双排管冻结下冻结壁温度场形成特征的数值分析

1、 第24卷第2期冰川冻土Vol. 24No. 22002年5月JOURNAL OF G LACIOLO GY AND GEOCR Y OLO GY May 2002文章编号:1000-0240(2002 02-0181-05双排管冻结下冻结壁温度场形成特征的数值分析汪仁和1, 2, 曹荣斌2(1. 中国科技大学力学与机械工程系, 安徽合肥, 230026; 2. 安徽理工大学土木工程系, 安徽淮南, 232001摘要:冻结时间、冻结壁厚度和冻结壁温度场的性状是冻结法施工的关键参数, 以工程实例为背景, 考虑了水的导热系数和比热c 的相态变化以及冻结管吸热参数随温差而变化等因素, 利用ANSYS

2、 大型有限元计算程序, 对单、双排管冻结下冻结壁的形成及其变化特征进行详细的计算分析, 得出了双排管冻结下冻结时间缩短、冻结效率提高、冻结壁平均温度下降等特性. 最后, 探讨了双排管冻结下冻结壁平均温度的简化计算方法.关键词:冻结壁; 温度场; 双排管冻结; 有限元计算; 平均温度中图分类号:P642. 14文献标识码:A1概述国自1956后, 一种惯用方法1, , 我国利用冻结法开凿的煤矿井筒数已达到450多个, 冻结总长超过70km , 并已扩大到城建、地铁、桥墩、锚碇基坑等工程建设中3. 但随着冻结法凿井深度的增加(例如目前计划建设的淮南矿务局顾桥矿、新集煤电公司刘庄矿、淮北矿务局的涡北

3、矿表土地层厚度都超过300m , 而山东巨野矿区的表土地层厚度平均达600m2冻结壁温度场的性状分析2. 1计算模型及计算参数的选择2. 1. 1计算模型井筒开挖直径D 0=9. 0m , 冻结管直径为<159mm , 冻结孔布置参数见表14.表1冻结孔布置参数Table 1Parameters of the arrangement of freeze holes单排冻结孔布置圈径/m冻结管根数冻结管间距/m13. 5361. 18双11. 6201. 82排15. 6401. 22以上 , 以及冻结法在大型建筑基坑(例如润扬大桥南锚基坑设计冻结壁厚度达5. 5m 等岩土工程中的推广应用

4、, 单排冻结方案无论是从冻结时间上, 还是从冻结壁的强度、稳定性等方面都不能适应工程要求, 必须采用双排乃至多排冻结方案. 双排或多排管冻结下的冻结壁温度场不仅受同圈相邻冻结管的影响, 同时也受邻排冻结管的影响, 使冻结壁温度场的计算十分复杂. 本文应用ANSYS 有限元软件对双排管冻结下的冻结壁温度场进行分析, 并与单排管冻结进行比照, 找出二者之间的差别, 以不考虑天然地层热传导性能与地温的差别, 视冻结壁温度场为平面问题. 2. 1. 2计算参数土的热物理参数57和冻结管的热交换参数3如表2所示.2. 2双排与单排管冻结条件下的冻结壁主、界面温度场特性图1、图2分别为单、双排管冻结下冻结

5、壁收稿日期:2001-09-18; 修订日期:2002-01-25基金项目:安徽省自然科学基金项目(01044503 资助, 男, 安徽合肥人, 教授, 1989年获淮南矿业学院工学硕士学位, 现在中国科技大学力学与机械工程系申请作者简介:汪仁和(1956博士学位, 主要从事冻土工程与岩土力学的教学与科研工作. E -mail :rhwang aust. edu. cn 冰川冻土24卷182表2土与冻结管的计算参数Table 2导热系数/(kJ m -1h -1-1Calculation parameters of the soil and the freeze pipes 比热c重度/(kN

6、 m -3 18816天然地温/23冻结管吸热量/(kJ m -2h -11086836/(kJ kg -1-11. 3921. 028表面温度/-18-30未冻土冻土3. 343. 89表3单、双排管冻结下冻结壁计算值Table 3Calculated figures of frozen wall with single and double rows of freezing pipes单排管冻结主面上冻结壁厚度/m1. 652. 496. 38双排管冻结主面上冻结壁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, 其中在图2中, 主面1、2分、内排冻结管的主面. 表3为单、双排管冻结下冻结壁的计算值, 在表3中:t 表示冻结时间; E y 、E 与分别表示界面上的冻结壁有效厚度、冻结壁厚度与冻结壁的利用率; T p 表示冻结壁有效厚度内平均温度. 比较图1与图2的冻结壁温度场性状, 并参照表3, 得出:(1 形成相同有效厚度的冻

8、结壁, 双排管冻结时所需的冻结时间比单排管冻结时少, 且冻结壁的图1单排管冻结冻结壁主、界面温度场特性Fig. 1Temperature field features of the main face and the interface of frozen wall with single rowof freezing pipes利用率较高. 当形成的冻结壁有效厚度为4. 5m 时, 采用双排管冻结所需时间是采用单排管冻结的0. 36倍(双排管冻结比单排管冻结节约了165d , 且冻结壁的利用率提高26. 7%.(2 冻结时间相同时, 双排管冻结形成的冻结壁厚度比单排管冻结大. 冻结时间均为6

9、0d 时, 双排管冻结所形成的冻结壁厚度是单排管冻结时的2. 38倍, 而双排管冻结时冻结管总数为60根, 只是单排管冻结(36根 的1. 67倍. 可见有采用双排管冻结, 冻结效率有明显地提高.(3 在冻结初期, 主面上冻结壁厚度大于界面上的厚度, 但界面上冻结壁的发展速度却大于主面上, 因此, 在冻结后期, 界面上冻结壁厚度反而略图2双排管冻结下冻结壁主、界面温度场特性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 单排管冻结条件下, 冻结壁主面温度场呈对数曲线分布, 而冻结壁界面温度场近似呈线性分布. 双排管冻结条件下, 冻结壁主面温度场在内排 2期汪仁和等:双排管冻结下冻结壁温度场形成特征的数值分析183冻结管内侧和外排冻结管外侧呈对数曲线分布, 而在内、外排冻结管之间温度场分布则呈抛物线; 冻结壁界面温度场分布则随冻结时间的延长由鞍马形逐渐转化为梯形.2. 3双排与单排管冻结下冻结壁有效厚度内平均温度T p 的计算与比较冻结壁有效厚度内平均温度的计算方法:对冻结壁有效厚度内所有的有限元单元进行单元面积与单元平均温度乘积的积分, 再把计算出的积分值除以冻结壁有效厚度内所有

11、的有限元单元面积之和, 就可以计算出单、双排管冻结下冻结壁有效厚度内温度平均值T p .冻结壁有效厚度内温度平均值T p 的计算结果如表3所示. 显然, 当冻结时间为60d 时, 采用双排管冻结冻结壁有效厚度是采用单排管冻结的2. 38倍, 冻结壁平均温度T p 则下降了3. 6; 当大2. 0m 以上 .图3冻结壁厚度与冻结时间的关系Fig. 3Relation between the thickness of frozen wall and the time(3 , E 与冻结时间:E . 0. 06262t -2. 505×10t +5. 0×10t-42-73冻结时

12、间为91d 时, 双排管冻结冻结壁有效厚度为单排管的1. 88倍, 而冻结壁平均温度p 6. 由此可见, 双排管冻结下, 冻结壁厚度E 与冻结时间t 的回归关系式为:E =-3. 487+0. 183t -1. 29×10-3t 2+3. 32×10-6t 3.2. 4双排与单排管冻结下冻结壁厚度与冻结时间2. 5双排管冻结下冻结壁有效厚度内平均温度T p的关系冻结壁厚度与冻结时间的关系如图3所示, 显示有如下关系.(1 冻结管布置间距基本相同时, 单、双排管冻结下冻结壁的交圈时间基本上相同4.(2 形成相同厚度的冻结壁, 双排管冻结时所需的冻结时间少于单排管冻结, 一般情

13、况下可节约90d 以上; 冻结时间相同时, 双排管冻结所形成的的简化计算由图2可见, 随着积极冻结时间的延长, 冻结壁主面与界面上井帮温度值趋于一致4, 因此可以近似认为冻结壁井帮温度相同. 以t b 表示井帮温度, t b 是冻结时间t 的函数, 同样, 冻结壁有效厚度内平均温度T p 也是冻结时间t 的函数, 为此可按回归分析间接建立T p 与t b 的关系. 按回归分析也可直接建立T p 与t 的关系. 计算过程与结果如表4和图4、图5所示.冻结壁厚度大于单排管冻结, 一般情况下厚度可增表4冻结壁有效厚度内平均温度T p 与井帮温度t b 、冻结时间t 的关系Table 4Average

14、 temperature T p in the effective thickness of frozen wallChanging with side wall temperature t b and the freeze time t冻结时间t /d 井帮温度t b /冻结壁有效厚度内T p /T p 与t b 的回归关系式T p 与t 的回归关系式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 冰川冻土24卷184度和较低的平均温度, 对保证冻结法施工的安全起到积极的作用.(4 采用双排管冻结, 冻结效果有明显的提高. 主要表现在:在冻结壁形成初期, 加快了冻结壁的发展速度; 在冻结壁形成后期, 使冻结壁的平均温度降得更低(5 双排管冻结下冻结壁有效厚度内平均温度T p 与井帮温度t b 之间的简化计算公式:T p =-13. 33+0. 4365t b -0. 0184t b +0. 0024t b图4冻结壁有效厚度内平均温度T p 与井帮温度t b 的关系Fig. 4Rela

16、tion between the average temperature in the effective thickness of frozen wall and theside wall temperature23双排管冻结条件下冻结壁有效厚度内平均温度T p 与冻结时间t 之间的简化计算公式:T p =26. 14-1. 2621t +0. 01463t 2-6. 2×10-5t 3.参考文献(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. 汪崇鲜, 楼根达, 马玉繁华市区含水地层水平冻结及暗挖法施工J.冰川冻土,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. 马巍. 中国地层土冻结技术研究的回顾与展望J.冰川冻土, 2001, 23(3 :218-224. 3Wan Renhe. Discuss

18、ion on several key issue of ground freezing图5冻结壁有效厚度内平均温度T p 与冻结时间t 的关系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. 对冻结法研究中几个问题的探讨J.淮南工业学院学报, 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, 崔云龙, 王介3结论(1 ANSYS 软件可以考虑水在相变前后其热物理参数的变化, 以及冻结管吸热参数随温差而变化等因素, 因此可以较好地模拟人工冻结温度场的形成特性.(2 采用双排管冻结, 缩短了冻结时间, 因此可以使工程的开工时间提前.(3 采用双排管

20、冻结, 可以形成较大的冻结壁厚峰, 等. 建井工手册第四卷M .北京:煤炭工业出版社,1986. 56-57,115-117. 5Terubake N G. Freezing Shafting Method M .Beijing :Coal In 2dustry Press , 1958. 64-66, 553-555. 特鲁巴克N G. 冻结凿井法M .北京:煤炭工业出版社, 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,张立新. 冻土物理学M . 北京:科学出版社, 2001. 75-82. 7Nasirofu N D , Supurike M N. Developing Rule of Frozen Wall inShaft M .Beijing :Coal Industry Press , 1981. 43-49. 纳斯诺夫N D , 苏普列克M N. 立井冻结壁形成规律M .北京:煤炭工业出版社, 1981. 43-49. 2期汪仁和等:双排管冻结下冻结壁温度场形成特征的数值分析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