析點降溫對比曲線圖，可知，凍結40d時，設置1-2根凍結管的1號分析點溫差約為1.5℃，10號分析點溫差約為7℃。說明到了凍結后期，設置2根凍結管時對于水泥土攪拌樁相切處的降溫影響要比豎直方向的降溫影響大，而水泥土攪拌樁相切處最容易存在滲水通道，故當使用凍結水泥土攪拌樁施工時，建議采用設置2根凍結管的形式。

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，運用有限元軟件對設置1-2根圓形凍結管時凍結水泥土攪拌樁的溫度場發展規律進行了數值對比分析，主要得出以下結論。

(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，節省成本。

(2)設置1根凍結管交圈所用時間是設置2根凍結管的4倍；凍結40d時，設置2根凍結管比設置1根凍結管的凍土墻厚度厚0.6m。

(3)設置1-2根凍結管時路徑1上各點離凍結管越遠降溫越慢，降溫速度先快后慢，由鹽水降溫計劃所決定；凍結40d時，設置1根凍結管的凍土墻厚度發展到1.2m，設置2根凍結管的凍土墻厚度發展到1.8m。

(4)凍結后期設置2根凍結管時對于水泥土攪拌樁相切處的降溫影響要比豎直方向的降溫影響大，而水泥土攪拌樁相切處最容易存在滲水通道，故當使用凍結水泥土攪拌樁施工時，建議采用設置2根凍結管的形式。

【參考文獻】

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[2]董慧，胡俊，劉勇.凍融水泥土力學特性試驗研究[J].森林工程，2015，31(5):114-117.

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[4]胡俊，張皖湘.盾尾刷更換時凍土帷幕強度數值分析[J].低溫建筑技術，2015，37(6)：123-125.

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Temperature Field Comparison of Freeze Cement Mixing Piles with1-2 Circular-shaped Freezing Piles by Numerical Simulation

Hu Jun1，2，Liu Yong2，Liang Qianqian3

(1.College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou 570228；

2.Department of Civil and Environmental Engineering，National University of Singapore，Kent Ridge 117576，Singapore；

3.Nanjing Architectural Design and Research Institute Co.Ltd，Nanjing 210000)

Abstract：In order to solve the frost thaw settlement problems caused by adverse consequences in the artificial freezing method after the construction of the surrounding formation，the freeze cement mixing pile emerged.A brief introduction to the construction process of freeze cement mixing piles was made，then the finite element software was used to make numerical comparisons on the development laws of temperature field while setting 1-2 root canal circular freeze cement mixing piles.The results showed that the shear and flexural capacity of freeze cement mixing piles could be improved and the consumption of cement could be reduced while ensuring the bearing capacity and waterproof performance.The cross lap time of setting a freezing pipe was 4 times of that setting two freezing pipes.After freezing for 40 days，the wall thickness of permafrost with two freezing pipes was 0.6m thicker than setting one freezing pipe.The farther each point on the path of a frozen pipe，the slower the cooling，and the cooling speed slowed down after that，which was determined by the brine cooling plan.When freeze cement mixing piles were used in construction freeze，it is suggested to use two freezing pipes.The results can provide a theoretical reference for future similar projects.

Keywords：freeze cement mixing pile；cement-treated soil；temperature field；numerical simulation

作者簡介：第一胡俊，博士，講師。研究方向：隧道及地下工程方面的教學與研究工作。E-mail：hj7140477@hainu.edu.cn

基金項目：中國博士后科學基金資助項目(2015M580559)；海南省教育廳高等學校科研項目(Hnky2015-10)；留學人員科技活動擇優資助啟動類項目(人社廳函[2014]240號)；海南省科技項目(ZDXM2015117)

收稿日期：2015-08-07

中圖分類號：S 714.8

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)01-0077-06