人工地層凍結(jié)溫度場形成規(guī)律研究

張鵬飛

（中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000）

人工凍結(jié)法的實(shí)質(zhì)：實(shí)際上就是利用人工制冷的技術(shù)能夠臨時(shí)改變各個(gè)巖土的性質(zhì)來達(dá)到固結(jié)地層目的。在人工凍結(jié)過程中，人工凍土經(jīng)常會(huì)采用鹽溶液間接施工法，它的實(shí)質(zhì)其實(shí)就是將鹽溶液經(jīng)過氨制冷后，在土體內(nèi)埋設(shè)的管道中進(jìn)行循環(huán)，吸收了土體產(chǎn)生的熱量，不斷的進(jìn)行循環(huán)，一直達(dá)到土體凍結(jié)的目的為止。[1～5]

國內(nèi)外許多學(xué)者，對此作出了一系列研究工作。例如，學(xué)者特魯巴克[6]系統(tǒng)且詳細(xì)的研究了單管凍結(jié)溫度場的時(shí)空演變規(guī)律，凍結(jié)溫度場理論由此被提出；中國礦業(yè)大學(xué)教授余力[7]在在學(xué)者特魯巴克研究的基礎(chǔ)上，簡化了凍結(jié)問題，將復(fù)雜的三維問題轉(zhuǎn)化成簡單的二維問題考慮，得到了單圈管凍結(jié)溫度場的形成規(guī)律；胡向東等[8]在考慮土層實(shí)際凍結(jié)溫度的基礎(chǔ)上做出修正。李述訓(xùn)[9]根據(jù)以往學(xué)者的實(shí)測資料，獲得在二類邊界條件下的解析解，及如何求出凍結(jié)管間平均溫度和凍結(jié)壁厚度。

在凍結(jié)法鑿井的施工過程中，凍結(jié)孔的布置方式有很多種，最常見的就是在與掘進(jìn)隧道同心的圓周上均勻的布置凍結(jié)管[10～11]。

當(dāng)凍結(jié)施工環(huán)境中，沒有地下水的存在時(shí)，等距離的布置凍結(jié)管可以保證形成的凍結(jié)壁的強(qiáng)度比較均勻；但是，對于布置凍結(jié)管的數(shù)量的不同，凍結(jié)管的間距過大或者過小，都會(huì)影響凍結(jié)管的交圈，凍結(jié)管的間距不同，其交圈時(shí)間也相應(yīng)改變，且形成的凍結(jié)壁的厚度也不同，凍結(jié)壁的強(qiáng)度也隨之變化，因此，凍結(jié)管間距的不同，對凍結(jié)溫度場的形成規(guī)律進(jìn)行一系列研究，具有重要的工程意義。本文將結(jié)合地下水對人工凍結(jié)溫度場的作用特點(diǎn)，研究在無流速時(shí)，不同的管間距對凍結(jié)溫度場的影響。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 網(wǎng)格劃分圖1）

圖1

1.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

根據(jù)飽和砂土的冰點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)凍結(jié)砂土層的溫度達(dá)到-1℃時(shí)，視為此時(shí)形成的凍結(jié)壁是有效，因此凍結(jié)壁的輪廓線-為1℃的等溫線，將流速為0m/d時(shí)，不同的凍結(jié)管管間距在凍結(jié)時(shí)間為5、15、25d的分布云圖如圖2所示。

圖2

通過對比不同凍結(jié)管間距，在凍結(jié)時(shí)間在5d、15d、25d時(shí)的其凍結(jié)溫度場發(fā)展變化規(guī)律，分析可以發(fā)現(xiàn)，在凍結(jié)時(shí)間相同的情況下，凍結(jié)管的間距越小，凍結(jié)壁的發(fā)展越快。通過云圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凍結(jié)管間距為0.95 m時(shí)，凍結(jié)管間距較小，凍結(jié)管的發(fā)展較好，在凍結(jié)時(shí)間為5d時(shí)，凍結(jié)壁就已交圈，且發(fā)展較為均勻，隨著凍結(jié)時(shí)間的增大，凍結(jié)壁的厚度也越大形成一個(gè)均勻的封閉圓環(huán)，達(dá)到隔絕水源的目的，此時(shí)，凍結(jié)壁的強(qiáng)度也隨之更大。反觀當(dāng)凍結(jié)管間距為1.99 m時(shí)，凍結(jié)時(shí)間為5d時(shí)，凍結(jié)管開始降溫，到凍結(jié)時(shí)間為15d時(shí)，凍結(jié)管的發(fā)展開始變快，但此時(shí)凍結(jié)管仍然沒有交圈，直至凍結(jié)25d時(shí)，凍結(jié)管開始交圈，但此時(shí)由于交圈時(shí)間較短，凍結(jié)壁發(fā)展不完全，凍結(jié)壁厚度不均勻，凍結(jié)壁厚度也較小，雖然形成了一個(gè)封閉圓環(huán)，但由于厚度不均勻，故凍結(jié)壁強(qiáng)度較小。由此可知，凍結(jié)管間距越小，凍結(jié)管交圈越快。

當(dāng)凍結(jié)時(shí)間為5d時(shí)，在凍結(jié)壁的厚度為1.99 m、1.69 m、1.46 m、1.29 m、1.15 m時(shí)，此時(shí)的凍結(jié)管沒有交圈，但是隨著凍結(jié)管間距的減小，凍結(jié)管的擴(kuò)展范圍越來越大，直至凍結(jié)管間距為1.04 m時(shí)，此時(shí)的凍結(jié)管開始交圈，且凍結(jié)管間距為0.95 m時(shí)的凍結(jié)壁的發(fā)展相比間距1.04 m時(shí)好，形成的凍結(jié)壁也相比較均勻。當(dāng)凍結(jié)時(shí)間為25d時(shí)，凍結(jié)管此時(shí)均交圈，但在凍結(jié)管間距較大時(shí)，1.99 m時(shí)，此時(shí)的凍結(jié)壁發(fā)展不均勻，在間距達(dá)到1.69 m時(shí)，相比1.99 m，凍結(jié)壁的擴(kuò)展相對較均勻，形成一個(gè)“圓環(huán)”。隨著凍結(jié)管間距的減小，凍結(jié)壁的厚度越大，且越來越均勻。通過云圖可以發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)管間距越小，凍結(jié)壁的交圈時(shí)間越短，同時(shí)形成的凍結(jié)壁厚度越大，強(qiáng)度也更大。

從圖3中可以得知：凍結(jié)管間距增大，其交圈時(shí)間也隨之增大?？梢晝鼋Y(jié)壁交圈時(shí)間與凍結(jié)管間距成線性關(guān)系，且交圈時(shí)間增大的速率隨著凍結(jié)管間距的增大也越來越快。當(dāng)凍結(jié)管間距為0.95 m時(shí)。交圈時(shí)間僅需4天即可完成交圈，凍結(jié)管的間距為1.29 m時(shí)，交圈時(shí)間開始至凍結(jié)8天才能交圈。而當(dāng)凍結(jié)管間距在1.99 m時(shí)，凍結(jié)的交圈時(shí)間增大到24天方可交圈。這表明在工程施工安全且方便的前提下，凍結(jié)管的管間距越小，凍結(jié)的交圈時(shí)間也越短，可以明顯縮短施工工期，加快施工進(jìn)度，減少施工成本。

圖3

圖4所示為在凍結(jié)時(shí)間達(dá)到30d時(shí)，凍結(jié)壁厚度隨凍結(jié)管間距的變化規(guī)律。凍結(jié)管間距與凍結(jié)壁厚度大致呈線性變化。凍結(jié)壁的厚度隨著凍結(jié)管間距的增大而減小。當(dāng)凍結(jié)管間距為1.99 m時(shí)，形成的凍結(jié)壁的厚度較小，僅為1.18 m，當(dāng)凍結(jié)管間距為1.29 m時(shí)，凍結(jié)30d時(shí)的凍結(jié)壁厚度為2.16 m，當(dāng)凍結(jié)管間距為0.95 m時(shí)，凍結(jié)30d后的凍結(jié)壁厚度為2.54 m。凍結(jié)管間距越小，凍結(jié)壁厚度越大，表明在實(shí)際工程施工時(shí)，在滿足施工安全的前提下，凍結(jié)管管間距越小，其形成的凍結(jié)壁厚度越厚，凍結(jié)壁也更穩(wěn)定。

圖4

2 結(jié)論

2.1 在相同的凍結(jié)時(shí)間下，凍結(jié)管的間距越小，凍結(jié)壁的發(fā)展越快，凍結(jié)壁越均勻。

2.2 隨著凍結(jié)管間距的增大，其交圈時(shí)間也隨之增大，且交圈時(shí)間增大的速率隨著凍結(jié)管間距的增大也越來越快。

2.3 凍結(jié)管間距與凍結(jié)壁厚度呈線性變化，凍結(jié)壁的厚度隨著凍結(jié)管間距的增大而減小。