论文摘要：桩土体系的回冻，对于多年冻土区灌注桩是一个重要的问题。结合青藏铁路沿线多年冻土的主要特点通过数值分析，考虑了大气温度的波动、各层土的热物理参数，建立有限元分析模型，利用ANSYS10.0大型有限元计算程序，对桩周地基土的温度场进行了模拟计算，得到了符合实际的温度场，得出了不同深度桩中心及桩壁的温度随时间的变化的曲线及相关数据，并进一步总结出变化的规律。
论文关键词：多年冻土,大直径钻孔灌注桩,有限元分析,回冻过程,温度场
1工程概况
场地位于青藏高原腹地，属楚玛尔河高平原区，清水河一级阶地，海拔4530m。天然冻土上限深度为2.0～2.5m。该多年冻土区年平均地温在-1.0℃～-0.5℃之间，属于高温不稳定多年冻土区，桩设计为直径为1.25m、桩长14.5m。根据现场地质钻探情况，试桩处钻孔所揭露的地层可知该试验场地存在冰夹层，冰层局部厚度可达20cm。表层为厚度0.5米的粗砾砂，以下为（1）粗砾砂；（2）中砂；（3）含砂冰层；（4）中砂；（5）粉质粘土；（6）泥灰岩。
2冻土中混凝土桩水化热的计算
水泥与水作用时会释放热，这种由于水化而放出的热，称之为水化热。水化热由水泥的矿物成分决定，也与细度等因素有关。一般来说，1㎏水泥的最终水化热根据各熟料矿物的含量决定，数值为：
水泥水化热释放量随时间而变化，满足下式：
 （1）
式中： 为在龄期 时的累积水化热（kJ/kg）； 为每1㎏水泥的水化热； 龄期（d）；m为常数（1/d）。
不同龄期混凝土的绝热温度： （2）
式中：T(τ)为不同龄期混凝土的绝热温度（℃）；W为每立方米水泥的用量，取416kg；（℃）；r为混凝土的质量密度，取2400（kg/m³）；c为混凝土的比热，取0.96（kJ/kg·℃）；
不同龄期混凝土内部温度： （3）
式中： 0为入模温度（10℃）；ξ为混凝土散热系数，取0.6。
在不同龄期混凝土的水化热、混凝土绝热温度、混凝土内部温度等计算结果见表1。
表1不同龄期混凝土的水化热、绝热温度和内部温度
Table1Thehydrationheats,theinsulativetemperatures
andinternaltemperaturesofconcreteindifferenttimes
|
龄期(d)
|
水化热(KJ)
|
绝对温度(℃)
|
内部温度(℃)
|
龄期(d)
|
水化热
(KJ)
|
绝对温度
(℃)
|
内部温度
(℃)
|
|
1
|
103.67
|
4.85
|
12.91
|
21
|
399.27
|
71.96
|
53.17
|
|
5
|
310.75
|
43.59
|
36.15
|
25
|
399.78
|
72.14
|
53.29
|
|
9
|
373.12
|
62.84
|
47.70
|
29
|
399.93
|
72.20
|
53.32
|
|
13
|
391.90
|
69.33
|
51.60
|
33
|
399.98
|
72.21
|
53.33
|
|
17
|
397.56
|
71.34
|
52.81
|
37
|
399.99
|
72.22
|
53.33
|
|
19
|
398.66
|
71.74
|
53.04
|
39
|
400.00
|
72.22
|
53.33
|
3桩周地基冻土地温场分析方法
根据对称边界条件，两侧面固定边界上的边界条件为（绝热边界）： ；底面固定边界上的边界条件为（温度梯度）： ；边界上的边界条件为： 。
热量平衡方程：
 （4）
场地冻土的物理指标及热学参数见表2。
表2物理指标及热学参数
Table2Physicalandthermalparameters
|
深度(m)
|
类型
|
|
|
|
|
|
|
（kg/m ）
|
kJ/(kg℃)
|
kJ/(kg℃)
|
kJ/(mh℃)
|
kJ/(mh℃)
|
|
0.0～0.5
|
粗砾砂
|
2200
|
1.08
|
0.87
|
6.56
|
8.63
|
|
0.5～3.2
|
中砂
|
2000
|
1.40
|
1.04
|
7.23
|
10.85
|
|
3.2～3.4
|
含砂冰层
|
1500
|
1.63
|
1.16
|
7.33
|
11.45
|
|
3.4～13.0
|
中砂
|
2000
|
1.43
|
0.66
|
7.32
|
11.33
|
|
13.0～20.0
|
粉质粘土
|
2100
|
1.46
|
0.71
|
7.52
|
8.33
|
|
20.0～
|
泥灰岩
|
2200
|
1.69
|
1.42
|
6.86
|
10.43
|
|
|
钢筋混凝土
|
2500
|
|
|
|
|
4计算模型及结果
本计算模型在计算多年冻土单桩自然回冻过程时假设混凝土灌注桩产生的水化热是半无限介质中的热源，灌注桩的混凝土入模温度和水化热对冻土的影响被认为是在冻土中突然加的一个高于冻土温度的热桩。就本问题而言，计算模型在径向取20m，桩底以下冻土厚度取10m（按温度梯度为0.03℃/m考虑），由对称性条件，采用轴对称计算模型，取二分之一作为分析模型。0.5m，2.5m，10m及14.5m处地温随时间的变化见图1~图4，数据结果汇总见表3。
表3不同深度地温随时间变化结果表
Table3Theresultstablebetweentemperatureandtimeatdifferentdepths
|
深度
|
位置
|
最高温度及
所用时间（℃，d）
|
达到负温
所用时间（d）
|
最终温度（℃）
|
温度走向
|
|
0.5m
|
桩中心
|
24.27，2
|
89
|
-0.45
|
下降
|
|
桩壁
|
15.91，3
|
93
|
-0.56
|
下降
|
|
2.5m
|
桩中心
|
23.56，2
|
88
|
-0.57
|
下降
|
|
桩壁
|
11.57，3
|
91
|
-0.63
|
下降
|
|
10m
|
桩中心
|
22.44，2
|
25
|
-0.98
|
下降
|
|
桩壁
|
8.69，3
|
22
|
-0.99
|
下降
|
|
14.5m
|
桩中心
|
9.02，1
|
21
|
-1.36
|
下降
|
|
桩壁
|
8.23，1
|
19
|
-1.73
|
下降
|
 0 图10.5m处地温随时间变化曲线图22.5m处地温随时间变化曲线
Fig.1Thetemperature-timecuresof0.5mFig.2Thetemperature-timecuresof2.5m
 
图310m处地温随时间变化曲线图414.5m处地温随时间变化曲线
Fig.3Thetemperature-timecuresof10mFig.4Thetemperature-timecuresof14.5m
5结论
（1）由以上曲线可知，不同深度处温度变化规律大体一致，在浇筑后，温度都要经历一个急速升温，然后快速降温的过程，当将至0℃时，下降速度开始放慢。
（2）桩底14.5m处桩中心及桩壁出现的最高温度9.02℃及8.23℃，小于桩身其他断面出现的最高温度，这是由于桩底与大面积的冻土直接接触，散热效果好，导致温度要比其他深度桩体的温度低。
（3）混凝土水化热引起的温升由桩中心向周围逐渐降低，在桩壁0.5m、2.5m及10m深度处分别出现最高温度15.91℃、11.57℃及8.69℃，比桩中心最高温度的出现时间要晚1天，这是由于冻土初始地温及传热介质不同，同时也说明水泥水化热的放热速度要大于它的传递速度。
（4）桩底断面14.5m处基本没有温度升高现象，这是由于水化热总放热小于冻土的总吸热所致。
（5）桩中心和桩壁达到负温的时间随着深度的增大而减小，0.5m处的回冻时间在89天以上，而桩底在19天就达到了回冻时间，这主要是受外界气候的影响。
参考文献
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