有限元计算在多年冻土区混凝土灌注桩温度场分布.pdf
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1、2 0 1 0 年 第 7期 (总 第 2 4 9 期 ) N u mb e r 7 i n 2 O L O ( T o t a l No 2 4 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 7 0 0 3 有限元计算在多年冻土区混凝土灌注桩温度场分布 李文利 ,张鹤 ,赵炜璇 ,巴恒静 ( 1 北京城市学 院 城市建设学部 ,北京 1 0 0 0 8 3 ;2 哈尔滨工业大学 土木工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 9
2、 0 ) 摘要: 针对在多年冻土地区建设青藏铁路时混凝土桥灌注桩水化放热引起周围冻土温度场变化这一实际工程问题,采用伽辽金法推 导出带相变的瞬态温度场问题的有限元公式, 在考虑混凝土作为放热边界的条件下综合考虑了气温变化、 风速等多种因素, 建立了多年冻 土区混凝土桥灌注桩水化放热的传热模型, 计算了由于混凝土水化放热引起的冻土温度场变化。 结果表明: 混凝土水化热在浇筑后半年内 对 多年冻土的温度场影 响很大 , 回冻时间( 融化的冻 土温度重新 回到天然状 态的时间) 长达 2年以上。而用粉煤灰和硅灰取代一定质量 的 水泥可 以减少混凝土水化热对冻土热状况的影响。 关键词 : 冻土 ;水化
3、热 ;温度场 ;有限元 中图分类号 : T U 5 2 8 0 l 文献标 志码: A 文章 编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 7 0 0 0 8 0 3 Appl i c a t i on o f f i ni t e e l emen t c al c ul a t i on i n t e mper a t ur e f i el d o f c onc r e t e c ompr e s ol pi l e i n t h e z one of pe r ma f r os t L We n - l i 1 , Z H A NGHe , Z H AO
4、 We i - x l l a n 2 , B AHe n g -j i n g ( 1 Ci t yC o n s t r u c t i o nD e p a r t me n t , B e i j i n gC i t yUn i v e r s i t y , B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a ; 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g , Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , Ha r b i n 1 5 0 0
5、 9 0 , C h i n a ) Ab s t r a c t : Ac c o r d i n g t o t h e p r o b l e ms i n t h e p r o j e c t t h a t h y d r a t i o n h e a t o f c o n c r e t e c o mp r e s o l p i l e s c a u s e c h a n g e s o f t e mp e r a tu r e f i e l d a r o u n d t h e m wh e n Q i n g z a n g r a i l wa y i s
6、 b u i l t i n t h e z o n e o f p e r ma f r o s t , fi n i t e e l e me n t f o rmu l a t i o n o f t h e i s s u e o f t r a n s i e n t t e mp e r a t u r e fi e l d wit h p h a s e c h an e i s o b t a i n e d b yG a l e r k i n s me t h o d T a k i n gh y d r a t i o nh e a t o f c o n c r e t
7、 e , a i r t e mp e r a t u r e c h a n g e a n dwi n d s p e e d a s b o u n d a r i e s , t h e mo d e l o f h e a t :t r a n s mi s s i o n o f l i b e r a t i o n o f h e a t of c o n c r e t e c o mp r e s o l p i l e i n the z o n e o f p e rm a f r o s t i s c r e a t e d。 an d c h a n g e s
8、o f t e m p e r a t u r e fie l d o f p e 肿 a f r o s t c a u s e d b y h y d r a t i o n h e a t of c o n c r e t e are c a l c u l a t e d Re s u l t s s h o w t h a t t h e e ffe c t o f h y d r a t i o n h e a t o f c o n c r e t e o n t e mpe r a t u r e fi e l d o f p e r ma fr o s t i S n o t
9、 a b l e in t h e fi r s t h a l f y e ar a f te r c o n c r e t e h a s b e e n c a s t e d a n d t h a t t h e c o n tr a c t t i me ( t e mp e r a tur e o f t h a w p e rm a f r o s t r e s u me s t h e c r u d e s t a t e )i s o v e r t wo y e ars Wh e n s o me q u ant i t i e s o f fl y a s h a
10、 n d s i l i c a f u me r e p l a c e s o me c e me n t , t h e e ff e c t o f h y d r a t i o n h e a t o f c o n c r e t e o n t h e rm o c o n d i t i o n s o f p e r m a f r o s t i s r e d u c e d Ke y wor d s : p e r ma fro s t ; h y d r a t i o nh e a t ; t e mpe r a t u r e fi e l d; fi n i
11、t e e l e me n t 0 引 言 我国北方各省和西部的青藏高原属于寒冷地区或冻土区。 冻土是温度低于 0且含有冰的土岩 。而多年冻土在两年或两 年以上都处于冻结状态, 只有表层几米的土层处于夏融冬冻的 状态【 l】 。 在多年冻土地区的主要工程地质问题有融沉、 冻胀等不 良地质现象。 西部开发以来, 青藏铁路格尔木一 拉萨段将穿越多 年冻土地段约 5 5 3 k m, 线路通过许多山脉和盆地, 复杂的地形 要求线路只能“ 以桥代路” 。而混凝土桥灌注桩的使用却给环境 带来 了反作用 , 由于高强度、 高耐久性等大体积混凝土在实际 工程中的应用 , 混凝土在水化过程中放出大量的热 ,
12、 从而使周 围冻土层不同程度的融化, 造成建筑物的不均匀沉降。不仅如 此, 混凝土还是一种导热陛很差的建筑材料。大体积混凝土由于 中心温度高、 散热慢、 温度梯度大 , 在施工后相当长的时间内混 凝土水化热对冻土都有影响。本文针对这一实际工程问题 , 建 立传热模型 , 研究了混凝土水化放热的规律 , 采用伽辽金法推 导有限元公式来计算带相变的瞬态温度场 , 研究冻土温度场的 收稿 日期 :2 0 1 0 - 0 3 1 6 基金项目:国家自然科学基金资助项 目( 5 0 0 7 8 0 1 9 ) 8 变化规律 , 从而指导实际工程设计。通过改变混凝土配合比的 方法 , 找到适合多年冻土区施
13、工要求的低热、 早强混凝土以减 小水化热对冻土温度场的影响。 1 传热模型的建立 1 1 控 制微 分 方程 多年冻土的融化过程是伴随着相变的导热过程, 这类问题 的特点是控制方程是非稳态导热方程, 区域内存在着一个随时 间移动的两相界面 , 在该界面上放出或吸收潜热, 因此称之为 “ 移动边界问题” 目 。相界面把区域分为两部分, 在固相区域 D 的 瞬态温度场热量平衡微分方程为: : f 一0 2 T s + 盟 + 0 2 T s 一 1 + 盟 ( 1 ) O t p c sO x 。 a O z p c s 在液相区域 D L 的瞬态温度场热量平衡微分方程为: 堕一A L 0 2T
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