人工冻结黏土导热系数试验研究及多圈管温度场

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1、人工冻结黏土导热系数试验研究及多圈管温度场1绪论1.1课题的提出社会经济的迅速发展和科学技术的不断进步决定了我国乃至全世界对能源的需求量将不断增加。中国的主题能源是煤炭，它在一次能源结构中的比重约为70%。煤炭主体能源的地位在今后的较长时间内将继续维持。根据煤炭工业的十二五规划，至2015年煤炭年生产能力要达到41亿吨，逐步形成10个亿吨级以及10个5000万吨级的大型煤炭企业，煤炭产量占全国的60%以上。随着地质条件优越、埋藏浅的煤层被逐渐开发殆尽，近年来煤炭幵釆的深度在不断增加（深度达到10

2、00米的矿井已有几十处）开挖煤矿所穿越的地质条件也越来越复杂，施工难度倍增。冻结法由于其适应性好、支护结构较灵活、隔水性能好及无污染等优点使其广泛用于矿井建设中。人工冻结法的想法起源于自然冻结，即是利用人工制冷技术，把土层中的水冻结成冰，使天然岩土逐渐形成冻土，从而增加土层的强度及稳定性，并能有效的阻隔地下水，以便在一定厚度冻结壁的安全保护下有效地进行地下工程作业的特殊施工技术。尽管冻结法有诸多优点，但在施工过程中依然存在几个棘手的问题，如在冻结过程中深厚表土层中发生的冻结管断裂，开挖过程中发生

3、的底鼓、片帮现象，饶筑的井壁变形太大，以至出现断裂、渗水现象，影响进一步施工等等。这些问题都属于冻土中的力学问题，而影响冻土力学性质最重要的的一个因素就是温度场，岩土力学性质及热学性质变现的不同归结于其物理力学参数及热学参数的不同，因此准确获得这些参数至关重要。这里拿对冻土温度场影响最大的一个热学参数一一导热系数为例，目前，获得导热系数的途径主要包括通过室内试验和数值反分析法，其中室内试验对于获得浅土层的力学和热学参数还比较可靠，但是对于埋藏较深的土精度还是不能满足要求。1.2国内外研究现状因为

4、冻土地区气候特殊、地质条件复杂，在冻土地区进行土木施工要比非冻土地区要棘手、复杂的多，然而很多国内外的学者和专家早就注意到这些困难，并根据各种工程实际，做了大量深入的研究和分析。170多年前，国外学者对冻土温度场就开始研究，但由于当时技术条件的约束，对冻土温度场的了解还只是冰山一角。但真正谈到有记载的研究成果，可归纳为如下所述。1890年，Stefan第一次用共轭变量法得出含相变的一维初值问题的动态解，拉幵了对寒区冻土热动力学研究的序幕，但这项研究成果在工程实际中没有得到运用。俄国组建冻土研究委

5、员会以后，就开始了对寒区工程问题的初步探究。1912年俄学者出版的《永久冻土与永久冻土上的建筑物》对冻土学的研究和发展做出了巨大贡献。1925年测量得到了谢尔金探井的冻土温度资料，1927年，前苏联科学家苏姆金出版了《苏联境内永久冻结土壤》，这就标志着冻土学已经开始成为一门独立的学科。1929年，苏联科学院成立了多年冻土研究常务委员会，它是世界上首个研究冻土的专门机构，并从此开始了对冻土温度场大规模的研究。1940年《普通冻土学》出版，它是第一部冻土学教科书。北美是在二战期间才开始重视对冻土的研

6、究的，但在60年代末得到了迅速发展。60年代以后国外对冻土温度场的研究也取得了丰硕的成果。其中费里德曼的《冻土温度状况计算方法》和库德里雅釆夫的《工程地质研究中的冻土预报原理》的发表，极大地加快了对冻土温度场研究的进展。.2人工冻结法及冻结温度场基础理论2.1人工冻结法基本概述人工冻结法是指在复杂的水文和地质条件下掘进各类地下工程时，在其四周建造出临时的冻结壁，以保证不稳定的饱和土体在掘进施工中稳定性的方法。适用于地铁險道、开挖竖井、深基坑支护以及其他岩土工程的建设。人工冻结法凿井技术指在井筒凿

7、挖之前，利用人工制冷的方法将井筒周围的土层冷却冻结成封闭的圆筒形冻结帷幕（也即冻结壁），以抵抗土层压力，防止地下水进入井筒，进而在冻结壁的隔绝保护下进行开挖掘砲的一种特殊凿井方法。冻结法凿井的原理是低温盐水吸收地层中的热，然后将吸收的这些热量传递给氨，经过压缩机的压缩做功，氧把这些热量传递给了冷却水，最后通过冷却水把热量传递到大自然中去。低温盐水通过吸收土层中的热量，使冻结管周围的土层冻结，然后逐渐扩展形成封闭坚固的冻结壁。随着低温盐水的不断循环流动，冻结壁的范围逐渐扩大，直到设计的强度和厚度。

8、人工冻结法施工的主要工序为：钻冻结孔一铺设冻结器一安装冷冻系统一制冷冻结一开挖和掘砲。人工冻结法之所以得到广泛应用是因为其具有有以下几个优点：(1)冻结壁的形状和强度可以根据现场施工条件与地质条件灵活地布置和调整，冻土强度可以达到5-lOMPa，可大幅度提高工作效率；在特殊情况下，还能使用液氮冻结法进行快速抢险，与盐溶液冻结法相比，液氮冻结法具有冻结速度快、温度低、无污染、冻结强度高等优点。近年来随着计算机技术发展，实现了通过地温的监测来指导施工，这与现代信息化施工的要求相符。..2.2冻土基本