巢路鑫, 馮俊青, 楊 平, *, 石 鑫, 楊 寧, 鄭 盛
(1. 南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 江蘇 南京 210037; 2. 中鐵三局集團(tuán)華東建設(shè)有限公司, 江蘇 南京 211106)
近年來,隨著我國城市軌道交通建設(shè)快速發(fā)展,不可避免地出現(xiàn)了新建車站下穿運(yùn)營車站或下穿既有大型建筑物、構(gòu)筑物等情況,這類下穿工程對(duì)既有隧道的安全帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)[1-3]。通常,在有敏感建(構(gòu))筑物的富水地層應(yīng)用人工凍結(jié)法,需要在滿足止水要求的同時(shí)嚴(yán)格控制凍脹融沉[4-5],水泥土改良后再進(jìn)行人工凍結(jié)可有效抑制凍脹融沉。水泥含量越大,控制效果越好、強(qiáng)度越高,因此MJS(全方位高壓噴射注漿技術(shù))+人工凍結(jié)聯(lián)合加固工法應(yīng)用逐漸增多[6-8]。然而,當(dāng)2種技術(shù)結(jié)合使用時(shí),MJS產(chǎn)生的水化熱將影響人工凍結(jié)效果,導(dǎo)致積極凍結(jié)時(shí)間(即從凍結(jié)開始到達(dá)到凍土墻設(shè)計(jì)厚度與溫度的時(shí)間跨度)增加[7-8]。因此,應(yīng)掌握MJS加固后水化熱引起的溫度變化規(guī)律,以便針對(duì)性開展人工凍結(jié)設(shè)計(jì);根據(jù)溫度變化規(guī)律提出MJS加固后合理開始凍結(jié)時(shí)間(即凍結(jié)開凍時(shí)機(jī)),為凍結(jié)工程的工期和費(fèi)用控制提供依據(jù)。
已有不少學(xué)者對(duì)水化熱進(jìn)行了深入研究,侯煒等[9]、郭子奇等[10]研究了大體積混凝土在水化熱反應(yīng)過程中的內(nèi)部溫度變化,發(fā)現(xiàn)水化放熱會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力; 李潘武等[11]研究了澆筑溫度對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響; 魏丁一等[12]、毋林林等[13]分別研究了聚羧酸高性能減水劑、不同配比粉煤灰膏體充填材料對(duì)水泥水化熱的影響; 李虹燕等[14]研究了粉煤灰、礦渣對(duì)水泥水化熱的影響。然而,上述水化熱研究主要集中在大體積混凝土水化熱分析和不同摻和料對(duì)水化熱的影響,而對(duì)水泥水化熱卻鮮有研究。MJS工法水泥質(zhì)量摻量較高,均在40%以上,且因養(yǎng)護(hù)條件等有所不同,低摻量水泥土與高摻量水泥土的熱物理特性有明顯差異; 另外,MJS加固體形狀為半圓或全圓,與大體積混凝土水化熱同樣存在差異[15-16],因此有必要進(jìn)行水化熱溫度場研究。
本文針對(duì)南京地鐵7號(hào)線在富水承壓砂層下穿既有10號(hào)線中勝站工程,擬采用MJS加固+水平凍結(jié)加固方案,通常通過數(shù)值模擬來預(yù)測凍結(jié)開凍時(shí)機(jī),而數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于準(zhǔn)確的水化熱室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。地鐵在富水承壓砂層密貼下穿既有車站施工在國內(nèi)尚無經(jīng)驗(yàn)借鑒,因此在正式加固前須進(jìn)行MJS試驗(yàn)樁工程試驗(yàn)。根據(jù)MJS水化熱室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用數(shù)值模擬計(jì)算試驗(yàn)樁水泥土水化溫度,并進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測,以驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。利用數(shù)值模擬預(yù)測正式加固時(shí)MJS加固體溫度場變化規(guī)律,以期為后期正式進(jìn)行MJS加固施工及人工凍結(jié)方案設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。
試驗(yàn)所用土樣取自南京7號(hào)線新城科技園車站基坑,表1為土樣基本物理參數(shù)。試驗(yàn)采用海螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥,用水泥砂漿攪拌機(jī)制樣,試驗(yàn)土樣按擾動(dòng)土含水率25.63%進(jìn)行配置,水泥漿按水灰比0.5配置。水泥漿配置完成后,按4種不同摻入比分別加入至擾動(dòng)土中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?,水泥漿體的初始拌入溫度為20 ℃。
表1 試驗(yàn)土樣物理參數(shù)
水化熱室內(nèi)試驗(yàn)主要研究不同水泥質(zhì)量摻入比(40%、45%、50%、60%、70%)水泥土28 d水化放熱規(guī)律和放熱速率規(guī)律,并結(jié)合數(shù)值模擬推導(dǎo)實(shí)際工程中MJS水泥水化過程中加固體中心升溫情況。試驗(yàn)儀器為水泥水化熱測定儀(SHR-6型),通過直接法測定試樣的水泥水化熱。微機(jī)自動(dòng)對(duì)水化熱數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄,并繪制曲線。
圖1示出硅酸鹽水泥水化放熱速率曲線。由圖可知,硅酸鹽水泥水化主要分為4個(gè)階段[14,17]: 階段Ⅰ預(yù)誘導(dǎo)期、階段Ⅱ水化誘導(dǎo)期、階段Ⅲ加速期和階段Ⅳ后加速期。
圖1 硅酸鹽水泥水化放熱速率曲線圖
試驗(yàn)得出不同水泥質(zhì)量摻入比水泥水化初期放熱速率隨齡期變化規(guī)律,如圖2所示。由圖可知,不同水泥質(zhì)量摻入比水泥土的水化放熱趨勢(shì)大致相同。由于試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較長,數(shù)據(jù)記錄間隔為0.5 h。水化反應(yīng)前期水泥水化反應(yīng)速率變快,放熱速率迅速提高,在達(dá)到最大后開始下降,此時(shí)水泥水化反應(yīng)速率降低,進(jìn)入后加速期。水泥土水化放熱速率的峰值隨水泥質(zhì)量摻入比增大而提高,放熱速率峰值在2.23~3.41 J/(g·h)。其中,水泥質(zhì)量摻入比70%的試樣比水泥質(zhì)量摻入比40%加熱速率峰值高54.5%。
圖2 不同水泥質(zhì)量摻入比水泥水化放熱速率與齡期關(guān)系曲線
不同水泥質(zhì)量摻入比水泥土水化放熱速率均在水化15 h左右到達(dá)峰值。在水泥土水化反應(yīng)過程中主要由水和水泥熟料發(fā)生水化反應(yīng),而粉細(xì)砂的礦物成分比較穩(wěn)定,不參加水化反應(yīng)。水泥質(zhì)量摻量對(duì)反應(yīng)速率的影響較大,導(dǎo)致隨水泥質(zhì)量摻入比增大水泥土水化放熱峰值提高。
圖3示出不同水泥質(zhì)量摻入比水泥水化熱曲線。由圖可知,不同水泥質(zhì)量摻入比水泥水化熱隨齡期增大而增大,水化熱增長速率先快后慢。不同摻入比的水泥水化熱在水化24 h內(nèi)迅速提升,不同摻入比水泥水化熱的差異較??; 24 h后隨齡期增大,水泥水化熱差異逐漸顯現(xiàn); 200 h后水泥水化熱隨齡期增長而緩慢增大。整個(gè)齡期過程中,水泥質(zhì)量摻入比越大,水泥水化熱越大。在672 h(28 d)齡期時(shí),70%水泥質(zhì)量摻入比水泥土的水化熱為128.33 J/g,比40%水泥質(zhì)量摻入比水泥水化熱大28.5%。水化前期水泥熟料反應(yīng)劇烈,雖然在水化誘導(dǎo)期時(shí)反應(yīng)速率較低,但水化誘導(dǎo)期持續(xù)時(shí)間較短,水化初期水泥水化熱增長較快。水化后期,水泥熟料含量下降,水化物C-S-H和CH等生成速率下降,反應(yīng)熱較小,此時(shí)水泥水化熱隨齡期增長較緩慢。
圖3 不同水泥質(zhì)量摻入比水泥水化熱曲線
由于中勝站在富水承壓砂層密貼下穿既有車站,且在國內(nèi)尚無經(jīng)驗(yàn)借鑒,因此決定在與中勝站地層條件相同的新城科技園站進(jìn)行MJS試驗(yàn)樁試驗(yàn),通過數(shù)值模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比,分析MJS試驗(yàn)樁溫度發(fā)展規(guī)律。
新城科技園站位于長江漫灘區(qū),覆蓋層厚度大(56.4~57.7 m),土層、巖層分布較均勻。水平MJS加固主要位于②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(軟—流塑)、②-3d3+c3粉細(xì)砂(稍密)為承壓含水層。新城科技園站采用明挖順作法(局部蓋挖)施工。車站主體基坑長494.5 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m,深17.05~17.35 m,在既有基坑內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)樁試驗(yàn),有較好的場地條件。
2.2.1 試驗(yàn)樁數(shù)量及布置
初步?jīng)Q定取2根MJS試驗(yàn)樁,在粉細(xì)砂土層中施工半圓和全圓試驗(yàn)樁各1根。
2.2.2 試驗(yàn)樁參數(shù)
圖4為MJS試驗(yàn)樁施工參數(shù)和水平埋設(shè)測溫點(diǎn)示意圖。試驗(yàn)樁總共2根,根據(jù)中勝站實(shí)際下穿段開挖長度,確定全圓試驗(yàn)樁長度為27 m,直徑為1.3 m,水泥質(zhì)量摻量為45%;半圓試驗(yàn)樁長度為27 m,直徑為2.2 m,沿縱向27 m分3段,每段水泥質(zhì)量摻量分別是45%、50%、60%。
(a) MJS-2全圓試驗(yàn)樁
2.2.3 試驗(yàn)樁溫度監(jiān)測
待MJS試驗(yàn)樁施工完成養(yǎng)護(hù)7 d后,水平沿樁長在直徑1/2位置處鉆孔埋設(shè)測溫點(diǎn),測溫點(diǎn)間距3 m,MJS-2全圓試驗(yàn)樁為同一水泥質(zhì)量摻入比45%,設(shè)置5個(gè)測溫點(diǎn)。MJS-1半圓試驗(yàn)樁為3種水泥質(zhì)量摻入比(45%、50%、60%),設(shè)置7個(gè)測溫點(diǎn),其中,測點(diǎn)C1-1—C1-3在摻量60%段,測點(diǎn)C1-4—C1-6在摻量50%段,測點(diǎn)C1-7在摻量45%段。圖5為現(xiàn)場施工圖。測溫采用銅-康銅熱電偶測溫,測溫精度為0.1 ℃。測溫點(diǎn)隨PVC測溫管埋入設(shè)定位置。布線之前對(duì)測溫線進(jìn)行標(biāo)定,采用VC890D數(shù)顯式電工萬用表,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測所得電壓值換算得到MJS加固體的實(shí)際溫度,最后根據(jù)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線分析加固體中溫度變化規(guī)律。
圖5 現(xiàn)場施工圖
2.3.1 MJS-2全圓試驗(yàn)樁實(shí)測溫度分析
因場地條件所限,MJS試驗(yàn)樁施工后水泥土尚未達(dá)到一定強(qiáng)度不能直接鉆孔,且鉆孔布設(shè)測溫管需安裝腳手架,因此MJS-2全圓試驗(yàn)樁施工完成15 d才埋設(shè)測點(diǎn)測溫。圖6為試驗(yàn)樁實(shí)測溫度折線圖。由圖6(a)可知,各測點(diǎn)初始溫度高低不一,其中測點(diǎn)C2-1、C2-2初始溫度偏高,原因?yàn)樽{順序是由深部向淺部逐漸進(jìn)行的。從測溫日開始,樁內(nèi)各點(diǎn)溫度均呈下降趨勢(shì),平均每日下降0.4~0.7 ℃,說明水泥水化熱放熱量隨齡期增長而下降。由于靠近地下連續(xù)墻存在熱交換,導(dǎo)致測點(diǎn)C2-1處的樁體溫度下降速度較快。測點(diǎn)C2-2處的樁體溫度最高,為42.1 ℃。不同測點(diǎn)處的最高溫度在40.9~42.1 ℃。水泥水化后期水化熱釋放緩慢,30 d后溫度下降速率變緩,平均每日下降0.2~0.3 ℃。除C2-5外,其他測點(diǎn)30 d溫度穩(wěn)定在35~36 ℃并且緩慢下降,因此可考慮30 d為凍結(jié)開凍時(shí)機(jī)。
(a) MJS-2全圓試驗(yàn)樁
2.3.2 MJS-1半圓試驗(yàn)樁實(shí)測溫度分析
MJS-1半圓試驗(yàn)樁完成后第13 d完成測點(diǎn)埋設(shè),開始測溫。由圖6(b)可知,各測點(diǎn)初始溫度為45~52 ℃,水泥質(zhì)量摻量越高,樁體中心溫度越高。由于測點(diǎn)C1-1處靠近基坑地下連續(xù)墻,導(dǎo)致與外界熱交換明顯,因此初始溫度最低,樁體溫度下降速度較快。測點(diǎn)C1-2處受熱交換影響較小,且位于60%水泥質(zhì)量摻量段,因此樁體中心溫度最高。因水化放熱量隨齡期增長而減小,隨齡期增長試驗(yàn)樁各測點(diǎn)溫度下降趨勢(shì)先快后慢。除C1-1溫度下降較快外,其他測點(diǎn)30 d后溫度穩(wěn)定在38~42 ℃并且緩慢下降,因此可考慮30 d為凍結(jié)開凍時(shí)機(jī)。
2.3.3 全圓試驗(yàn)樁與半圓試驗(yàn)樁的溫度變化比較
全圓試驗(yàn)樁直徑為1.3 m,半圓試驗(yàn)樁直徑為2.2 m,半圓試驗(yàn)樁的體積是全圓試驗(yàn)樁的1.4倍,除測點(diǎn)C1-1因靠近基坑地下連續(xù)墻受外界影響明顯外,半圓試驗(yàn)樁溫度高于全圓試驗(yàn)樁。全圓試驗(yàn)樁中C2-1、C2-3、C2-4測點(diǎn)的平均溫度與半圓試驗(yàn)樁中C1-7相比,45%水泥質(zhì)量摻入比的半圓試驗(yàn)樁水化熱溫度比全圓試驗(yàn)樁高4%~9%,溫差為1.3~3.6 ℃。綜合考慮全圓與半圓試驗(yàn)樁水化放熱效果及已有凍結(jié)工程經(jīng)驗(yàn),地溫達(dá)40 ℃左右可實(shí)施凍結(jié),可考慮30 d為凍結(jié)開凍時(shí)機(jī)。
由于溫度場計(jì)算模型較為復(fù)雜,為簡化計(jì)算量,便于參數(shù)取值和分析溫度場變化趨勢(shì),對(duì)計(jì)算模型做出一定假設(shè): 1)假定計(jì)算范圍內(nèi)土體和水泥土為均質(zhì)、各向同性熱傳導(dǎo)材料; 2)因計(jì)算范圍已達(dá)樁體尺寸的4倍以上,假定模型外邊界為絕熱邊界條件,地下連續(xù)墻表面為熱對(duì)流邊界; 3)假定土體中不同位置初始溫度均為17 ℃,大氣溫度為19 ℃(根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的平均值選取); 4)假設(shè)導(dǎo)熱物質(zhì)密度ρ、比熱容C、導(dǎo)熱系數(shù)λ均為常量。
本文數(shù)值基于ADINA軟件,采用有限元進(jìn)行模擬計(jì)算。由于在本工程方案中的MJS加固體絕大部分為半圓樁,僅有頂部1排擬用全圓樁,因此半圓試驗(yàn)樁是本次試驗(yàn)樁研究的重點(diǎn)。采用了3種不同水泥質(zhì)量摻入比,實(shí)測數(shù)據(jù)較多; 而全圓樁僅做了45%摻量試驗(yàn)樁,因此數(shù)值模擬只分析半圓試驗(yàn)樁。圖7為幾何模型及邊界條件示意圖。在有限元計(jì)算中,溫度影響范圍為水泥土幾何尺寸的3~5倍,因此設(shè)定模型幾何尺寸為縱向長度(x軸方向)×橫向?qū)挾?y軸方向)×垂直距離(z軸方向)=90 m×10 m×10 m。由圖7可知,周圍土體為粉細(xì)砂,半圓試驗(yàn)樁直徑為2.2 m,與空氣接觸的邊界主要采用對(duì)流換熱進(jìn)行熱傳遞,對(duì)于地下連續(xù)墻混凝土與空氣對(duì)流取16.49 W/(m2·℃)。由于水泥土部分溫度變化較敏感,因此模型在水泥土加固區(qū)進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化處理,網(wǎng)格尺寸為0.1 m,剩余區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.5 m,均采用四節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。
圖7 幾何模型尺寸及邊界條件(單位: m)
模型采用水化放熱作為內(nèi)熱源,內(nèi)熱源為水泥土中水化產(chǎn)生,以室內(nèi)試驗(yàn)所得的水化放熱速率為依據(jù)換算得到,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以生熱率的形式施加,單位為kJ/(h·m3)。模型計(jì)算60 d內(nèi)水化放熱對(duì)土體溫度的影響,以24 h為1個(gè)時(shí)間步,共60個(gè)時(shí)間步。在每個(gè)時(shí)間步上輸入水化放熱速率,軟件內(nèi)嵌的內(nèi)熱源計(jì)算公式進(jìn)行積分得到每個(gè)時(shí)間步的放熱量,并與前一時(shí)間步放熱溫度變化和影響范圍疊加,得到當(dāng)前時(shí)間步下水化放熱導(dǎo)致的溫度變化和升溫范圍。模型土體的各項(xiàng)參數(shù)根據(jù)本課題組所做水泥土室內(nèi)試驗(yàn)選取[16],見表2。
表2 模型材料參數(shù)
不同水泥質(zhì)量摻量半圓試驗(yàn)樁的中心溫度和實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比關(guān)系曲線如圖8所示。由圖可知: 1)模擬值與實(shí)測值變化趨勢(shì)相近,MJS半圓試驗(yàn)樁在水化初期釋放大量熱量,測點(diǎn)在5 d左右水化放熱量達(dá)到峰值,隨后溫度開始下降,下降速率先快后慢,在60 d時(shí)不同水泥質(zhì)量摻量樁體中心溫度均下降至30 ℃左右。2)樁體中心溫度隨水泥質(zhì)量摻入比增大而升高,60%水泥質(zhì)量摻入比半圓試驗(yàn)樁的中心溫度最高可達(dá)到69.2 ℃,比45%和50%水泥質(zhì)量摻入比半圓試驗(yàn)樁中心溫度峰值分別高13.1 ℃和7.8 ℃。由于水泥質(zhì)量摻入比越高,其水化熱越大,不同水泥土的容積熱容量與導(dǎo)熱系數(shù)差距較小,因此水化放熱越大其溫度上升越高。3)由于測點(diǎn)C1-1靠近地下連續(xù)墻及測溫管端部,且地下連續(xù)墻對(duì)流及熱輻射作用加之測溫管端部密封性不夠,測點(diǎn)C1-1溫度比內(nèi)部溫度降低更快; 而數(shù)值模擬未能考慮其密封性因素,溫度差距較大,不具可比性,因此刪去該點(diǎn)對(duì)比。不同摻量段模擬值與實(shí)測值最大溫差分別為2.5、3.9、2.6 ℃(60%、50%、45%),由于假定中的大氣溫度在模型中是恒定不變的,而大氣溫度非恒定,因此導(dǎo)致溫差產(chǎn)生。考慮到水泥土加固強(qiáng)度須滿足施工和工期要求,應(yīng)在30 d進(jìn)行人工凍結(jié)加固,此時(shí)60%、50%和45%摻量MJS半圓試驗(yàn)樁的中心溫度分別為44.1、43.0、41.4 ℃。
圖9示出了不同水泥質(zhì)量摻量28 d時(shí)水化溫度影響范圍。取測點(diǎn)C1-2、C1-5、C1-7的Z截面作水泥水化熱溫度影響范圍分析,標(biāo)準(zhǔn)齡期28 d時(shí)不同水泥質(zhì)量摻入比下水泥土中心溫度分別為45.38、41.15、40.42 ℃(60%、50%、45%)。由圖9可知,土體溫度由內(nèi)到外逐漸降低,等溫線呈橢圓形向外擴(kuò)散,隨水泥質(zhì)量摻入比增大,土體受水泥土水化放熱影響而升溫的幅度增大。水化熱導(dǎo)致的土體升溫范圍有限,不同水泥質(zhì)量摻入比條件下,水泥土中心5 m范圍外的土體溫度較為接近,溫度略大于原始地溫,受水泥水化熱影響較小。
(a) 60%水泥質(zhì)量摻量
(a) 60%水泥質(zhì)量摻量
1)水泥水化熱在水化初期提升較快,進(jìn)入階段Ⅳ(后加速期)后隨齡期增大水化熱增長速率放緩;水泥質(zhì)量摻入比越大,樁體水泥水化熱越大、溫度越高。
2)根據(jù)水泥水化熱室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)MJS加固試驗(yàn)樁中心溫升進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明試驗(yàn)樁溫度模擬值與實(shí)測值變化趨勢(shì)相近,不同摻量段模擬值與實(shí)測值最大溫差分別為2.5、3.9、2.6 ℃(60%、50%、45%),驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。
3)MJS半圓試驗(yàn)樁在水化初期釋放大量熱量,5 d左右水化放熱溫度達(dá)到峰值,試驗(yàn)樁溫度隨水泥質(zhì)量摻入比增大而提高,3種摻量段峰值溫度分別為69.2、61.4、56.1 ℃(60%、50%、45%),隨后溫度開始下降,下降速率先快后慢。隨水泥質(zhì)量摻入比增大,土體受水泥土水化放熱影響而升溫的幅度增大。
4)單樁MJS水泥水化熱在施工后30 d基本釋放完成,綜合考慮工期要求和溫度對(duì)凍結(jié)的影響,宜在30 d進(jìn)行人工凍結(jié)加固; 若考慮群樁效應(yīng),建議開始人工凍結(jié)加固時(shí)間相應(yīng)延長。
5)本試驗(yàn)樁工程只研究了單根MJS工法樁的水化熱放熱規(guī)律,今后可根據(jù)本文得到的數(shù)據(jù)及相應(yīng)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步研究群樁水化熱放熱規(guī)律。