雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁溫度場形成特征的數(shù)值分析

1、 第24卷第2期冰川凍土Vol. 24No. 22002年5月JOURNAL OF G LACIOLO GY AND GEOCR Y OLO GY May 2002文章編號:1000-0240(2002 02-0181-05雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁溫度場形成特征的數(shù)值分析汪仁和1, 2, 曹榮斌2(1. 中國科技大學(xué)力學(xué)與機(jī)械工程系, 安徽合肥, 230026; 2. 安徽理工大學(xué)土木工程系, 安徽淮南, 232001摘要:凍結(jié)時(shí)間、凍結(jié)壁厚度和凍結(jié)壁溫度場的性狀是凍結(jié)法施工的關(guān)鍵參數(shù), 以工程實(shí)例為背景, 考慮了水的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱c 的相態(tài)變化以及凍結(jié)管吸熱參數(shù)隨溫差而變化等因素, 利用ANSYS

2、 大型有限元計(jì)算程序, 對單、雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁的形成及其變化特征進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析, 得出了雙排管凍結(jié)下凍結(jié)時(shí)間縮短、凍結(jié)效率提高、凍結(jié)壁平均溫度下降等特性. 最后, 探討了雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁平均溫度的簡化計(jì)算方法.關(guān)鍵詞:凍結(jié)壁; 溫度場; 雙排管凍結(jié); 有限元計(jì)算; 平均溫度中圖分類號:P642. 14文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1概述國自1956后, 一種慣用方法1, , 我國利用凍結(jié)法開鑿的煤礦井筒數(shù)已達(dá)到450多個(gè), 凍結(jié)總長超過70km , 并已擴(kuò)大到城建、地鐵、橋墩、錨碇基坑等工程建設(shè)中3. 但隨著凍結(jié)法鑿井深度的增加(例如目前計(jì)劃建設(shè)的淮南礦務(wù)局顧橋礦、新集煤電公司劉莊礦、淮北礦務(wù)局的渦北

3、礦表土地層厚度都超過300m , 而山東巨野礦區(qū)的表土地層厚度平均達(dá)600m2凍結(jié)壁溫度場的性狀分析2. 1計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)的選擇2. 1. 1計(jì)算模型井筒開挖直徑D 0=9. 0m , 凍結(jié)管直徑為<159mm , 凍結(jié)孔布置參數(shù)見表14.表1凍結(jié)孔布置參數(shù)Table 1Parameters of the arrangement of freeze holes單排凍結(jié)孔布置圈徑/m凍結(jié)管根數(shù)凍結(jié)管間距/m13. 5361. 18雙11. 6201. 82排15. 6401. 22以上 , 以及凍結(jié)法在大型建筑基坑(例如潤揚(yáng)大橋南錨基坑設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度達(dá)5. 5m 等巖土工程中的推廣應(yīng)用

4、, 單排凍結(jié)方案無論是從凍結(jié)時(shí)間上, 還是從凍結(jié)壁的強(qiáng)度、穩(wěn)定性等方面都不能適應(yīng)工程要求, 必須采用雙排乃至多排凍結(jié)方案. 雙排或多排管凍結(jié)下的凍結(jié)壁溫度場不僅受同圈相鄰凍結(jié)管的影響, 同時(shí)也受鄰排凍結(jié)管的影響, 使凍結(jié)壁溫度場的計(jì)算十分復(fù)雜. 本文應(yīng)用ANSYS 有限元軟件對雙排管凍結(jié)下的凍結(jié)壁溫度場進(jìn)行分析, 并與單排管凍結(jié)進(jìn)行比照, 找出二者之間的差別, 以不考慮天然地層熱傳導(dǎo)性能與地溫的差別, 視凍結(jié)壁溫度場為平面問題. 2. 1. 2計(jì)算參數(shù)土的熱物理參數(shù)57和凍結(jié)管的熱交換參數(shù)3如表2所示.2. 2雙排與單排管凍結(jié)條件下的凍結(jié)壁主、界面溫度場特性圖1、圖2分別為單、雙排管凍結(jié)下凍結(jié)

5、壁收稿日期:2001-09-18; 修訂日期:2002-01-25基金項(xiàng)目:安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(01044503 資助, 男, 安徽合肥人, 教授, 1989年獲淮南礦業(yè)學(xué)院工學(xué)碩士學(xué)位, 現(xiàn)在中國科技大學(xué)力學(xué)與機(jī)械工程系申請作者簡介:汪仁和(1956博士學(xué)位, 主要從事凍土工程與巖土力學(xué)的教學(xué)與科研工作. E -mail :rhwang aust. edu. cn 冰川凍土24卷182表2土與凍結(jié)管的計(jì)算參數(shù)Table 2導(dǎo)熱系數(shù)/(kJ m -1h -1-1Calculation parameters of the soil and the freeze pipes 比熱c重度/(kN

6、 m -3 18816天然地溫/23凍結(jié)管吸熱量/(kJ m -2h -11086836/(kJ kg -1-11. 3921. 028表面溫度/-18-30未凍土凍土3. 343. 89表3單、雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁計(jì)算值Table 3Calculated figures of frozen wall with single and double rows of freezing pipes單排管凍結(jié)主面上凍結(jié)壁厚度/m1. 652. 496. 38雙排管凍結(jié)主面上凍結(jié)壁T p /t /dE y /mE /mt /d E y /m E /m /%/%厚度/m 主面1 主面22. 913. 614

7、. 62T p /60912561. 512. 394. 51. 512. 396. 4010010070. 3-6. 6-8. 3-13. 33960912. 393. 604. 52. 393. 604. 6410097. 02. 60- 4. 5-10. 2-14. 3, 其中在圖2中, 主面1、2分、內(nèi)排凍結(jié)管的主面. 表3為單、雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁的計(jì)算值, 在表3中:t 表示凍結(jié)時(shí)間; E y 、E 與分別表示界面上的凍結(jié)壁有效厚度、凍結(jié)壁厚度與凍結(jié)壁的利用率; T p 表示凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)平均溫度. 比較圖1與圖2的凍結(jié)壁溫度場性狀, 并參照表3, 得出:(1 形成相同有效厚度的凍

8、結(jié)壁, 雙排管凍結(jié)時(shí)所需的凍結(jié)時(shí)間比單排管凍結(jié)時(shí)少, 且凍結(jié)壁的圖1單排管凍結(jié)凍結(jié)壁主、界面溫度場特性Fig. 1Temperature field features of the main face and the interface of frozen wall with single rowof freezing pipes利用率較高. 當(dāng)形成的凍結(jié)壁有效厚度為4. 5m 時(shí), 采用雙排管凍結(jié)所需時(shí)間是采用單排管凍結(jié)的0. 36倍(雙排管凍結(jié)比單排管凍結(jié)節(jié)約了165d , 且凍結(jié)壁的利用率提高26. 7%.(2 凍結(jié)時(shí)間相同時(shí), 雙排管凍結(jié)形成的凍結(jié)壁厚度比單排管凍結(jié)大. 凍結(jié)時(shí)間均為6

9、0d 時(shí), 雙排管凍結(jié)所形成的凍結(jié)壁厚度是單排管凍結(jié)時(shí)的2. 38倍, 而雙排管凍結(jié)時(shí)凍結(jié)管總數(shù)為60根, 只是單排管凍結(jié)(36根 的1. 67倍. 可見有采用雙排管凍結(jié), 凍結(jié)效率有明顯地提高.(3 在凍結(jié)初期, 主面上凍結(jié)壁厚度大于界面上的厚度, 但界面上凍結(jié)壁的發(fā)展速度卻大于主面上, 因此, 在凍結(jié)后期, 界面上凍結(jié)壁厚度反而略圖2雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁主、界面溫度場特性Fig. 2Temperature field character of the main face and the interface of frozen wall with double rowsof freeze pi

10、pes大于主面上厚度4.(4 單排管凍結(jié)條件下, 凍結(jié)壁主面溫度場呈對數(shù)曲線分布, 而凍結(jié)壁界面溫度場近似呈線性分布. 雙排管凍結(jié)條件下, 凍結(jié)壁主面溫度場在內(nèi)排 2期汪仁和等:雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁溫度場形成特征的數(shù)值分析183凍結(jié)管內(nèi)側(cè)和外排凍結(jié)管外側(cè)呈對數(shù)曲線分布, 而在內(nèi)、外排凍結(jié)管之間溫度場分布則呈拋物線; 凍結(jié)壁界面溫度場分布則隨凍結(jié)時(shí)間的延長由鞍馬形逐漸轉(zhuǎn)化為梯形.2. 3雙排與單排管凍結(jié)下凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)平均溫度T p 的計(jì)算與比較凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)平均溫度的計(jì)算方法:對凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)所有的有限元單元進(jìn)行單元面積與單元平均溫度乘積的積分, 再把計(jì)算出的積分值除以凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)所有

11、的有限元單元面積之和, 就可以計(jì)算出單、雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)溫度平均值T p .凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)溫度平均值T p 的計(jì)算結(jié)果如表3所示. 顯然, 當(dāng)凍結(jié)時(shí)間為60d 時(shí), 采用雙排管凍結(jié)凍結(jié)壁有效厚度是采用單排管凍結(jié)的2. 38倍, 凍結(jié)壁平均溫度T p 則下降了3. 6; 當(dāng)大2. 0m 以上 .圖3凍結(jié)壁厚度與凍結(jié)時(shí)間的關(guān)系Fig. 3Relation between the thickness of frozen wall and the time(3 , E 與凍結(jié)時(shí)間:E . 0. 06262t -2. 505×10t +5. 0×10t-42-73凍結(jié)時(shí)

12、間為91d 時(shí), 雙排管凍結(jié)凍結(jié)壁有效厚度為單排管的1. 88倍, 而凍結(jié)壁平均溫度p 6. 由此可見, 雙排管凍結(jié)下, 凍結(jié)壁厚度E 與凍結(jié)時(shí)間t 的回歸關(guān)系式為:E =-3. 487+0. 183t -1. 29×10-3t 2+3. 32×10-6t 3.2. 4雙排與單排管凍結(jié)下凍結(jié)壁厚度與凍結(jié)時(shí)間2. 5雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)平均溫度T p的關(guān)系凍結(jié)壁厚度與凍結(jié)時(shí)間的關(guān)系如圖3所示, 顯示有如下關(guān)系.(1 凍結(jié)管布置間距基本相同時(shí), 單、雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁的交圈時(shí)間基本上相同4.(2 形成相同厚度的凍結(jié)壁, 雙排管凍結(jié)時(shí)所需的凍結(jié)時(shí)間少于單排管凍結(jié), 一般情

13、況下可節(jié)約90d 以上; 凍結(jié)時(shí)間相同時(shí), 雙排管凍結(jié)所形成的的簡化計(jì)算由圖2可見, 隨著積極凍結(jié)時(shí)間的延長, 凍結(jié)壁主面與界面上井幫溫度值趨于一致4, 因此可以近似認(rèn)為凍結(jié)壁井幫溫度相同. 以t b 表示井幫溫度, t b 是凍結(jié)時(shí)間t 的函數(shù), 同樣, 凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)平均溫度T p 也是凍結(jié)時(shí)間t 的函數(shù), 為此可按回歸分析間接建立T p 與t b 的關(guān)系. 按回歸分析也可直接建立T p 與t 的關(guān)系. 計(jì)算過程與結(jié)果如表4和圖4、圖5所示.凍結(jié)壁厚度大于單排管凍結(jié), 一般情況下厚度可增表4凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)平均溫度T p 與井幫溫度t b 、凍結(jié)時(shí)間t 的關(guān)系Table 4Average

14、 temperature T p in the effective thickness of frozen wallChanging with side wall temperature t b and the freeze time t凍結(jié)時(shí)間t /d 井幫溫度t b /凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)T p /T p 與t b 的回歸關(guān)系式T p 與t 的回歸關(guān)系式3913. 8-3. 94511. 9-6. 7607. 1-10. 3752. 3-12. 4r =1r =0. 99991-2. 0-14. 33T p =-13. 33+0. 4365t b -0. 0184t 2b +0. 0024t

15、bT p =26. 14-1. 2621t +0. 01463t 2-6. 2×10-5t 3 冰川凍土24卷184度和較低的平均溫度, 對保證凍結(jié)法施工的安全起到積極的作用.(4 采用雙排管凍結(jié), 凍結(jié)效果有明顯的提高. 主要表現(xiàn)在:在凍結(jié)壁形成初期, 加快了凍結(jié)壁的發(fā)展速度; 在凍結(jié)壁形成后期, 使凍結(jié)壁的平均溫度降得更低(5 雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)平均溫度T p 與井幫溫度t b 之間的簡化計(jì)算公式:T p =-13. 33+0. 4365t b -0. 0184t b +0. 0024t b圖4凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)平均溫度T p 與井幫溫度t b 的關(guān)系Fig. 4Rela

16、tion between the average temperature in the effective thickness of frozen wall and theside wall temperature23雙排管凍結(jié)條件下凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)平均溫度T p 與凍結(jié)時(shí)間t 之間的簡化計(jì)算公式:T p =26. 14-1. 2621t +0. 01463t 2-6. 2×10-5t 3.參考文獻(xiàn)(R eferences :1, The technique of hori 2and within water bearing in a J.Journal of G laciology

17、 and 2000, 22(3 :278-281. 汪崇鮮, 樓根達(dá), 馬玉繁華市區(qū)含水地層水平凍結(jié)及暗挖法施工J.冰川凍土,2000, 22(3 :278-281. 2Ma Wei. Review and prospect of the studies of ground freezingtechnology in China J.Journal of G laciology and G eocryology , 2001, 23(3 :218-224. 馬巍. 中國地層土凍結(jié)技術(shù)研究的回顧與展望J.冰川凍土, 2001, 23(3 :218-224. 3Wan Renhe. Discuss

18、ion on several key issue of ground freezing圖5凍結(jié)壁有效厚度內(nèi)平均溫度T p 與凍結(jié)時(shí)間t 的關(guān)系Fig. 5Relation between the average temperature in the effective thickness of the frozen wall andthe freeze timemethod J.Journal of Huainan Institute of Technology , 2000, (supp. :70-73. 汪仁和. 對凍結(jié)法研究中幾個(gè)問題的探討J.淮南工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, (增刊 :7

19、0-73. 4Sheng Jilang , Cui Yunlong , Wang Jiefeng , et al . mining Con 2struction Engineering Handbook , Vol. M .Beijing :Coal In 2dustry Press , 1986. 56-57, 116-117. 沈季良, 崔云龍, 王介3結(jié)論(1 ANSYS 軟件可以考慮水在相變前后其熱物理參數(shù)的變化, 以及凍結(jié)管吸熱參數(shù)隨溫差而變化等因素, 因此可以較好地模擬人工凍結(jié)溫度場的形成特性.(2 采用雙排管凍結(jié), 縮短了凍結(jié)時(shí)間, 因此可以使工程的開工時(shí)間提前.(3 采用雙排管

20、凍結(jié), 可以形成較大的凍結(jié)壁厚峰, 等. 建井工手冊第四卷M .北京:煤炭工業(yè)出版社,1986. 56-57,115-117. 5Terubake N G. Freezing Shafting Method M .Beijing :Coal In 2dustry Press , 1958. 64-66, 553-555. 特魯巴克N G. 凍結(jié)鑿井法M .北京:煤炭工業(yè)出版社, 1958. 64-66, 553-555. 6Xu Xiaozu , Wang Jiacheng , Zhang Lixin. Physics of Frozen SoilM .Beijing :Science Pre

21、ss , 2001. 75-82. 徐祖, 王家澄,張立新. 凍土物理學(xué)M . 北京:科學(xué)出版社, 2001. 75-82. 7Nasirofu N D , Supurike M N. Developing Rule of Frozen Wall inShaft M .Beijing :Coal Industry Press , 1981. 43-49. 納斯諾夫N D , 蘇普列克M N. 立井凍結(jié)壁形成規(guī)律M .北京:煤炭工業(yè)出版社, 1981. 43-49. 2期汪仁和等:雙排管凍結(jié)下凍結(jié)壁溫度場形成特征的數(shù)值分析185Numerical Analysis of the T empera

22、ture Field Features in the FrozenW all with Double Rows of Freezing PipesWAN G Ren -he 1, 2, CAO Rong -bin 2(1. Depart ment of Modern Mechanics , U niversity of Science and Technology of Chi na , Hef ei A nhui 230026, Chi na ;2. Depart ment of Civil Engi neeri ng , U niversity of Science and Technol

23、ogy of A nhui , Huai nan A nhui 232001, Chi na Abstract :The freeze time 、the thickness of the frozenwall and the temperature field behavior of the frozen wall are the major factors in freezing construction. In the past years detailed analysis about the temperature field behavior of the frozen wall

24、with single row of freezing pipes has been done , and now there have been useful and practical rule and calculation formulas for us to refer to. Following the development of the society , it is urgent to make use of freezing method under double or even more rows of freezing pipes many practical engi

25、neering projects for reasons. Nevertheless , the the opment and the of field in the or even more rows of freezing pipes In this paper , the develop 2ment and changing features of the temperature field in the frozen wall with single and double rows of freez 2ing pipes are analyzed in detail with the ANSYS Fi 2nite Element Calculation Software , referring to one engineering project. Water having different thermal conductivity and different specific heat in two differ 2ent phases is taken int