摩天大樓、公路橋梁以及一些重型人造結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程經(jīng)常使用鉆孔樁。盡管鉆孔樁已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但由于設(shè)計(jì)不理想和混凝土流動(dòng)，這些豎井仍然會(huì)出現(xiàn)一些異常情況。為了更好地理解這些狀況，改進(jìn)鉆孔樁的混凝土澆筑過(guò)程，研究人員使用了 COMSOL Multiphysics? 軟件進(jìn)行了仿真和分析。這篇文章我們來(lái)看看他們的初步研究和發(fā)現(xiàn)。

解決鉆孔樁設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題

鉆孔樁是一種深層基礎(chǔ)元件，具有低成本、高效益和高性能的特性。它們可以用在各種土層中，以最小的噪聲和振動(dòng)工作。由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，鉆孔樁在世界各地用于支撐重型結(jié)構(gòu)。

使用中的鉆孔樁示意圖。圖片由 J. Asirvatham、A.E .Tejada-Martinez 和 G. Mullins 提供，源自他們?cè)贑OMSOL 用戶年會(huì) 2017 波士頓站的演示文稿。

鉆孔樁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由在土壤或巖石中鉆出的深圓柱形孔組成。通常，建筑工人在挖掘過(guò)程中使用鉆孔樁液或泥漿來(lái)保持孔的穩(wěn)定性，通過(guò)向開挖的孔中泵入與挖掉的土壤量相等的泥漿來(lái)完成。

當(dāng)孔達(dá)到所需深度時(shí)，會(huì)添加一個(gè)鋼筋籠維持架。然后用一根長(zhǎng)的泵軟管或管道用混凝土填充鉆孔。該裝置將混凝土泵入孔底，防止其與泥漿混合。

鉆孔豎井建造過(guò)程的主要過(guò)程：鉆孔(左)、插入鋼筋籠(中)和用混凝土填充孔(右)。圖片由 J. Asirvatham、A.E. Tejada-Martinez 和 G. Mullins 提供，源自他們?cè)?COMSOL 用戶年會(huì) 2017 波士頓站的演示文稿。

在理想情況下，在填充開挖孔時(shí)可以毫不費(fèi)力地用混凝土替換較輕的泥漿。然而，實(shí)際情況并非總是如此。不同的鋼筋籠形狀和位置會(huì)改變混凝土的上升方式，并在籠內(nèi)和外部的混凝土之間產(chǎn)生水頭差。混凝土流向開挖孔的運(yùn)動(dòng)學(xué)也會(huì)引起異常。例如，澆注導(dǎo)管中混凝土的不良流動(dòng)，會(huì)使得形成的鉆孔樁在整個(gè)橫截面和深度上質(zhì)量都較差。

在涉及鉆孔樁液或泥漿的情況下，理想的混凝土流動(dòng)與實(shí)際混凝土流動(dòng)的比較。

由混凝土流動(dòng)性能差引起的異常情況。圖片由 J. Asirvatham、A. E.  Tejada-Martinez 和 G. Mullins 提供，分別源自他們?cè)贑OMSOL 用戶年會(huì) 2017 波士頓站的論文和演示文稿。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查后，University of South Florida土木與環(huán)境工程系的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)指出，混凝土進(jìn)入鉆孔的流動(dòng)模式對(duì)鉆孔樁硬化鑄件的性能有很大影響。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，鋼筋籠的放置可能會(huì)造成一些異常的折痕。

為了獲得填充鉆孔樁的混凝土的正確流動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)決定使用仿真來(lái)模擬鉆孔的混凝土澆筑過(guò)程。接下來(lái)，讓我們來(lái)看看他們所做的這項(xiàng)工作。

使用 COMSOL Multiphysics? 分析鉆孔的混凝土澆筑過(guò)程

在他們的研究中，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)初步的二維軸對(duì)稱鉆孔樁模型，該模型由一個(gè)深度為 7 英尺、直徑為 4 英尺(深約 2.1 米、直徑約 1.2 米)的矩形元件組成。模型的中心是一根直徑為 10 英寸(約 25 厘米)的導(dǎo)管，周圍環(huán)繞著帶有間隙的垂直元件的鋼筋。該模型可以解釋混凝土的流變特性、潛在的結(jié)構(gòu)堵塞和兩相流動(dòng)情況：

• 從管道流出的混凝土
• 泥漿被混凝土置換并流出開挖孔

研究人員使用 COMSOL Multiphysics 的兩相流接口中包含的水平集方法來(lái)計(jì)算混凝土和泥漿之間的界面的運(yùn)動(dòng)。

鉆孔樁模型幾何圖形。圖片由 J. Asirvatham、A.E. Tejada-Martinez 和 G. Mullins 提供，源自他們?cè)?COMSOL 用戶年會(huì) 2017 波士頓站發(fā)表的論文。

使用該模型，該團(tuán)隊(duì)模擬了 4 分鐘內(nèi)混凝土和漿料的流動(dòng)模式和體積分?jǐn)?shù)。他們還計(jì)算了鋼筋籠內(nèi)外之間的水頭差。

在這個(gè)時(shí)間段開始時(shí)，混凝土(在下圖中用紅色表示)保留在管道內(nèi)，而泥漿(用藍(lán)色表示)充滿了開挖孔的其余部分。隨著時(shí)間的推移，混凝土開始從管道中流出，并在鋼筋籠內(nèi)垂直向上移動(dòng)。在形成所需的水頭后，混凝土開始徑向流出鋼筋籠并擴(kuò)散到環(huán)形空間中。這種情況一直持續(xù)，直到越來(lái)越多的開挖孔被混凝土填充，最終取代了泥漿。但是，由于混凝土并沒有均勻地填充空間，因此鋼筋籠內(nèi)外產(chǎn)生了水頭差。

非牛頓模擬結(jié)果，顯示了混凝土（紅色）和泥漿（藍(lán)色）在不同時(shí)間的體積分?jǐn)?shù)。圖片由 J. Asirvatham、A.E .Tejada-Martinez 和 G. Mullins 提供，源自他們?cè)?COMSOL 用戶年會(huì) 2017 波士頓站發(fā)表的論文。

使用非牛頓模擬計(jì)算出的水頭差為 0.35 米(14 英寸)，這在 0.20 ~ 0.40 米(8 ~ 16 英寸)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)范圍內(nèi)。另一方面，牛頓模擬顯示的水頭差為 0.90 米(36 英寸)，高于觀測(cè)范圍。因此，非牛頓流動(dòng)模型更適合這種混凝土流動(dòng)模擬，并證明仿真可以成功計(jì)算鉆孔中的混凝土水頭差。

通過(guò)他們的初步仿真結(jié)果，研究人員預(yù)測(cè)出混凝土流速和鋼筋間距如何影響鋼筋籠內(nèi)外的混凝土水頭差。他發(fā)現(xiàn)，隨著混凝土流速的增加以及鋼筋凈間距的減小，差異也會(huì)增加。

下一步

研究人員最初建立的二維軸對(duì)稱模型的模擬結(jié)果值得信賴，因?yàn)橛?jì)算出的流動(dòng)模式與項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的觀察結(jié)果一致。未來(lái)，研究人員希望研究該過(guò)程如何受到鉆孔樁尺寸和鋼筋設(shè)計(jì)的影響。他們計(jì)劃將他們的模型擴(kuò)展到三維，以進(jìn)一步研究混凝土的澆筑過(guò)程。

這些模型可以幫助確定新拌混凝土的理想流變特性和優(yōu)化的可操作性，以便可以更好地填充給定尺寸和鋼筋布置的鉆孔軸。

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