为研究混凝土水化热对高温多年冻土区桩基温度场的影响,以传热学为理论基础,给出温度场的控制微分方程和边界条件,采用有限元数值分析方法求解,分析混凝土灌注桩施工后桩土温度场的分布规律,讨论入模温度及混凝土水化热对回冻过程的影响。研究结果表明:入模温度和混凝土总水化热对回冻过程有显著影响,回冻时间随入模温度的增加而延长;随总水化热的降低而减少。对高温多年冻土而言,混凝土灌注桩施工带给冻土温度场的热扰动使回冻过程更为漫长,可通过在混凝土中适当加入粉煤灰和矿渣等掺合料及降低混凝土入模温度来减少回冻时间,缩短施工工期。

通过模拟冻土地区地质条件,制作了CFG群桩室内模型,并进行了桩-冻土温度场观测试验。应用ABAQUS对混凝土水化热影响下群桩与冻土的温度进行数值计算,并将计算结果与试验数据进行对比分析且分析结果吻合较好,确定了ABAQUS软件对冻土地区CFG群桩温度分析的适用性,从而分析混凝土水化热影响下群桩与冻土的温度场分布规律、不同混凝土入模温度对模型温度场的影响。

通过分析距桩中不同距离的冻土温度随时间的变化特征,得出了桩周冻土的回冻时间、不同距离的多年冻土地温随时间的变化曲线及变化规律,总结了桩周冻土的温度变化曲线特征是由于混凝土水化热释放热能以及周围冻土释放冷能的双向影响,得到了桩基础水化热的扩散半径。试验结果对多年冻土地区工业、民用建筑的建设研究具有很大的理论意义和工程实用意义。

多年冻土地区群桩基础的施工,对冻土温度场造成了较大的影响,这对工程施工及病害防护提出了新的要求。文中模拟冻土地区地质条件,建立CFG群桩室内模型,进行桩-土温度场观测;通过数据分析冻土地区CFG群桩温度场分布规律、桩间水化热叠加效应、桩基温度和冻土温度随时间变化规律等问题,以便能采取有效地措施防治病害的发生。

利用有限差分方法,分析隧道联络通道结构施工时混凝土水化热对人工冻结形成的冻土帷幕的影响。混凝土水化热的释放使得混凝土内温度急剧上升,之后受冻土帷幕低温和混凝土永久支护边界散热的影响,温度逐渐下降。混凝土水化热大量释放期间,冻土帷幕局部升温并融化,相界面移动迅速,并达到最大值。之后温度回落,经过几天的降温后,冻土开始回冻,冻土帷幕回冻速度比较缓慢。分析结果表明,常见的盾构隧道联络通道结构浇注的混凝土始终不会进入负温状态,混凝土不会因为冻土帷幕低温影响遭受冻害。

研究了在人工冻土墙形成并达稳定温度场分布呈非线性后,基坑开挖并浇注大体积混凝土衬砌时,混凝土水化热对冻土墙温度场及其耦合应力场分布的影响,分析得出了在冻土墙温度场分布改变过程中,其与内衬共同作用应力场的变化规律.内衬混凝土水化热会使其邻近的冻土融化,之后在冻结管冷源的作用下融土又回冻,冻土墙温度场会发生非线性的变化过程;在冻土墙内侧随工况进行自上而下移动的融化区域使围护结构体系的应力场不断的变化,冻土墙内侧所受径向应力增大,内衬的支护作用提高,冻土墙支护性能下降;同时,冻土墙位移趋势加大,内衬支护作用的提高并没有完全遏制冻土墙的位移发展,说明冻土墙是主要的支护结构.

研究了在人工冻土墙形成并达稳定温度场分布呈非线性后 ,基坑开挖并浇注大体积混凝土衬砌时 ,混凝土水化热对人工冻土墙温度场分布的影响 ,分析得出了受影响区域内冻土墙被融化及重新冻结的过程 .在内衬混凝土水化热的作用下 ,冻土墙温度场会发生非线性的变化过程 ,沿径向受影响冻土墙上的不同点 ,温度变化规律是相似的 ;同时 ,在冻结管所提供冷源的作用下 ,解冻的冻土墙部分又会重新冻结 .