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钻孔灌注桩混凝土水化热与冻土环境耦合作用下时变温度场研究

代金鹏  
【摘要】:随着我国西部大开发、东北振兴战略的持续推进,高原高海拔、高纬度冻土地区铁路、公路、建筑工程等基础设施建设方兴未艾。各类工程基础结构修建在冻土地基之中,钻孔灌注桩基础是一种常用的基础结构形式,现场浇筑灌注桩与冻土地基的互相作用构成了桩基的承载体系。灌注桩的浇筑造成了对冻土的热扰动,与此同时,冻土环境对灌注桩桩身早龄期混凝土的强度发展和孔结构的形成带来极为不利的影响,进而造成桩身强度降低、灌注桩承载力不足,最终危及结构安全。开展灌注桩与冻土环境的时变温度场研究,是分析钻孔灌注桩混凝土结构强度、耐久性及寿命预测的依据,具有重要的理论意义和工程应用价值。混凝土水化热和导热系数是影响冻土环境钻孔灌注桩时变温度场的关键参数。通过对混凝土水化热和导热系数影响因素的研究,阐明了水胶比、养护温度等因素对混凝土水化热和导热系数的影响机理,建立了混凝土水化热和导热系数时变计算模型,为冻土环境钻孔灌注桩混凝土时变温度场研究中生热量函数和混凝土导热系数的合理选用提供理论支撑。基于热力学和数学物理方法,建立了冻土环境钻孔灌注桩混凝土时变温度场模型。考虑冻土环境钻孔灌注桩混凝土水化热和导热系数时变特性,建立了人工冻土灌注桩有限元模型。进行了人工冻土灌注桩温度场室内试验,验证了有限元模型参数假设和温度场理论计算模型的适用性。主要研究内容和创新如下:(1)采用直接法(半绝热温升)测试了水泥浆体的水化热,以此来模拟钻孔灌注桩混凝土浇筑后水泥迅速水化的生热过程,分析了水胶比、入模温度、粉煤灰掺量对水泥浆体水化热的影响。结果表明,在1d龄期时,随着水胶比的增大,水泥浆体的水化热逐渐减小,但高水胶比提高了水泥浆体28d龄期的累计水化热。水胶比增大延缓了水泥水化加速期的出现。在水泥水化初期,水泥浆体的入模温度对水化热的影响不大,但较高的入模温度带来了较高的最终水化热。随着粉煤灰掺量的增大,水泥浆体的水化热逐渐减小,水泥水化速率峰值逐渐降低。基于水泥水化热计算经验公式,建立了考虑混凝土入模温度及粉煤灰掺量影响的水化热计算时变模型。(2)采用溶解热法测试了恒温养护条件下水泥浆体水化热,以此来模拟冻土环境钻孔灌注桩混凝土温度稳定后水泥水化生热过程,分析了水胶比和恒定养护温度对水泥水化热的影响规律。研究表明,20℃恒温养护下,1d龄期时,随着水胶比的增大,水泥浆体的水化热逐渐减小,1d龄期之后,规律与之前相反。在5℃和0℃恒温养护下,各个龄期时,随着水胶比的增大,水泥浆体的水化热逐渐增大。在-5℃恒温养护下,各个龄期时,随着水胶比的增大,水泥浆体的水化热逐渐减小。水泥浆体的累计水化热随着养护温度的降低而减小,随龄期的增大而增大。分别以基于经验公式的水泥水化热计算模型、基于等效龄期的水化热计算模型和基于水泥水化动力学的水化热计算模型,建立了恒温养护下水泥水化热计算时变模型。(3)基于稳态法测试了20℃、5℃和-5℃恒温养护下不同龄期时处于非饱和状态混凝土的导热系数,分析了水胶比、初始含气量、粉煤灰掺量、养护龄期及养护温度对混凝土导热系数的影响规律。结果表明,水胶比、初始含气量、粉煤灰掺量、养护龄期及养护温度均与混凝土导热系数成反比关系。阐明了各个影响因素与混凝土导热系数之间的相关性,即养护温度初始含气量养护龄期水胶比粉煤灰掺量。采用多元回归方法建立了混凝土导热系数时变模型。(4)基于冻土环境钻孔灌注桩混凝土物理模型,从传热学基础理论入手,构建了冻土环境钻孔灌注桩混凝土时变温度场微分方程。采用分离变量法进行了冻土环境钻孔灌注桩混凝土时变温度场微分方程的求解,从物理学和热力学的角度出发,提出了采用“热冲量法”的方法来解决时变温度场模型中非齐次微分方程的求解难题。基于Bessel函数基本原理,确定了冻土环境钻孔灌注桩混凝土时变温度场模型基本计算参数。建立冻土环境钻孔灌注桩混凝土时变温度场模型,以期为钻孔灌注桩混凝土原材料和配合比的定量化反向设计提供理论支撑。(5)室内制备了人工冻土灌注桩模型,开展了人工冻土灌注桩温度场试验。考虑冻土环境灌注桩混凝土水化热和导热系数时变特性,提出混凝土水化热和导热系数采用分段函数表示的参数假设,建立了人工冻土灌注桩有限元模型,将桩心处温度测点的室内试验数据、有限元分析数据和理论模型计算数据进行了对比。结果表明,在合理误差范围内有限元计算模型能够准确反映灌注桩混凝土温度变化过程,验证了建立有限元模型时采用分段函数的形式来施加混凝土生热量函数和导热系数的合理性。利用时变温度场理论模型计算得到的桩心处测点温度变化趋势与人工冻土灌注桩实测数据变化趋势基本保持一致。本文建立的时变温度场理论模型计算值与已有文献中人工冻土灌注桩混凝土温度场试验值的偏差较小。在边界条件合适的情况下,可以采用建立的理论模型对冻土环境钻孔灌注桩混凝土时变温度场进行定量分析。


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