人工冻土多圈管冻融全过程温度场模型试验研究.pdf

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1、第44卷第7期人民长江Vo1．44．No．72013年4月YangtzeRiverApr．，2013文章编号：1001—4t79(2013)07—0071—04人工冻土多圈管冻融全过程温度场模型试验研究陈军浩(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001)摘要：为掌握多圈管冻结壁温度场形成及融化规律，进行了人工冻土多圈管冻融全过程模型试验研究。试验结果表明：冻结与融化过程中的土体温度快速变化速率相当；融化阶段，土体温度在相变点处需要保持一个相对稳定的长时间过程；融化过程中冻结壁温度沿径向方向整体呈规则的二次抛物曲线分布，冻结壁平均温度随时间变化的关系可以用幂函数来

2、表示；在冻结91．7h的前提下，得到冻结壁融冻时间比介于1．47～2．O4之间。试验结果为井筒冻结设计、壁间注浆最佳时间选取提供了理论依据。关键词：多圈管；模型试验；冻融全过程；冻结壁温度场；融冻时间比中图法分类号：P642文献标志码：A我国华东地区经过本世纪初一轮建井高潮之后，两淮地区某深厚黏土地层进行室内多圈管冻融全过程浅部煤层已得到充分开采，目前新建或改扩建的矿井模型试验，获得人工冻土冻融全过程温度场变化规律，均需穿越深厚表土地层，在这个过程中冻结工法作为为井筒冻结设计、壁间注浆最佳时间选取提供依据。最安全且有效的凿井工法得到广泛应用。为应对深厚1模型试验概述

3、表土地层所带来的地压不断增大问题，现场普遍采用多圈管(3圈甚至4圈)进行冻结以增加冻结壁的厚度试验在安徽理工大学冻土研究所自行研制的人工与强度，达到凿井过程冻结壁稳定性要求。虽然我国冻土多圈管模型试验平台上进行，平台直径3m，填土已有数十年的建井经验，对冻结法凿井从基本理论到深度可达到2．0m，平台中间放有060cm的厚壁钢筒方案设计、施工技术工艺等方面较2O世纪都有很大提以模拟现场井筒。制冷系统采用酒精作为冷媒剂，升，但在凿井工程中仍有可能出现以下几个方面的问能够迅速降温，且恒温波动度不超过±0．5℃，进回管题：开挖过程井帮温度较高、井帮位移过大引起冻结管路酒精温

4、差介于2．0c【=～3．O~C之间，冻结效果良好。断裂；井筒开挖时间与掘进速度配合不一，上部砂土、试验选用土体来自淮南某矿的深厚黏土地层，在试验松散地层片帮过大，而下部厚黏土层冻结壁温度太高进行前对该地层土体进行了基本物理性能测试，各项不能满足施工要求；冻结壁融化时没能准确把握冻结指标为：含水率24．82％，湿密度1．957g／cm，孔隙比壁融化时间，造成壁问注浆过早或过迟，导致注浆效果0．76，液限43％，塑限21％，比热1．465J／g~C，常温、差，甚至引起井壁大量出水等。这些问题的出现受诸低温(一lO~C)条件下导热系数分别为1．279，1．758多因素影响

5、，但最根本的原因是由于深厚表土地层的K·cal／(m·h·℃)，冻结温度一1．5℃。隐蔽性和不同地层之间的差异性，人们并没有充分掌2模型试验设计参数握多圈管冻结壁冻融过程温度场变化规律。目前专家学者们对多圈管冻结壁温度场研究普遍停留在冻土体冻结过程中影响温度场的主要参数有：温度结过程，且以现场测试为主，而对融化过程冻结壁温度，时间t，导温系数a，热容量c，结冰潜热Q，几何量r，场变化情况的现场和室内试验研究较少。本文通过对冻结壁锋面位置。基于相似理论，利用量纲分析法，收稿日期：2012—09—21基金项目：国家自然科学基金项目(40972188)；安徽理工大学博士科

6、研启动基金(200803610004)作者简介：陈军浩，男，博士研究生，主要从事岩土与地下X-程、冻土力学与工程方面研究。E—mail：aldcjh123@163．corn72人民长江可以得到人工冻结温度场相似准则方程为现场井筒，接着将预先配置好的土体分层填人试验台(F。，K。，R，)：0(1)并夯实，填土至300mm高度时，按设计方案埋设冻结式(1)包含傅立叶准则，F。=o／；柯索维奇准管，而后每填土100mm高对冻结管进行纠偏一次，保则，K。=Q／(re)；几何准则，R=R，／R；温度准则，0证冻结管不偏斜，期间填土至500mm时埋设测温元=7"0／TTd／Ty

7、，，其中、71d分别为土体初始、冻件。填土完成后，开始模型试验，对冻结与融化全过程y，结温度。测点温度数据进行采集。基于相似准则，按几何相似比17,=8进行设计，模3冻融全过程整体分析型试验参数见表1，元件布置见图1，各元件距离模型中心距离见表2，模型试验实体图如图2所示。试验过程中实时采集了主面、界面不同测点在冻表1模型试验设计参数结与融化全过程中的温度变化情况，如图3所示。lOO_5型一lO注：冻结管规格为外径2cm，内径1．4cm。一l5．25瑚l0Op捌曩一10图1温度测点布置(尺寸单位：mm)一l50D表2各温度测点距离模型中心距离Cm-25点号距离点