大截面抗滑桩水化热温度场及应力场机理分析研究

侯小强 ，姚政学，王 健 ，王 政 ，侯艳平

（1.甘肃建筑职业技术学院，甘肃兰州 730050；2.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，甘肃兰州 730000；3.国网兰州供电公司，甘肃兰州 730030；4.甘肃庆城县供电局，甘肃庆城 745100）

1 概述

抗滑桩是穿过滑坡体深入于滑床的桩柱，用以支挡滑体的滑动力，起稳定边坡的作用，适用于浅层和中厚层的滑坡，是一种抗滑处理的主要措施。抗滑桩对滑坡体的作用是利用抗滑桩插入滑动面以下的稳定地层对桩的抗力（锚固力）平衡滑动体的推力，增加其稳定性。当滑坡体下滑时受到抗滑桩的阻抗，使桩前滑体达到稳定状态。当土层沿滑面滑动时，锚固深度采用桩径的2～5倍。实心抗滑桩体积较大，大多断面尺寸为1.8 m×2.2～3.0 m×4.2 m之间，延米工程量在3.96～12.6 m3，每立方米钢筋用量一般在90～120 kg之间。大体积混凝土浇筑，容易产生大量水化热，内部温度急剧上升，徐变很大，升温引起的一定压力，但随温度逐渐降低时，弹性模量较大，徐变较小，在一定约束条件下会产生相当大的拉应力。此外，如果出现拉应力超过了容许应力，就会出现裂缝，影响混凝土质量[1-4]。由于拉压应力在水化热反期间交替变化，引起内部温度场和内部应力场交替变化。根据此，笔者本人提出箱型结构抗滑桩，解决了水化热条件下具有内部温度和应力场变化等因素。且针对箱型钢筋混凝土结构和箱型预应力混凝土结构力学，该两种结构通过一系列模拟机现场试验抗弯抗剪均能满足实心抗滑桩的抗滑要求[5-6]，由于篇幅本文不在论证。

箱型抗滑桩依靠自身结构具有较大的表面积来提高散热效果，在混凝土水化热反应期间，做好孔内洒水养生，具有迅速散热功能，抗滑桩内外温度处于平稳，使温差大大降低，避免因混凝土水化热温度过高而产生裂缝，影响抗滑桩的安全性和耐久性[7-10]。目前，抗滑桩水化热温度场及温度应力场机理方面研究较少，笔本次者针对箱型抗滑桩和实心抗滑桩两种结构从水化热方面分析其温度场及温度应力场影响程度。

2 混凝土热传导理论

混凝土内部温度场计算的实质是热传导方程在特定边界条件和初始条件下的求解，整个传热过程为瞬态传热。大体积混凝土的水化热温度场即为瞬态传热过程。对于瞬态传热的温度场，系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表达为(三维瞬态温度场的热传导方程为：

式中：λ为导热系数，单位为kJ/（m·h·℃）；c为比热，单位为kJ/（kg·℃）；t为时间，单位为h；ρ为密度，单位为kg/m3；θ为混凝土的绝热温升，单位为kJ/kg。

3 有限元模型建立及条件设置

3.1 有限元三维模型

本次以箱型抗滑桩和普通实心混凝土抗滑桩两者结合起来进行比较研究。截面面积分别为3 m×4m进行研究，其中箱型结构中，为3 m×4 m箱内尺寸为1.5 m×2 m，桩长均为为20 m，分别按照悬臂桩和埋入式两种进行研究，其中悬臂桩锚固深度为8m，混凝土等级强度为C30。

采用大型有限元软MIDAS/Civil本建模，为保证分析其温度场和应力场直观性，按照1/4建立三维模型。其中横向和竖向均按照0.375m划分单元，其中实心抗滑桩共有875各节点，576各单元，箱型抗滑桩共有803个节点，384各单元。地基土体均为1 381个节点，1 008个单元，见图1、图2和表1。

图1 实心抗滑桩1/4模型

图2 箱型抗滑桩1/4模型

表1 抗滑桩及岩土物理参数一览表

3.2 初始条件和边界条件

热传导方程而建立了物体的温度和时间、空间的一般关系,用热传导方程的求得的解有无限多,只要确定了物体的初始条件和边界条件,就可以从无限多热传导方程的解中得到所需的温度场。初始条件为在初始状态下,物体内部的温度场分布规律;边界条件为混凝土表面与周围介质(如空气或水)之间温度相互作用的规律。具体如下：

（1）混凝土浇筑温度取20℃；地基土体的初始温度，在考虑了地表温度和地下较深层的稳定温度后，取为10℃。

（2）抗滑桩顶面及外露面与空气接触，此边界上存在与空气的热对流，属于热分析中的第三类边界条件，因此，将对流边界条件作为面荷载施加于实体的表面(具体输入参数为对流系数和环境温度)。气温作为温度边界条件，取20℃。

（3）最大绝热温升计算，本次选用普通硅酸盐水泥，浇筑温度20℃，单位水泥用量370 kg/m3,F（t）＞k×[1-e(-a×t）]=53.7℃，见图3。混凝土水化热在3 d以后，温度接近于平稳。

图3 C30混凝土水化热升温随时间变化曲线温度

4 抗滑桩温度和应力场分析

混凝土中水泥的水化热是影响混凝土温度应力的重要因素。水泥在水化过程中会释放出一定量的水化热，而大体积混凝土的尺寸一般比较厚大，本次采用的C30混凝土表面散热容易而混凝土内部积聚的水化热散发不出，以致内部温度高达53.7℃，内部温度高于外表面温度，因此，混凝土内部膨胀而表面收缩，表面的收缩受到内部的约束就会产生拉应力，当超过混凝土抗拉强度时就会开裂。本次主要通过水化热产生的温度场变化和引发的应力场变化进一步分析。

4.1 温度场分析

从图4～图14可以看出，实心结构抗滑桩由于锚固段以上同外界环境接触，散失温度降低速度较快，锚固段在土体握裹，则由于地基土热传导较低，热量散失较慢，在第5～20 h温度升高到最大值，20 h时混凝土内部逐渐升高，温度达到最高值48.5℃，混凝土外部温度及锚固段岩土部分温度一直在20℃左右。在这20 h期间，混凝土最高温度部位由混凝土结构整体逐渐下移至桩底（即岩土地基埋入部分），内外温差逐渐增加。在20～300 h期间，混凝土内部逐渐降低，内外温差逐渐降低。箱型结构抗滑桩由于结构内部和外部均于外界相接触，空气对流作用，热量散失较快，在第10 h达到混凝土内部最高温25.97℃，且最高温度部位由混凝土结构整体逐渐下移至桩底（即岩土地基埋入部分）混凝土外表层温度达到19.86℃～20.12℃之间。因此，箱型结构抗滑桩内外最高温度和最低温度差在5℃左右，10～300 h箱型结构抗滑桩内外最高温度和最低温度差在接近于0，混凝土在浇筑75 h以后，大部分水化热基本散失。

图4 实心抗滑桩浇筑完5 h温度

图5 箱型抗滑桩浇筑完5 h温度

图6 实心抗滑桩浇筑完10 h温度

图7 箱型抗滑桩浇筑完10 h温度

图8 实心抗滑桩浇筑完20 h温度

图9 箱型抗滑桩浇筑完20 h温度

图10 实心抗滑桩浇筑完35 h温度

图11 箱型抗滑桩浇筑完35 h温度

图12 实心抗滑桩浇筑完50 h温度

图13 箱型抗滑桩浇筑完50 h温度

图14 抗滑桩浇筑后不同时间最高温度

4.2 应力场分析

大体积混凝土在浇筑以后，水泥水化产生大量的水化热，由于外露表面形式和大小不同，混凝土内外温差不同，中心混凝土与外部混凝土产生变形也不同，形成拉应力或压应力，当应力超过容许应力，就形成了裂缝。因此，分析抗滑桩在XX和YY方向节点应力对判断是否出现裂缝相当重要。

如图15，4节点1238和126，两个节点分别为实心抗滑桩在XX方向同一水平截面上应力差别较大节点，由图16可知，各节点在不同时间容许应力随着时间延长强度逐渐增加，在75 h（3 d）强度增加较快；1238节点处于抗滑桩的中心部，在20 h水化热反应，产生压应力达到1.706 5 MPa,在50 h时，应力为0，随后表现为拉应力1.2 MPa左右。1264节点在20 h水化热反应，产生拉应力达到0.832 4 MPa,在40 h时，应力为0，随后表现为压应力1.640 5 MPa左右，且应力均为超过其容许应力，说明在该截面上不会出现裂缝。

图15 实心抗滑桩浇筑完20 h应力（XX）方向

图16 实心抗滑桩节点XX方向应力和容许抗拉强度

如图17，节点1273和1195，两个节点分别为实心抗滑桩在YY方向同一水平截面上应力差别较大节点，由图18可知，各节点在不同时间容许应力随着时间延长强度逐渐增加，在75 h（3 d）强度增加较快；1273节点处于抗滑桩的中心部，在20 h水化热反应，产生压应力达到1.687 9 MPa,在44 h时，应力为0，随后表现为拉应力1.203 9MPa左右。1195节点5～20 h期间，产生拉应力由0.460 9 MPa到最大值1.332 5 MPa,该节点即时容许应力均小于实际拉应力，在前20 h，最有可能出现裂缝。在20 h之后，两个节点的容许应力大于节点应力。

图17 实心抗滑桩浇筑完20 h应力（YY）方向

图18 实心抗滑桩节点YY方向应力和容许抗拉强度

如图19和图20，节点1406和1405，两个节点分别为箱型抗滑桩在XX和YY方向同一水平截面上应力差别较大节点，由图21可知，各节点在不同时间容许应力随着时间延长强度逐渐增加，在75 h（3 d）强度增加较快；1404节点处于抗滑桩的中心部，在5 h水化热反应，产生压应力达到0.215 13MPa,在70 h时，应力为0，随后表现为拉应力0.12 MPa左右。1405节点水化热反应随着时间增加压应力逐渐增加，产生压应力达到0.289 9 MPa。节点应力远远小时节点应力，不会出现裂缝，且受温度产生的应力影响较小。

图19 箱型抗滑桩浇筑完20 h应力（XX）方向

图20 箱型抗滑桩浇筑完20 h应力（YY）方向

图21 箱型抗滑桩应力和容许抗拉强度

5 结论

通过利用有限元模拟分析，根据工程和现场环境的在特点，准确地模拟了实心和箱型两种抗滑桩，混凝土水化热产生的温度场和应力场变化状况，计算中考虑了与空气的对流及与锚固地基土的热传递等各种初始条件和边界条件因素。通过对两种结构抗滑桩对里表温差、温度峰值、温度峰值、拉压应力和容许应力出现时间的影响分析出现时间的影响分析，得出以下结论：

（1）认为两种结构抗滑桩在水化热反应初期，温度场呈凸形变化，先增高在降低，实心结构在20 h时达到最高值48.5℃，箱型结构10 h达到最高值25.97℃，实心结构元高于箱型结构，且实心结构桩内部高温部分由桩顶想桩底锚固段移动明显与箱型结构；

（2）通过应力场分析，实心结构节点最大应力在20 h之前，水化热产生节点最大应力大于容许应力，混凝土存在裂缝可能，箱型结构节点最大应力远远小于容许应力，混凝土不会出现裂缝。因此，箱型抗滑桩具有很强的耐久性和安全性。

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