摩天大楼、公路桥梁以及一些重型人造结构的建造过程经常使用钻孔桩。尽管钻孔桩的应用已经非常广泛，但由于设计不理想以及混凝土流动，这些竖井仍然会出现一些异常情况。为了更好地理解这些情况，改进钻孔桩的混凝土浇筑过程，研究人员使用 COMSOL Multiphysics® 软件进行了仿真和分析。这篇博客，我们来看看他们的初步研究和发现。
解决钻孔桩设计过程中的问题
钻孔桩是一种深层基建元件，具有低成本、高效益和高性能的特点。它们可以用在各种土层中，以最小的噪声和振动工作。由于具有这些优点，钻孔桩在世界各地用于支撑重型结构。
使用中的钻孔桩示意图。图片由 J. Asirvatham、A.E .Tejada-Martinez 和 G. Mullins 提供，源自他们在COMSOL 用户年会 2017 波士顿站的演示文稿。
钻孔桩结构简单，由在土壤或岩石中钻出的深圆柱形孔组成。通常，建筑工人在挖掘过程中使用钻孔桩液或泥浆来保持孔的稳定性，通过向开挖的孔中泵入与挖掉的土壤量相等的泥浆来完成。
当孔达到所需深度时，会添加一个钢筋笼维持架。然后用一根长的泵软管或管道用混凝土填充钻孔。该装置将混凝土泵入孔底，防止其与泥浆混合。
钻孔竖井建造过程的主要过程：钻孔(左)、插入钢筋笼(中)和用混凝土填充孔(右)。图片由 J. Asirvatham、A.E. Tejada-Martinez 和 G. Mullins 提供，来自他们在 COMSOL 用户年会 2017 波士顿站的演示文稿。
理想情况下，在填充开挖孔时可以毫不费力地用混凝土替换较轻的泥浆。然而，实际情况并非总是如此。不同的钢筋笼形状和位置会改变混凝土的上升方式，并在笼内和外部的混凝土之间产生水头差。混凝土流向开挖孔的运动也会引起异常。例如，浇注导管中混凝土的不良流动，会使得形成的钻孔桩在整个横截面和深度上质量都较差。
左图：在涉及钻孔桩液或泥浆的情况下，理想的混凝土流动与实际混凝土流动的比较。右图：由混凝土流动性能差引起的异常情况。图片由 J. Asirvatham、A. E. Tejada-Martinez 和 G. Mullins 提供，分别来自他们在COMSOL 用户年会 2017 波士顿站的论文和演示文稿。
通过实验测试对这些问题进行调查后，University of South Florida土木与环境工程系的一个研究团队指出，混凝土进入钻孔的流动模式对钻孔桩硬化铸件的性能有很大影响。此外，他们还发现，钢筋笼的放置可能会造成一些异常的折痕。
为了获得填充钻孔桩的混凝土的正确流动，研究团队决定使用仿真来模拟钻孔的混凝土浇筑过程。接下来，让我们来看看他们所做的这项工作。
使用 COMSOL Multiphysics® 分析钻孔的混凝土浇筑过程
在他们的研究中，该团队创建了一个初步的二维轴对称钻孔桩模型，该模型由一个深度为 7 英尺、直径为 4 英尺(深约 2.1 米、直径约 1.2 米)的矩形元件组成。模型的中心是一根直径为 10 英寸(约 25 厘米)的导管，周围环绕着带有间隙的垂直元件的钢筋。该模型可以解释混凝土的流变特性、潜在的结构堵塞和两相流动情况：
- 从管道流出的混凝土
- 泥浆被混凝土置换并流出开挖孔
研究人员使用 COMSOL Multiphysics 的两相流接口中内置的水平集方法来计算混凝土和泥浆界面的运动。
钻孔桩模型几何图形。图片由 J. Asirvatham、A.E. Tejada-Martinez 和 G. Mullins 提供，来自他们在 COMSOL 用户年会 2017 波士顿站发表的论文。
使用该模型，该团队模拟了 4 分钟内混凝土和浆料的流动模式和体积分数。他们还计算了钢筋笼内外之间的水头差。
在这个时间段开始时，混凝土(在下图中用红色表示)保留在管道内，而泥浆(用蓝色表示)充满了开挖孔的其余部分。随着时间的推移，混凝土开始从管道中流出，并在钢筋笼内垂直向上移动。在形成所需的水头后，混凝土开始径向流出钢筋笼并扩散到环形空间中。这种情况一直持续，直到越来越多的开挖孔被混凝土填充，最终取代了泥浆。但是，由于混凝土并没有均匀地填充空间，因此钢筋笼内外产生了水头差。
非牛顿模拟结果，显示了混凝土（红色）和泥浆（蓝色）在不同时间的体积分数。图片由 J. Asirvatham、A.E .Tejada-Martinez 和 G. Mullins 提供，来自他们在 COMSOL 用户年会 2017 波士顿站发表的论文。
使用非牛顿流体模拟计算出的水头差为 0.35 米(14 英寸)，这在 0.20 ~ 0.40 米(8 ~ 16 英寸)的实验观测范围内。另一方面，牛顿模拟显示的水头差为 0.90 米(36 英寸)，高于观测范围。因此，非牛顿流体流动模型更适合这种混凝土流动模拟，并证明仿真可以成功计算钻孔中的混凝土水头差。
通过他们的初步仿真结果，研究人员预测出混凝土流速和钢筋间距如何影响钢筋笼内外的混凝土水头差。他发现，随着混凝土流速的增加以及钢筋净间距的减小，差异也会增加。
下一步
研究人员最初建立的二维轴对称模型的模拟结果值得信赖，因为计算出的流动模式与项目现场的观察结果一致。未来，研究人员希望研究该过程如何受到钻孔桩尺寸和钢筋设计的影响。他们计划将他们的模型扩展到三维，以进一步研究混凝土的浇筑过程。
这些模型可以帮助确定新拌混凝土的理想流变特性和优化的可操作性，以便可以更好地填充给定尺寸和钢筋布置的钻孔轴。
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