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(qū)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(wěn)定的高含冰量凍土區(qū)。第二類橋梁基礎(chǔ)大多數(shù)采用鉆孔灌注樁[1]。青藏鐵路沿線凍土區(qū)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(xù)低溫的環(huán)境下。低溫的水化環(huán)境使得各個齡期混凝土的水化速率和水化程度相應(yīng)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(huán)境下澆筑混凝土也會導(dǎo)致樁身水化反應(yīng)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(fā)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(huán)境下凍土-灌注樁溫度場變化情況進行模擬。利用試驗數(shù)據(jù)校核數(shù)值模擬參數(shù)，以求得能夠預(yù)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(guī)律的數(shù)值模型。

1 模型試驗

1.1 試驗設(shè)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(shè)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(lián)合測定法測得黃土液限wl=27.2%，塑限wp=27.2%。根據(jù)輕型擊實試驗得到黃土最大干密度為1.98 g/cm3，最優(yōu)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?；炷僚浜媳纫姳?。P·O 42.5普通硅酸鹽水泥技術(shù)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(shù)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(shù)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(jiān)測點布設(shè)。將人工氣候模擬試驗箱設(shè)置為恒溫-5℃，在試驗箱中心預(yù)留澆筑孔，逐層填埋凍土，并在監(jiān)測點埋置溫度傳感器（圖2）。填埋完成后，凍土溫度將最終穩(wěn)定在-5℃。在灌注樁鋼筋籠上按照設(shè)計位置布設(shè)溫度傳感器，然后將鋼筋籠放置于預(yù)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(shù)據(jù)采集?；炷翝仓瓿珊?，采用溫度巡檢儀實測凍土-灌注樁溫度場數(shù)據(jù)。

圖2 在凍土層中埋置溫度傳感器

1.4 試驗結(jié)果分析

持續(xù)采集試驗數(shù)據(jù)30 d，獲取混凝土灌注樁內(nèi)、凍土體溫度變化情況，見表5、表6?？梢钥闯觯孩倩炷翝仓?，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(nèi)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(nèi)溫度變化情況

表6 混凝土灌注樁內(nèi)溫度變化情況

2 凍土-灌注樁混凝土溫度場數(shù)值模擬

2.1 參數(shù)的確定

首先根據(jù)JGJ 118—2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》確定模型中灌注樁以及凍土層的熱物理參數(shù)，再依照試驗實測溫度場數(shù)據(jù)加以調(diào)整。調(diào)整后參數(shù)見表7。

表7 灌注樁以及凍土層的熱物理參數(shù)

灌注樁混凝土入模溫度設(shè)定為+10℃，凍土體溫度設(shè)定為-5℃，邊界條件設(shè)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(tài)傳熱。采用有限元軟件ANSYS，根據(jù)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(jié)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(jié)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(jié)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(yù)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(jié)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(huán)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(chǔ)上，建立相應(yīng)的凍土-灌注樁溫度場數(shù)值模型。依據(jù)試驗實測溫度場數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行校核，使模擬結(jié)果更加符合實際。利用參數(shù)優(yōu)化后的溫度場模型，可預(yù)測不同工況下凍土-灌注樁混凝土溫度場變化情況。