冻结壁形成及解冻规律实测研究

冻结壁形成及解冻规律实测研究� 杨 � 平1 � 陈明华2 � 张维敏2 � 赵怀固3 � 郁楚侯1 ( 1 安徽淮南工业学院土木系, 淮南 232001; 2淮南市煤电总公司, 淮南 232171; 3中国煤炭特殊工程公司, 淮南 235000) 摘� 要 � 通过实测, 分析了冻结壁内温度分布规律, 冻结和解冻期内冻结壁厚度、平均温度、冻结壁 发展速度、解冻速度及外壁体厚占有效厚度比例与冻结时间的关系, 冻结壁厚度与平均温度的关系, 并得出了有关回归公式. 对冻结凿井的和施工有着重要的指导意义. 关键词 � 冻结壁 � 温度 � 冻结 � 解冻 中图法分类号 � P642� 14 第一作者简介 � 杨平, 男, 33 岁, 副教授, 1988 年毕业于淮南矿业学院矿山建设专业, 获硕士学位. 现从事岩土工程及矿山建设的教学与科研工作. 1 � 引言 在冻结法凿井中, 冻结壁的形成快慢, 决定了 冻结壁厚度、平均温度和井帮温度 (杨平, 1996) , 而这些指标是反映冻结壁强度和稳定性的重要参 数, 直接关系到冻结凿井的速度与成败. 冻结壁解 冻规律影响着内、外层井壁受力特征, 因此, 对冻 结壁形成及解冻规律进行深入研究具有十分重要的 现实意义. 为此, 我们在淮南市煤电公司新集矿西 风井冻结凿井中, 对其冻结壁温度场变化规律进行 了全过程实测研究, 进一步掌握了冻结壁的形成和 解冻规律. 2 � 监测内容和 该井土厚 191�7 m , 双层现浇素砼井壁结 构, 主要冻结参数为: 冻结孔数 30 个, 单圈孔差 异冻结, 冻结深度浅孔 230 m、深孔 246 m, 冻结 孔布置圈直径 11 m, 井筒掘进荒半径为3�8 m, 盐 水温度为- 28~ - 31 � . 监测内容: 测温孔中不同层位处温度; 去、回 路盐水温度. 监测方案: 在同一界面线上布置 6 个测温孔 (图 1) , 每孔测温层位 5 个, 分别为垂深 15 m 处 砂质粘土层; 80 m 处中砂层; 105 m 处粉砂层; 148 m处钙质粘土层; 185 m 处钙质粘土层. 采用稳定 性好, 经特殊密封的电子式温度传感器, 精度为 � 0�1 � , 由导线与数字式温度监测仪相接, 可实现 微机检测. 图 1 � 冻结孔及测温孔布置图 1~ 30 为冻结孔; C1~ C6 为测温孔 Fig�1 � Posit ion of freezing and measur ing holes 3 � 实测结果分析与研究 3�1 � 冻结壁温度分布及随时间变化规律 5个层位同一测孔随时间变化规律基本相同. 积极冻结期 ( 100 d 以前) 降温梯度较大 (图 2) , 且距冻结管越近, 梯度越大; 维护冻结期 ( 100~ 216d) , 靠近冻结管的测孔 ( C1, C2 ) 降温幅度明 显减缓, 其它孔变化不大; 停冻后 ( 216 d后) , 冻 结管附近迅速升温, 而远离冻结管处继续降温. � 本文于 1997- 11- 18收到. 第20卷 � 第2期 1 9 9 8 年 6 月 冰 � 川 � 冻 � 土 JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY Vol� 20 � No� 2 Jun . 1 9 9 8 图 2 � 185 m 处各测孔温度随时间变化曲线 1~ 6分别为测孔号 C1~ C6 F ig. 2� The curves of T ~ t in a 185 m clay soil 图 3� 185 m 处粘土层不同时间温度分布曲线 1. 50 d; 2. 100 d; 3. 210 d; 4. 250 d; 5. 380 d Fig . 3 � Temperature distribution in different time in a 185 m clay so il � � 去、回路盐水温差, 由开冻第 42 d的3�6 � 至 第100 d时 1�7 � 呈线性减小. 以后基本保持在1�2 ~ 1�6 � , 说明冻结开始时热交换量大, 以后逐渐 减小; 进入维护冻结时, 热交换达到稳定, 此时冻 结壁温度场可近似为稳定温度场. 不同时刻冻结壁 温度分布如图 3所示, 可见, 整个冻结过程中, 冻 结区内 (取 � 0 � 为冻结锋面) 界面上冻结壁内、 外壁体温度均可近似为线性分布, 而非冻结区为明 显的非线性分布, 在解冻期均趋于非线性分布. 3�2 � 冻结壁厚度及发展速度 冻结壁有效厚度随时间逐渐增长 (图 4) , 而 冻结壁发展速度随时间逐渐减小, 且不同土层的厚 度和速度均不相同. 冻结初期, 由于盐水正循环作 用, 上、下部盐水温差较大, 至使下部粘土层先交 圈, 其冻结壁厚度反而较大, 但随着时间的延续 ( 70 d) . 即出现下部粘土层冻结壁厚度小于上部砂 层. 冻结壁厚度与冻结时间的关系可用下式较好地 描述: E = K 1 � ( t - t 0) K 2 (1) 对其求导即可得出冻结壁发展速度 dE dt = V = K 3( t - t 0) K 4 (2) 式中: E 为冻结壁有效厚度 ( m ) ; V 为冻结壁有 效发展速度 ( mm/ d) ; t为冻结时间 ( d) ; t 0 为交 圈时间 ( d) ; K 1~ K 4 均为回归系数, 见表 1. 据 回归式外推, 采用单圈冻结, 若欲形成5 m 厚冻结 壁, 砂层需冻316 d, 粘土层需冻700 d, 显然, 是 不可能的. 因此, 5 m 以上冻结壁应采用双圈冻结 方案比较合理. 图 4� 不同层位冻结壁厚度随时间变化曲线 F ig� 4� The curves of E - t in different layers 表 1 � E, V与 t 回归关系系数一览表 Table 1 � The regr ession coefficients of E ~ t and E~ V 层 � � 位 交圈 时间 / d K 1 K 2 K 3 K 4 相关 系数 15 m 处砂质粘土 80 m 处中砂 105 m 处粉砂 148 m 处钙质粘土 185 m 处钙质粘土 40 40 37 38 38 1�057 1�319 1�561 1�544 1�612 0�2742 0�2371 0�1888 0�1800 0�1648 290�0 312�7 294�7 277�9 265�7 - 0�7258 - 0�7629 - 0�8112 - 0�8200 - 0�8425 0�99 0�99 0�97 0�98 0�98 冻结壁交圈时间为37~ 40 d, 因盐水正循环作 用 , 下部粘土层略先于上部砂层交圈, 但交圈后 2 期 杨 � 平等: 冻结壁形成及解冻规律实测研究 ��� � 表 2� 回归系数 A, B , c, d 一览表 Table 2 � The regr ession coefficients A , B, c, and d 层 � � 位 交圈时间 / d A B 相关系数 T 0 / � c d 相关系数 15 m 处砂质粘土 80 m 处中砂 105 m 处粉砂 148 m 处钙质粘土 185 m 处钙质粘土 40 40 37 39 39 4� 77 4� 54 4� 28 4� 65 4� 68 0�1999 0�2365 0�2504 0�2275 0�2304 0� 996 0� 997 0� 990 0� 990 0� 990 - 11� 1 - 11� 7 - 11� 0 - 10� 6 - 10� 5 0� 6587 0� 8630 0� 8259 0� 6815 0� 7210 0� 5448 0� 5190 0� 5107 0� 5408 0� 5322 0� 96 0� 98 0� 98 0� 97 0� 96 冻结壁有效发展速度, 下部粘土层小于上部砂层. 积极冻结期, 粘土 ( 185 m 处) 冻结壁有效平均发 展速度为 32�8 mm/ d, 砂土 36 mm/ d; 维护冻结 期, 前者为 3�4 mm/ d, 后者是前者的两倍 ( 6�8 mm/ d) . 停冻后, 初期冻结壁厚度仍略有发展, 约在停 冻20~ 50 d 后, 冻结壁才开始解冻, 解冻速度随 时间延长而增大, 平均解冻速度为 12 ~ 17 mm/ d, 底部粘土和上部砂层较大, 究其原因是底 部和上部属三维方向吸热, 中间段为二维吸热之 故. 可用下式计算冻结壁自然解冻时间 t j = t j0+ E Vj ( 3) 式中: t j为冻结壁自然解冻时间 ( d) ; t j0 为停冻 后开始解冻时间 ( d) ; V j为冻结壁解冻平均速度 ( mm/ d) . 本井筒各层位完全解冻时间为 200~ 250 d. 3�3 � 冻结壁平均温度和外壁体所占比例 据测温数据, 计算出冻结壁有效厚度内平均温 度 (翁家杰, 1991) , 其值在积极冻结期和维护冻 结前期呈递减趋势降低 (图 5) , 且不同层位的变 化趋势均相同; 维护冻结后期, 由于盐水温度升 高, 冻结壁平均温度略有回升, 此间平均温度维持 在- 10�5~ - 12 � , 粘土层比砂层高 0�5 � 左右. 经回归, 积极冻结期冻结壁平均温度与冻结时 间关系为 T d = - A ( t - t 0) B ( 4) 式中: T d 为冻结壁平均温度 ( � ) ; t 0 为冻结壁交 圈时间, 与前述交圈时间基本一致 ( d) ; A , B 为 回归系数, 其值如表 2 所示, 参数 A 与土质、层 位关系不大. 停冻后, 冻结壁平均温度随时间延续呈递减趋 势回升, 其规律可用下式描述: T j = T 0+ c � t dj (5) 式中: T j为解冻期冻结壁平均温度 ( � ) ; T 0 为 停冻时冻结壁平均温度 ( � ) ; t j为停冻时间 ( d) ; c, d 均为回归系数, 其值见表 2. 参数 d 与土质、 深度关系不大, 为 0�51 ~ 0�54, 而 c 值砂土大于 粘土, 说明砂土平均温度回升较快. 图 5� 不同层位冻结壁平均温度 随时间变化 1. 15 m 砂质粘土; 2. 80 m 中砂; 3. 105 m 粉砂; 4. 148 m 钙质粘土; 5. 185 m 钙质粘土 Fig� 5� T he curves of T d~ t in different layers 由图 6可见, 冻结壁外壁体厚与有效全厚比例 E w/ E, 随冻结时间的延续由 0�50 逐渐减为 0�42 ~ 0�47, 井筒掘砌后, 由于内壁体厚度不变, 均为 1�75 m , 随时间延长, 冻结壁有效厚度仍在增加, 此时 E w/ E 由 0�42~ 0�47增大至 0�52~ 0�60, 且 各土层变化规律基本相同, 但数值不同, 粘土层 E w/ E 相对较小, 砂土层较大, 其原因主要是粘土 冻结壁发展速度较慢. 3�4 � 冻结壁厚度与平均温度的关系 当冻结壁厚度较小时 (积极冻结期) , 冻结壁 ��� � 冰 � � 川 � � 冻 � � 土 20 卷 厚度与平均温度基本呈线性关系 (图 7) , 其梯度 约为- 3�3~ - 3�6 � / m, 粘土层取小值; 进入维 护冻结期后, 随冻结壁厚度增加, 冻结壁平均温度 降低幅度明显减小, 并逐渐转为回升. 究其原因 为: 后期冻结壁有效厚度增加, 主要是外壁体厚度 增加, 距外侧冻结锋面同一距离的土体体积不断增 大, 而该部分冻结体其负温值均接近 0 � , 加之此 间盐水温度有所提高, 从而出现 �T d / �E 趋于零, 甚至大于零. 停冻后, 初期冻结壁平均温度回升较大, 而冻 结壁有效厚度不但未减, 还略有发展, 以后 ( T j > - 5 � ) 冻结壁加速融解, 特别是- 0�5 � 附近冻 结壁厚度随平均温度变化更大. 究其原因是: 停冻 图 6 � 不同层位外壁体厚所占比例随时间 变化关系曲线 1. 15 m 砂质粘土; 2. 80 m 中砂; 3. 105 m 粉砂; 4. 148 m 钙质粘土; 5. 185 m 钙质粘土 Fig�6 � The curves of Ew / E ~ t in different lay ers 图 7 � 冻结期冻结壁厚度与平均温度关系 1. 80 m 中砂; 2. 185 m 钙质粘土 Fig�7 � The curves of E~ T d dur ing freezing 初期, 虽已无低温盐水冷源, 但因冻结壁温度的非 均布性, 靠近冻结管的冻结壁温度较低, 相当于一 冷源继续吸收外围较高温度的冻结壁热量而升温, 致使外围冻结壁, 特别是靠近冻结锋面的冻结壁继 续降温, 从而出现 T j 变化大而E 反而略有发展的 现象, 一段时间 ( 20~ 50 d) 后, 外侧冻结锋面开 始逐渐加速内移, 导致 T / E 变化逐渐减小. 图 8 � 停冻期冻结壁厚度与平均温度关系 1. 80 m 中砂; 2. 185 m 钙质粘土 Fig� 8� T he curves of E ~ T j during thaw ing 4 � 结论 ( 1) 冻结壁界面温度分布近似为线性, 冻结壁 厚度随时间延长呈衰减趋势增长, 而发展速度逐渐 减小. 积极冻结期, 因盐水正循环作用, 上部砂层 冻结壁平均发展速度仅略大于粘土层; 但维护冻结 期, 前者是后者的两倍, 说明盐水循环方式对积极 冻结期冻结壁发展影响较大, 且 5 m 以上冻结壁宜 采用双圈孔冻结较为合理. ( 2) 冻结壁实际有效厚度粘土层为砂土层的 84%左右; 掘砌前外壁体所占比例随时间延长逐渐 减小至 0�42~ 0�47, 掘砌后又增至 0�52~ 0�60, 且粘土层取小值. ( 3) 冻结壁平均温度随时间延长呈递减趋势降 低, 维护冻结期基本保持不变, 而厚度有所发展, 且粘土层平均温度高于砂层 0�5 � 左右, 因此. 钙 质粘土层冻结壁厚度薄、温度高, 是薄弱环节. ( 4) 停冻后, 冻结壁平均温度迅速回升, 但解 冻尚未开始, 一般在停冻 20~ 50 d后冻结壁才开 始解冻, 且随时间延续, 解冻速度越来越快, 但平 均温度回升逐渐减缓, 平均解冻速度为 12~ 17 2 期 杨 � 平等: 冻结壁形成及解冻规律实测研究 ��� � mm/ d. ( 5) 完全解冻时间约需 200 d以上, 因此拔冻 结管应在 6个月内进行较为有利. 参 � 考 � 文 � 献 杨平, 1996. 立井强化冻结施工理论分析. 淮南矿业学院学报, 16 ( 2) : 16~ 21 翁家杰, 1991. 井巷特殊施工. 北京: 煤炭工业出版社, 52~ 60 Observation of the Forming and Thawing of Frozen Walls YANG Ping1 � CHEN M ing- Hua2 � ZHANG Wei- M in2 � ZHAO Huai- Gu3 � YU Chu- Hou1 ( 1 A nhui H uainan I nst itut e of T ech nology , H uainan 232001; 2 H uainan Mining and Gener ating Co. , Huainan 232171; 3 China Mining Sp ecial Engineer ing Co. , H uainan ) � � Abstract � The temperature distribut ion in a frozen wall is analysed. The relat ions between w all thickness and average temperature, the forming and thaw ing velocit ies of the w all, and the t ime- depen- dent rat io of the outside wall thickness to the effect w all thickness are presented. Some regression formu- las are obtained. It is important for designing and const ruct ing a freezing sinking. � � Key words � frozen w all, temperature, f reezing , thaw ing ��� � 冰 � � 川 � � 冻 � � 土 20 卷