凍結(jié)法原理及應(yīng)用

1、凍結(jié)法原理及應(yīng)用第1頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一主 要 內(nèi) 容1 凍結(jié)法概述2 人工凍結(jié)制冷系統(tǒng)3 凍結(jié)法原理與設(shè)計原則4 立井工程凍結(jié)法5 斜井凍結(jié)法 第2頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一1.1 人工地層凍結(jié)法凍結(jié)法定義： 用人工制冷的方法，將待開挖地下空間周圍的土體中的水凍結(jié)為冰并與土體膠結(jié)在一起，形成一個按設(shè)計輪廓的凍土墻或密閉的凍土體，用以抵抗土體壓力、隔絕地下水，并在凍土墻的保護下，進行地下工程的施工。1 概述第3頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一凍結(jié)土體性質(zhì)的改變?nèi)魧⒑貙樱ㄋ缮⑼翆雍土严稁r層）在結(jié)冰溫度下

2、冷卻，巖石裂隙或土孔隙中的水轉(zhuǎn)換成冰，巖土的性質(zhì)將發(fā)生決定性的變化。這一變化具有雙重意義： 材料：（1）土體中水分凍結(jié)，提高一定范圍內(nèi)巖土的強度 （2）減低一定范圍巖土體滲透性創(chuàng)造新工程材料 結(jié)構(gòu)：在普通結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)建了新的工程結(jié)構(gòu)。凍結(jié)法 將這一性質(zhì)改良后的凍結(jié)巖土服務(wù)于地下工程施工期內(nèi)的承載（結(jié)構(gòu)功能）和密封（材料功能）1 概述第4頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一環(huán)境友好的施工方法 凍結(jié)只是臨時創(chuàng)造凍土良好的承載、密封性能，為構(gòu)筑新的地下空間服務(wù)，施工完成后，根據(jù)需要可拔除凍結(jié)管，凍土將解凍融化，土將逐漸恢復(fù)到未凍結(jié)狀態(tài)。 在凍結(jié)法施工中，沒有象噴射混凝土?xí)r的混凝土、

3、板樁施工時的鋼板或注漿時的漿液材料那些附加物質(zhì)進入地層。凍結(jié)法不污染環(huán)境，是“綠色”施工方法1 概述第5頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一方法具備的優(yōu)點 (1) 安全性好，可有效的隔絕地下水； (2) 適應(yīng)面廣，適用于任何含一定水量的松散巖土層，在復(fù)雜水文地質(zhì)如軟土、含水不穩(wěn)定土層、流砂、高水壓及高地壓地層條 件下凍結(jié)技術(shù)有效、可行； (3) 靈活性好，可以人為地控制凍結(jié)體的形狀和擴展范圍，必要時 可以繞過地下障礙物進行凍結(jié)； (4) 可控性較好，凍結(jié)加固土體均勻、完整； (5) 經(jīng)濟上較合理。1 概述第6頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一凍結(jié)巖土體

4、的方法 從土體中吸熱。凍結(jié)的作用 含水、松散土體凍結(jié)后抗壓強度明顯提高。凍結(jié)法處理對象 巖土體中的水 水在凍結(jié)過程中將發(fā)生明顯體積變化1 概述第7頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一凍結(jié)法設(shè)計與施工(1) 根據(jù)工程、地質(zhì)、水文和環(huán)境條件進行凍結(jié)設(shè)計：確定凍土結(jié)構(gòu)形式選擇制冷方式布置凍結(jié)系統(tǒng)確定凍結(jié)溫度估算凍結(jié)時間，等。(2) 待設(shè)計凍土結(jié)構(gòu)形成后，在其保護下進行地下工程的掘進、支護和設(shè)備安裝等工作。1 概述第8頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一凍土的形成為構(gòu)造高承載力和密封防水的凍土體，在土中相應(yīng)位置布置和施工凍結(jié)孔安設(shè)凍結(jié)管，通過凍結(jié)管中循環(huán)的低溫冷

5、媒劑將土體中的熱量帶出，使地層降溫并使土中水結(jié)為冰。 在凍結(jié)初期，凍土僅在緊靠凍結(jié)管周圍形成凍土柱；隨凍結(jié)過程的繼續(xù)，凍土柱漸漸擴大并相互連接，在預(yù)計的凍結(jié)時間后，凍土體達到設(shè)計厚度形成凍土1 概述第9頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一1.2 凍結(jié)法簡史礦井建設(shè) l862年：英國，率先用凍結(jié)法成功進行深基坑開挖圍護 l872年：德國，首先應(yīng)用于礦井建設(shè)。魯爾區(qū)凍結(jié)井深超過600m 1888年：美國，用于煤礦礦井開挖 l965年：加拿大，開挖l089米礦井，凍結(jié)深度684米 1952至l98l年間：北美，用凍結(jié)法鑿井達29個 迄今為止，各國凍結(jié)井最大凍結(jié)深度：英國930m，

6、美國915m，波蘭860m，加拿大634m，比利時638m，前蘇聯(lián)620m，德國531m，法國550m，中國702m第10頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一地下工程 1979年：美國，地下核電站基坑、直徑40m、深6m基礎(chǔ) 80年代：蘇聯(lián)，城市地鐵大廳35座、隧道35項，高l38.5m、重27000噸大樓基坑開挖支護1962以來：日本，超過300個大型凍結(jié)工程，其中有通過河流、鐵路、公路和其它構(gòu)筑物下的隧道工程、擋土墻工程、與盾構(gòu)施工有關(guān)的工程等20世紀(jì)中葉起：波蘭、德國、法國、瑞士、比利時、意大利、奧地利、挪威、西班牙、芬蘭、澳大利亞、法國、荷蘭、加拿大等第11頁，共6

7、4頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一我國情況70年代初，北京地鐵凍結(jié)長90m，垂深28m1975年，沈陽地鐵2號井上世紀(jì)80年代，東海拉爾水泥廠的上料倉基坑；南通建筑物旁開挖的沉淀池工程1988年，鳳臺淮河大橋主橋墩基礎(chǔ)工程1993年，上海地鐵一線1個泵站和3個隧道貫通道結(jié)合部1998年，北京地鐵熱八線大北窯車站南隧道水平凍結(jié)施工，長45m1 概述第12頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一1.3 工程應(yīng)用簡介目前，凍結(jié)法在地下工程中廣泛應(yīng)用于以下四個領(lǐng)域： 立井工程 地基基礎(chǔ) 基坑穩(wěn)定 隧道工程 其他巖土工程 1 概述第13頁，共64頁，2022年，5月20日，

8、8點52分，星期一1.4 力學(xué)與熱性質(zhì)抗壓強度：凍土的主要力學(xué)性質(zhì)隨溫度減低，凍土抗壓強度提高；抗拉強度相對抗壓強度較低，且隨溫度減低不再增加凍結(jié)粉砂1 總論第14頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一熱物理參數(shù)：導(dǎo)溫系數(shù)、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)以及相變潛熱等 影響凍土熱物理參數(shù)因素很多，溫度、含水量、孔隙率、礦物含量、未凍水含量等。確定土熱物理參數(shù)比較復(fù)雜。靜力計算：確保凍土結(jié)構(gòu)在所處工程條件下強度和穩(wěn)定性簡單方法：將凍土體視為具有彈性模量E的彈性體。若凍土體極限承載力已知：可直接從破壞狀態(tài)入手計算若考慮凍土體處于多向應(yīng)力狀態(tài)：其承載性能將有所提高若安設(shè)支護：則承載功能由支護/凍土

9、系統(tǒng)共同承擔(dān)。有限元等數(shù)值模擬方法在凍土結(jié)構(gòu)中得到了越來越多的應(yīng)用?？紤]了與實際工程相近的凍土非線性變形性質(zhì)。1 概述第15頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一2.1氨（氟利昂）鹽水凍結(jié)系統(tǒng)鹽水循環(huán)系統(tǒng)（冷媒劑循環(huán)）冷媒劑是傳遞冷效應(yīng)的物質(zhì)，又稱載冷劑。氨循環(huán)系統(tǒng)（制冷系統(tǒng)）通過相變循環(huán)實現(xiàn)制冷的物質(zhì)冷卻水循環(huán)（冷卻水循環(huán)）將熱量釋放給大氣2 人工凍結(jié)制冷系統(tǒng) 第16頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一2.1氨（氟利昂）鹽水凍結(jié)系統(tǒng)制冷技術(shù)（制冷系統(tǒng)、冷媒劑循環(huán)、冷卻水循環(huán)）制冷循環(huán)一般包括四個過程：壓縮冷凝降壓蒸發(fā)冷媒劑循環(huán)：與凍結(jié)管相連，將地層熱量帶

10、出冷卻水循環(huán)：將冷媒劑攜帶的熱量釋放于大氣中凍結(jié)法中，制冷劑一般用氨或氟里昂，冷媒劑通常用氯化鈣溶液（鹽水）第17頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一2. 2液化氣體系統(tǒng)（液氮） 通過流動氣體在管系統(tǒng)中進行循環(huán)的方式，將地層中的熱量帶出，從而制冷，最常用的是液氮（LN2）。2 人工凍結(jié)制冷系統(tǒng) 第18頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一2. 2液化氣體系統(tǒng)（液氮） 采用液氮凍結(jié)時，直接將液氮從罐車中導(dǎo)入凍結(jié)管，循環(huán)氣化后排到大氣中。在局部凍結(jié)工程或搶險工程中常采用液氮凍結(jié)技術(shù)。2 人工凍結(jié)制冷系統(tǒng) 第19頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，

11、星期一2. 3 兩種凍結(jié)系統(tǒng)比較 2 人工凍結(jié)制冷系統(tǒng) 項 目常規(guī)凍結(jié)系統(tǒng)液氮凍結(jié)系統(tǒng)制冷溫度()-10 -35-60 -150地下水流速(m/s)5710-5不限制冷效率30% 50%50%凍土速度2cm/d20cm/d土層任何含水地層任何含水地層冷量估算Q=1.3.d.H.K460kg/ m3第20頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一3.1 凍結(jié)法設(shè)計先期準(zhǔn)備工作在進行凍結(jié)設(shè)計之前，有必要評價有關(guān)施工環(huán)境、地基的要求以及凍結(jié)方法的適應(yīng)性等，這是凍結(jié)設(shè)計的基礎(chǔ)。（1）在施工環(huán)境方面l允許沉降和水平位移的量值l允許震動的可能性、噪聲的大小l控制凍脹的范圍和量值l凍結(jié)鉆進的可

12、能位置l施工場地條件l施工工期和時間3 凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第21頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一（2）在工程條件方面 l凍土體功能，密封、承載或密封和承載 l凍土體形狀與尺寸 l地層特征、分層 l地層初始溫度及變化 l 土性，粒徑、密度、塑限與液限、含水量、飽和度 l 土的熱參數(shù)的獲取，經(jīng)驗或試驗 l 可能產(chǎn)生凍脹的土層，細粒土的實驗室實驗3 凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第22頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一 l 融或不可融礦物質(zhì) l 地下水，水位、變化波動范圍、流速、方向 l 地下水的含鹽量 l 凍土的強度和變形性質(zhì)（3）在技術(shù)方法方面 凍結(jié)制冷方式

13、，制冷機、液氮或其它凍結(jié)方式 3 凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第23頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一 （1）地質(zhì)、水文地質(zhì)及土性研究土礦物種類土密度含水量飽和度滲透性孔隙體積稠度 凍結(jié)法的適宜性 凍結(jié)工作的可能性 凍結(jié)管的處理 （2）凍土性質(zhì)蠕變試驗三軸試驗凍脹試驗 與時間、溫度和荷載有關(guān)的強度和變形性質(zhì) （設(shè)計基礎(chǔ)） （3）周圍建筑物的評價上部建筑工場管線交通道路 凍結(jié)工作的處理 變形，尤其是凍脹 （4） 凍土體設(shè)計凍土體中的力和應(yīng)力 凍土體的理論尺寸 （5） 測量程序變形和溫度量測 工作的觀測與控制（采用特殊措施的判定基礎(chǔ)）必要的預(yù)研究項目 第24頁，共64頁，2022年，

14、5月20日，8點52分，星期一設(shè)計工作內(nèi)容 進行一項技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的巖土凍結(jié)工程的前提是在凍結(jié)施工前進行凍結(jié)設(shè)計。工程意義上的凍結(jié)項目的設(shè)計工作包括： 凍土體結(jié)構(gòu)形式、支護方法、凍結(jié)方案、凍土體尺寸、凍結(jié)管布置、凍結(jié)過程、凍結(jié)時間、凍結(jié)系統(tǒng)、凍結(jié)設(shè)備、監(jiān)測等 3 凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第25頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一凍結(jié)項目的設(shè)計工作 l 設(shè)計凍土體結(jié)構(gòu)形式，需考慮如下因素 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件 滿足工程強度和/或密封需求 方便施工 節(jié)省投資l 臨時支護方法 純凍結(jié) 與其它加固方法組合3 凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第26頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，

15、星期一l 優(yōu)選凍結(jié)方案 一次凍結(jié) 分期凍結(jié)l確定凍土體尺寸 確定外載荷 確定平均溫度 試驗凍土強度 計算凍土結(jié)構(gòu)強度與穩(wěn)定性3 凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第27頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一l 合理布置凍結(jié)管 確定布置方式：垂直、傾斜、水平、混合 確定凍結(jié)管深度 確定凍結(jié)管間距l(xiāng) 選擇凍結(jié)階段的凍結(jié)過程 連續(xù)凍結(jié)、凍結(jié)溫度 間歇凍結(jié)、凍結(jié)溫度l 凍結(jié)時間確定 凍結(jié)速率 積極凍結(jié)時間 維護凍結(jié)時間 與巖土工程施工的銜接 3 凍結(jié)法原理與設(shè)計原則第28頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一l 凍結(jié)系統(tǒng)設(shè)計 選擇制冷劑、冷媒劑 計算制冷量 制冷系統(tǒng)設(shè)計l 凍結(jié)設(shè)

16、備選型 選擇制冷機組 布置凍結(jié)管路l 監(jiān)測設(shè)計 監(jiān)測目的與內(nèi)容（溫度、變形、壓力等） 監(jiān)測傳感器 監(jiān)測系統(tǒng)第29頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一3 凍結(jié)法原理與設(shè)計原則3.2凍結(jié)施工步驟 一般地，用氨鹽水循環(huán)制冷系統(tǒng)進行土體凍結(jié)工程施工主要有三大部分組成，即凍結(jié)站安裝 凍結(jié)孔施工 土體凍結(jié) 第30頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一3 凍結(jié)法原理與設(shè)計原則凍結(jié)站安裝凍結(jié)站位置選擇。以供冷、電、水及排水方便為原則，考慮對環(huán)境的影響以及消防、通風(fēng)等安全要求，靠近工地凍結(jié)站設(shè)備布置。一般站內(nèi)布置氨循環(huán)系統(tǒng)和鹽水循環(huán)系統(tǒng)，站外布置冷卻水循環(huán)系統(tǒng)凍結(jié)站安裝程序

17、。凍結(jié)站安裝可與凍結(jié)孔鉆進同時進行管路耐壓密封試驗。安裝完畢，進行耐壓、密封試驗管路隔熱保溫。低壓、低溫部分隔熱、保溫，減少損失管路灌注制冷劑和冷媒劑若設(shè)計用液氮凍結(jié)凍結(jié)，則凍結(jié)站安裝工作要簡化得多 第31頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一3 凍結(jié)法原理與設(shè)計原則凍結(jié)孔施工 鉆孔布置 凍結(jié)孔鉆進 凍結(jié)孔測斜 凍結(jié)管安裝土體凍結(jié) 鹽水流量觀測 管路溫差觀測 土體溫度觀測 確定凍結(jié)時間第32頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一3 立井工程凍結(jié)法3.1 概述 120年，含水、軟弱、不穩(wěn)定地層礦山立井建設(shè)的成熟技術(shù)國外：第33頁，共64頁，2022年，5月20

18、日，8點52分，星期一凍結(jié)法鑿井利用氨循環(huán)制冷系統(tǒng)。為形成能抵抗地壓、隔絕地下水的凍結(jié)壁，首先在欲開挖井筒周圍鉆進一定數(shù)量凍結(jié)孔，安設(shè)凍結(jié)器。凍結(jié)站制出的-25-35低溫鹽水，經(jīng)去路鹽水干管（12）、配液圈（13）到供液管底部、沿凍結(jié)管和供液管之間的環(huán)形空間上升到回液管、集液圈（15）、回路鹽水干管（16）至蒸發(fā)器（2）形成鹽水循環(huán)第34頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一低溫鹽水在凍結(jié)器中流動，吸收周圍地層熱量，形成凍結(jié)圓柱，凍結(jié)圓柱逐漸擴大并連接成封閉的凍結(jié)壁，直至達到其設(shè)計厚度和強度。通常將凍結(jié)壁擴展到設(shè)計厚度所需的時間稱為積極凍結(jié)期，將維護凍結(jié)壁的期間稱作消極（或維

19、護）凍結(jié)期。第35頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一吸收了地層熱量的鹽水，在鹽水箱內(nèi)將熱量傳遞給蒸發(fā)器中的液氨，使液氨變?yōu)轱柡驼魵獍?，再被氨壓縮機（4）壓縮成過熱蒸氣進入冷凝器（7）冷卻，將地層和壓縮機產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻水，最后將這些熱量傳給大氣。 第36頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一凍結(jié)法鑿井主要工藝過程包括： 冷凍站安裝 鉆孔施工 井筒凍結(jié) 井筒掘砌等四大內(nèi)容 3 立井工程凍結(jié)法第37頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一3.2 凍結(jié)方案針對不同水文、地質(zhì)和工程條件，采用不同凍結(jié)方案，以達到最佳經(jīng)濟效益。實際工程常用凍結(jié)方

20、案有： l 一次凍全深 所有凍結(jié)孔的深度與最大凍結(jié)深度一致，并且全深一次凍結(jié)形成凍結(jié)壁的凍結(jié)方式。包括單圈管、雙圈管和異徑管。 一般采用單圈管凍結(jié)方案，即只在井筒周圍布置一圈凍結(jié)管 當(dāng)表土厚，要求凍結(jié)壁厚、平均溫度低時可采用雙圈管凍結(jié)，即在井筒周圍布置兩圈凍結(jié)管 為加速上部凍結(jié)，盡早開挖，可采用上粗下細異徑管凍結(jié)，上部凍結(jié)管吸熱面積大，凍結(jié)快，下部管吸熱面積小，凍結(jié)慢第38頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一l 長短管（差異）凍結(jié)方棠長短管凍結(jié)，又稱“差異凍結(jié)”指凍結(jié)管的深度不同，長短管交錯布置于一圈上，一次凍結(jié)形成凍結(jié)壁的凍結(jié)方式。此方案主要用于同時凍結(jié)沖積層和含水基巖的

21、情況。長管超出短管深度的部分主要任務(wù)是凍結(jié)基巖、封堵地下水，而上部分則與短管共同形成承受水土壓力的凍結(jié)壁。 3 立井工程凍結(jié)法第39頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一l 分段（分期）凍結(jié)方案當(dāng)凍結(jié)深度較大，且水文、工程地質(zhì)條件比較適宜時，可將整個凍結(jié)深度自上而下分為數(shù)段，分段凍結(jié)形成凍結(jié)壁。這一方案的凍結(jié)管布置方式與一次凍全深相同，只是采用不同結(jié)構(gòu)的凍結(jié)器來實現(xiàn)分段凍結(jié)的目的 分期凍結(jié)凍結(jié)器1配液圈 2 集液圈 3 閥門 4 凍結(jié)管 5、6 供、回液管 3 立井工程凍結(jié)法第40頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一l局部凍結(jié)方案當(dāng)只有局部地層需要凍結(jié)時，

22、可采用局部凍結(jié)方案 局部凍結(jié)凍結(jié)器隔板 (b) 壓氣隔離 (c) 鹽水隔離 (d) 上下凍結(jié)3 立井工程凍結(jié)法第41頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一3 立井工程凍結(jié)法3.3 熱力分析凍結(jié)壁的形成凍結(jié)鋒面巖土凍結(jié)過程中，孔隙水開始發(fā)生結(jié)冰相變的面稱為，是凍土與未凍土的分界面。凍結(jié)前地層有均一的初始溫度。凍結(jié)初期，低溫鹽水與凍結(jié)管周圍的地層產(chǎn)生劇烈的熱交換，在每個凍結(jié)管周圍很快形成圓柱形的凍結(jié)巖土柱第42頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一 由于相鄰凍結(jié)管間的影響，軸面比主面凍結(jié)更快，凍土柱由圓柱形變?yōu)闄E圓形，再進一步擴展，直至相交圈，在井筒周圍形成封閉

23、的凍土墻凍結(jié)壁。 交圈后，原凍結(jié)管的凍結(jié)鋒面連成向井內(nèi)擴展的內(nèi)凍結(jié)鋒面和向井外擴展的外凍結(jié)鋒面，且內(nèi)、外凍結(jié)鋒面很快地趨于平滑，當(dāng)界面上的凍結(jié)壁厚度等于凍結(jié)管的間距時，內(nèi)、外凍結(jié)鋒面就基本上變成以井筒為中心的圓柱面。第43頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一凍結(jié)管測溫點凍結(jié)鋒面的擴展第44頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一凍結(jié)孔存在偏斜凍結(jié)鋒面形狀不是規(guī)則園柱面在交圈初期：凍結(jié)鋒面向內(nèi)發(fā)展速度較交圈前慢，但隨內(nèi)側(cè)未凍土范圍熱量減小，鋒面向井心推進速度加快，而凍結(jié)鋒面向井外的擴展速度較慢，擴展至距凍結(jié)管布置圈23rn處，擴展速度十分緩慢，來自未凍土區(qū)熱量

24、與來自凍結(jié)管的冷量趨于平衡，溫度場趨于穩(wěn)定，凍結(jié)壁漸成以井筒為中心的園筒體。一般凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)厚度占凍結(jié)壁總厚的0.550.6倍第45頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一立井凍結(jié)溫度場研究凍結(jié)過程中土體溫度隨時間變化的規(guī)律。在凍結(jié)鑿井中，常以主面、界面和軸面這三個特征面上的溫度分布作為判斷凍土形成過程、控制溫度揚的依據(jù)?！爸髅妗保哼^井筒中心與凍結(jié)管中心的豎直平面“界面”：過井心和相鄰管中心連線中點的豎直平面“軸面”：過兩個相鄰凍結(jié)管中心的豎直平面3 立井工程凍結(jié)法第46頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一三個特征面溫度狀況表征凍結(jié)溫度場基本特點，是測溫的主要

25、對象，尤其是界面與軸面交點上的溫度值直接關(guān)系到凍結(jié)園柱是否交圈。凍結(jié)過程凍結(jié)擴展1主面 2 軸面 3 界面 4 凍結(jié)管 5 井筒中心 3 立井工程凍結(jié)法第47頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一凍結(jié)溫度場求解求解溫度場是進行熱力計算的重要工作、是進行靜力計算的重要前提，目的l求凍結(jié)壁的平均溫度，確定凍土強度；l確定凍結(jié)鋒面的位置，計算凍結(jié)壁的厚度；l計算熱量，確定凍結(jié)站的制冷能力；確定凍結(jié)壁的擴展速度，估算積極凍結(jié)時間。 3 立井工程凍結(jié)法第48頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一由于凍結(jié)壁在豎直方向的尺寸較水平方向大得多，且在凍結(jié)過程中土層在豎直方向的

26、熱傳導(dǎo)相對弱得多，故立井凍結(jié)溫度場可簡化為平面軸對稱間題 凍結(jié)溫度場的求解間題是一個有相變、移動邊界、內(nèi)熱源、邊界條件復(fù)雜的不穩(wěn)定導(dǎo)熱問題。立井凍結(jié)溫度場 3 立井工程凍結(jié)法第49頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一立井凍結(jié)主面、界面溫度試驗研究：當(dāng)凍結(jié)壁厚度與凍結(jié)管間距相同時，凍結(jié)壁的兩個凍結(jié)鋒面就成了與井筒同心的圓柱面；凍結(jié)壁向內(nèi)側(cè)發(fā)展得快，約占總厚度的55%60%， 主、界面溫度分布試驗結(jié)果 3 立井工程凍結(jié)法第50頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一為能估算凍結(jié)壁體內(nèi)的平均溫度、凍結(jié)壁交圈時間、確定凍結(jié)壁的強度，須研究軸面溫度分布軸面溫度分布試驗

27、研究結(jié)果 3 立井工程凍結(jié)法第51頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一 由于凍結(jié)管內(nèi)的溫度是時空變化的，為估算凍結(jié)壁的強度，又必須度量溫度，在工程中首先要確定凍結(jié)壁內(nèi)的平均溫度。凍結(jié)壁平均溫度的確定可按圓管穩(wěn)定導(dǎo)熱求解，也可根據(jù)試驗、實測和模擬計算結(jié)果擬合得到。l圓管穩(wěn)定導(dǎo)熱計算方法交圈前：凍土溫度場可視為以凍結(jié)管為中心的圓管穩(wěn)定導(dǎo)熱交圈并達設(shè)計厚度后：以井心為中心的兩個圓管穩(wěn)定導(dǎo)熱：內(nèi)側(cè)凍結(jié)鋒面與凍結(jié)管布置圈構(gòu)成的圓管I、由凍結(jié)布置圈與外側(cè)凍結(jié)鋒面構(gòu)成的圓管II 3 立井工程凍結(jié)法第52頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一3 立井工程凍結(jié)法第53頁，共

28、64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一3.4 靜力計算凍結(jié)壁厚度的確定是凍結(jié)設(shè)計中的一項重要工作，無內(nèi)忖支護設(shè)計主要基于經(jīng)驗公式。最早、最簡單的公式是Lame公式，其中如凍結(jié)壁溫度梯度、強度隨溫度變化、凍土蠕變等許多凍土性質(zhì)未能得以反映，所得凍結(jié)壁厚度比新近研究的凍結(jié)壁設(shè)計方法的厚度大得多。3 立井工程凍結(jié)法第54頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一隨著凍結(jié)壁厚度設(shè)計計算方法的發(fā)展，凍結(jié)壁材料經(jīng)歷了多種假設(shè)，如完全彈性、部分彈性、部分塑性、完全塑性和完全粘性材料等凍結(jié)壁材料模式(a) 完全彈性 (b) 部分彈性、部分塑性 (c) 完全塑性 3 立井工程凍結(jié)法第5

29、5頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一 凍結(jié)壁的變形在時間和空間上是非線性的，變形對于凍結(jié)管和井壁的安全至關(guān)重要 凍結(jié)壁變形與多種因素有關(guān)，除上述計算分析方法外，目前國內(nèi)外大量應(yīng)用有限元分析和物理模擬試驗的方法進行計算。而物理模擬試驗成為凍結(jié)壁問題研究的主要手段 。 3 立井工程凍結(jié)法第56頁，共64頁，2022年，5月20日，8點52分，星期一山東郭屯礦井實例6 立井工程凍結(jié)法主要技術(shù)參 凍結(jié)方式 ：三圈孔加防片孔； 凍結(jié)壁厚度: 10.5m；凍結(jié)壁平均溫度-20 ； 凍結(jié)圈徑：外25.5m、中19m、內(nèi)15m、防13/12.5m； 凍結(jié)深度：外605m、中702/605m、