文摘

基于垂直直人工冻结工程在陕西北部,一个三维(3 d)物理模拟试验系统,包括六部分,模拟箱、轴模型,加载系统,冷冻系统,外部环境仿真系统和数据采集系统。物理模型和实际测试结果表明,该三维物理模拟测试系统是合理的、可靠的。测试模型结果表明,冻结管的距离显著影响冻结壁温度。为四个相邻的情况下,两个相邻切向冻结,冻结管和两个相邻的轴向,冷却率分别为1.37,2.79,和1.96°C / h,分别。现场测量表明,靠近冻结管增加了冷却率。点1的冷却率k #,2k #,3k #分别为25.61、25.32和25.35毫米/ d,分别。垂直和水平冻结压力的增加率与温度分别为8.78和2.97 kPa /°C,分别。此外,冻结压力时间拟合公式。温度和冻结压力的计算结果与测量结果相一致,表明三维物理模拟的合理性和可靠性测试计划的人工freezing-inclined轴工作。

1。介绍

垂直直线人工冻结壁常用于挖掘井地区的含水量大,浅煤层,和软土1]。然而,如果冻结壁的强度是不够的在下沉,水滔滔不绝、沙洪水可能会发生,这将对人类生活的安全构成威胁,带来重大的经济损失(2- - - - - -4]。确保斜轴可以安全地穿过软土地层富含水分,冻结壁的形成速度和厚度必须研究。然而,只有少数的研究冷冻项目目前在斜井可以被引用。这样的研究是一种有效和经济的方法来分析冻结温度和压力的分布规律在斜井中使用一个三维(3 d)物理模拟测试。

目前,几项研究已经调查了冻结壁的温度场。小王和魏5)被认为是土壤水的相变层和冻结温度随时间的变化。冻结壁的形成及其温度场特征详细分析了斜条件下,使用大型有限元(FE)软件。杨et al。6]研究了人工冻结隧道试验模型的特征和围岩温度场的预测。王等人。7]研究了冻结壁温度场的影响,水化热的外墙和获得外部的温度变化的基本规律和特厚冲积层冻结壁在下沉。基于指数积分函数,李和夏8)研究了人工冻土的温度场和获得的理论表达式厚度、速度、和冻土的冻结时间的窗帘。路[9]分析了温度变化规律thermodynamic-based理论和冻土的相变规律。曹et al。10]研究了冻结法的适应性条件下富水砂卵石地层冻结设计方案的合理性。Gianpiero et al。11]研究了人工地层冻结(AGF)技术来挖掘一条隧道在地下水位以下。李(12]研究了冻结温度场和热导率的两个代表性的土壤样品,分析了冻结温度的数值模拟的等效导热系数测试,使用ANSYS软件。悦et al。13模拟人工冻土的冻结过程的大连路隧道联络通道与有限元分析(FEA)方法和确定现有的不同法律的温度、位移和应力。胡和赵14]研究了精密的折叠AGF温度场模型。风扇和杨15)提出了一个跨通道的详细案例研究,包括盐水的温度变化,和选择的监视点通道根据现场测试结果在冷冻和冷冻墙维护。从上面的研究主要是关于freezing-vertical轴的温度场分布,freezing-inclined轴的温度场分布仍然需要进一步的研究。

王,杨16)建立了平面有限元模型来模拟整个过程的地面frozen-shaft excavation-thawing。通过顺序耦合温度和应力场,冻结壁的应力规律在表层土壤部分解冻。刘等人。17]规模测试模型用于数值分析在复杂地层人工冻结在不同的温度下。Vitel et al。18)建模冻结管之间的热传递和周围的地面在AGF活动。Zhang et al。19]研究冻土的瞬态温度场与分布式光纤。结果显示之间的负相关和非相关的温度变化速度正常的冻土和初始含水量。刘和严20.]研究了冻结壁的形成和发展含水砂层的垂直直线冷冻条件下,研究了冻结壁温度场的分布规律在斜井。霁et al。21)提出了一个基于二维热传导模型和计算冻结壁的温度分布。王等人。22)用自制的测试装置研究温度场的法律和获取信息预测人工冻土的冻胀和数值模拟。他等。23),通过数值模拟分析和现场监测数据,研究了温度场的发展规律和冷冻墙在寒冷。张和Yu (24)利用有限元方法分析了冻结壁的形成和温度分布的人工冻结法。胡锦涛et al。(25]AGF建立温度场模型来研究土壤冰点的影响冻结壁厚。沈et al。26]研究了温度和含水率对砂岩热导率的影响的情况下使用AGF方法。金等。27]研究了有限元模型(FEM)和有限元分析在出口AGF轴。罗马et al。28]研究了AGF完全饱和土壤的热的问题。侯et al。29日]研究了冻结温度场分布规律的多排的管道在大断面斜井施工。姚明et al。(30.)建立了一个人工冻土温度场的计算模型,基于支持向量机算法,提出了一种核函数适用于温度场。任等。31日]研究了力学性能和冻结壁温度场的富水砂层结合室内物理力学试验、现场测量和有限元数值模拟。盛和魏32)测量了multicircle冻结壁的温度场和分析浅的问题部分,深冻结,冷能源浪费、开挖速度慢冻轴的早期阶段。然而,这些研究主要集中在冻结压力、温度场分布、和冻结壁之间的相互作用机理和炉墙freezing-vertical轴,但这些研究在温度和压力的分布规律freezing-inclined轴仍然是罕见的。

因此,这项工作主要集中在冻结工程主斜井在陕西北部。基于沉没freezing-inclined轴的特点,一组三维物理模拟试验系统被开发并用于完成的三维物理模拟试验。结果可以为类似工程提供参考。

2。工程背景

本研究是基于人工冻结法元Datan煤矿主斜井的陕北。主斜井的长度,倾角,净截面,净宽度,墙高,和拱高度是1303.3米,14°,16.3米2,5.0米,1.25米,2.5米,分别。在上节中,冷冻方法用于轴。冻结起始位置从井口80.215米,总倾向冰冻切片的长度是377米,横向长度是365.8米,冷冻的深度和垂直轴范围从20到111.3;的地层冻结交叉表所示1。

表1
的地层冻结的十字架。

水流入从主斜井被估计为1250米3从抽水试验/ h。垂直直线人工冻结法用于斜井。五冻结孔间距为2.35 m从每个在每一行。冻结壁的厚度在屋顶上,双方和底板是6.0,3.0,和5.0 m,分别。冻结孔的布局图所示1。


图1
斜轴截面与冷冻水管。

3所示。物理模型系统

基于斜冷冻方法的特点,freezing-inclined轴的三维物理模型系统。的系统是由外部环境模拟、冻结、模型箱,和加载;和数据采集系统数据所示2- - - - - -5。


图2
外部环境仿真系统。1:温度控制系统,2:孵化器的出现,3:冰箱,和4:室内的孵化器。

图3
冷冻系统。1:冷却液入口,2:冷却液出口,和3:冷冻管道。

图4
模拟箱和加载系统。1:反应设备;2:加载板。

图5
数据采集系统。1:静态应变仪,2:光学传感审问者,和3:振动弦的读者。

外部环境仿真系统图2由一个高低温环境实验室和温度控制系统,可模拟环境温度30−30°C。系统还可以保持实验室温度恒定和隔离实验室之间的热交换和外部环境来减少外部环境对物理试验模型的影响。冷冻系统图3由低收入和恒温反应浴和冻结管,和最低温度记录为−30°C。加载系统图4由一个水平承载板和反应槽钢。承载板是直接放置在箱子里,和两个加载板块是由橡皮板连接。反应槽钢固定在底板上的盒子,和水平加载板压了杰克。图的数据采集系统5由一个静态应变仪,振动线读者,光纤光栅传感器调节器,可以选择根据不同的测试内容。

4所示。物理模拟相似材料和标准

4.1。物理模拟材料

物理模拟测试是一种有效的方法解决复杂的问题,和类似的材料是这样的一个测试的关键。典型的沙子被用作相似材料在斜井的冰冻切片,和其热物理的参数在不同的温度下表所示2(33]。

表2
砂在不同温度下的热物理的参数。

密度降低、减少比热容、热导率减少,水和冻结潜热比率所示以下方程: 在哪里 和 原型材料的密度和物理模型,分别公斤/米3; 和 热容的原型材料和物理模型,分别J /(公斤·°C); 和 原型材料的热导率和物理模型,分别W / (m·°C); 和 的潜热值冻结水的原型材料和物理模型,分别kJ / m3。

4.2。几何缩放

模型的长度、宽度和高度是1.0,0.6,和1.0 m,分别。基于把原理、土壤内3 - 5倍隧道直径被选为研究样本。同时,基于三维物理模型的大小表,炉墙是相对地推出和推广使用几何比率1:50。因此,明确的宽度、高度和电弧炉墙模型的高度是100,25岁和50毫米。在物理模拟测试中,无缝铜管直径为6.35×0.7毫米用于冻结管,和行间距是42×200毫米。

4.3。温度定标

根据Kosovitch判据,温度定标可以用下列方程表示: 在哪里 和 的温度是原型材料和物理模型,分别°C; 是温度伸缩。

用方程(1)(2)给 ,这意味着原型的温度是一致的与物理模拟测试。

4.4。时间标度

基于傅里叶标准,时间尺度可以表达如下方程: 在哪里 和 有时的原型材料和物理模型,分别年代; 是时间尺度。用方程(1)和(2)方程(3)给 。

5。测试计划

5.1。测温点的布置

测点布置如图6。总共21个监视点被安排在测试温度。三个红点测量(1#到3#)是影响四个切向和轴向相邻的冷冻水管,被记录为监控部分即六个黑色点(4#到9#)被用来监测温度变化的边缘地带,被记录为监控部分。四个蓝色的测量(10点#到13#)是两个相邻影响冷冻管,如第III部分监测记录。八个绿点(14#至21日#)的影响下两个邻近管道轴向是记录为监控第四节。


图6
测温点的示意图表示布局。
5.2。布局的压力测量

压力传感器,显示器之间的力量改变轴和冻结壁在冻结期间,主要是安排在轴上。测点的布置如图7。


图7
压力传感器测量。

冷冻系统将开始后每个测点的数据的稳定。之后,每个传感器的数据将被记录下来。冻结壁表面的交点在冻结过程中具有不同的运行时间图所示8。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
(g)
(g)
(h)
(h)
(我)
(我)
(j)
(j)
(k)
(k)
(左)
(左)
图8
表面相交的冷冻墙。(一)引导2 h。(b)启动4 h。(c)引导8 h。(d)启动10 h。(e)启动24小时。(f)引导48 h。(g)引导72 h。(h)引导96 h。(我)引导120 h(停止冻结)。 (j) Shutdown 24 h. (k) Shutdown 48 h. (l) Shutdown 72 h.

6。分析测试结果

6.1。温度变化规律

每一个测点的温度变化规律如图9。冷源的稳定性的重要因素之一是确保冻结壁的稳定发展。从图9,花了6小时温度下降从27到0°C,冷却速率约为4.5°C / h。冷源的温度达到26−30°Cth小时的测试更改活动maintenance-freezing时期。maintenance-freezing温度设置为−20°C。冷源的温度开始增加36-42 h内由于温度设定值的变化和稳定在56th小时。之后,测试进入maintenance-freezing时期。停止在120年冻结th小时,海水淡化盐水在寒冷的温差不超过1°C,保证测试的顺利运行。


图9
温度的变化规律。

如图9点1#,2#,3#受到四个切向和轴向邻冷冻水管。在整个冻结过程中,每个测点的温度被划分为四个阶段。首先是一个快速冷却阶段,温度从27.4下降到0°C 1.37°C / h,最低温度是在48−15.6°Cth小时。此时,每个测点的温度高于−10°C,和测试了从积极到maintenance-freezing时期。在第二个阶段,是静止的,每个测点的温度稳定在56th小时后一个小温升,冻结进入维护期。第三阶段,即快速加热阶段,每个测点的温度迅速增加−12.1 0°C的34 h为0.38°C / h。在210年的th小时,每个测点的温度达到- 11.8°C。在第四阶段,稳定,各测点的温度稳定值平均为11.1°C。分4#,5#6#7#,8#,9#被用来监控沙子的温度变化的边缘区测试模型。从4点的距离#轴线是等于从6点#,而从5点的距离#轴线是等于从7点#。分8#和9#位于轴的两端。的冷却速度测量4点#和6#,5#和7#,8#和9#是相同的,值为0.92,0.82,和1.57°C / h,分别。在76年开挖th8小时暴露测点#76 h后,温度突然。分10#,11#,12#,13#被用来监控沙子的温度变化之间的两个相邻切向冻管道。每个测点的温度变化在1点都是一样的#9#在寒冷,快速冷却,静止不动的,快速加热,稳定阶段。每个测点的温度变化是相同的冷却速度是大约2.79°C / h。在测试期间改变从积极到maintenance-freezing期间,10点的温度#-13年#小于4点吗#9#由于邻近点10#-13年#冻结管。因此,一个更大的冷却能力。测量分14#,15#、16#,17#,18#,19岁#,20#,21#监控沙子的温度变化之间的两个相邻冻结管在轴向方向。每个测点的温度变化在4点都是一样的#-13年#在寒冷,冷却速率约为1.96°C / h。

总之,分10的冷却速率#-13年#是最快的,其次是14点吗#-21年#然后点1#3#。10点的冷却速率#-13年#是最慢的,因为较小的距离10点吗#-13年#和14#-21年#的冷源相比,从14分#-21年#和点1#3#,分别。此外,距离点1#3#点的冷源是小于4#9#。

冻结壁的热传导过程如图10;r1冻结管的半径,r2冻结壁的半径,r是某一个点的半径在冰冷的墙,和dr是微观单位的半径。T1和T2气温冷源和冻结壁的外边界。根据傅里叶导热定律,冻结壁的传热速率所示以下方程: 在哪里l冻结管长度和吗 代表了热导率。


图10
热传导的冷冻墙。

方程(4)表明,传热速率正比于温度差异和距离成反比。在冻结过程中,时间等于和温差是常数,所以传热速率与距离有关。距离越大,传热速率越小,冷却速率越慢。

方程(4)和物理模拟试验结果表明,冷源的距离冷却速率都有着重大影响。

6.2。冻结压力的分布和变化

冻结压力的分布和变化,如图所示11。点2#4#6#,8#,10#,12#监控垂直冻结压力。最大垂直冻结压力是353.86 kPa 48th小时,增加的速度是7.32 kPa / h。从图9冻结壁温度最低,48th小时。同时,最小值和初始温度−13.2和27.1°C,分别;因此增加的速度垂直冻结压力与温度是8.78 kPa /°C。点1#3#,5#7#,9#,11#监控水平冻结压力。此外,最大垂直冻结压力是119.55 kPa 48th小时的增量率2.49 kPa / h和水平冻结压力随温度的增加率是2.97 kPa /°C。此外,垂直冻结压力水平冻结压力的2.96倍。

(一)
(一)
(b)
(b)
图11
低冻结压力变化。(一)垂直冻结压力。(b)水平冻结压力。

如数据所示9和11,温度变化显著影响冻结压力。active-freezing期间,温度迅速降低,而冻结压力迅速增加。在56冻结压力趋于稳定th小时,因为每个测点的温度稳定。冻结在120年停止th时候冻结壁的温度增加,冻结压力开始减少。

7所示。现场测量和合理性验证的测试模型

验证三维物理模拟试验方案的合理性提出在这项研究中,实地测量的冻结壁温度和压力。温度和冻结压力监测点如图12。

(一)
(一)
(b)
(b)
图12
现场监视点。(一)温度监视点。(b)冻结压力监视点。
7.1。现场测量结果的分析
安装7.1.1。温度

冻结壁温度的测量结果如图所示13。砂的冷却速率active-freezing时期大约是线性随着时间的推移,和三个测温点之间的温差很小。在active-freezing期间,1的冷却速率k #是最快的,因为它接近冰冷的管道,而2k #和3k #是相等的。当冻结期进入维护期,第1点的温度k #低于2点吗k #和3k #,由于靠近冻结管道。沙子在这个阶段表现出更快的冷却速率。点1的冷却率k #,2k #,3k #是25.61,25.32,和25.35 mm / d,分别。


图13
测量温度。
7.1.2。冻结压力

压力和温度的测量结果如图所示14。由于大量的水化热产生的井筒支护的混凝土浇筑,当地的冻结壁的温度场增加到最高温度为16.7°C。当混凝土的水化热散去时,冻结壁开始结冻的第六天,和冻结压力增加。在17日冻结停止th一天,冻结壁开始解冻。因此,冻结壁的支持效果减少,和周围的水和土压力主要是由轴承担。然后传感器压力370.76 kPa的高潮。

(一)
(一)
(b)
(b)
图14
测量(a)和(b)温度压力。
7.2。比较分析
7.2.1。温度

测量分11#4#、6#对应测点1k #,2k #,3k #,分别。基于时间尺度,测点的实际温度的倒数对应物理模拟中的每个测点的温度测试计算和绘制(图15)。图15表明,由于某些差异现场和室内物理模拟测试,物理模拟的温度不能完全匹配与现场测量数据,但是所有的冷却法测量点都是平等的,这表明三维物理模拟试验方案人工freezing-inclined轴在这项研究是可行的和更好的反映了人工freezing-inclined轴冷却的一般规律。


图15
测试和测量的温度曲线比较。
7.2.2。冻结压力

active-freezing期间,冻结压力和温度之间的关系可以表示一个二次多项式,见以下方程: 在哪里 , ,和 拟合系数。

监测仪器嵌入式开挖后实际的项目,因为这些测试模型的嵌入式提前。这种差异导致不同的冻结压力变化的场景。然而,混凝土水化热消散后,冻结壁开始冻结。在这样一个过程中,温度变化之间的关系和冻结压力预计将满足方程(4),如图所示16。并给出了拟合系数表3。


图16
计算和测量低温冷冻压力曲线。
表3
拟合系数。

从图可以看出16温度和冻结压力的计算结果与测量结果是一致的,这也进一步表明,三维物理模拟试验方案人工freezing-inclined轴的这项工作是合理的、可靠的。

8。结论

在这项研究中,三维物理模拟测试系统开发测试人工freezing-inclined轴垂直的直线和冻结壁的进行实地测量温度和压力。这项研究的结果可以概括如下:(1)三维物理模拟测试系统的开发;模型之间的比较和实际测试结果显示三维物理模拟的合理性和可靠性测试系统。(2)理论分析、测试模型和现场测量结果表明,冷源的距离明显影响冷却速率,和接近冻结管增加了冻结壁的冷却速度。(3)温度变化显著影响冻结压力;冻结压力和温度之间的关系可以表示一个二次多项式。此外,冻结压力时间给出了拟合公式,温度和冻结压力的计算结果与测量结果一致。

数据可用性

所有生成的数据或分析在这个研究包含在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(没有。51979218),国家自然科学基金会的联合基金项目(没有。陕西U1965107),自然科学基金(2019号金桥- 832和2018 jm5118),一般特殊的陕西省教育部科学研究项目(没有。20 jk0985),和延安大学的博士研究创业项目(没有。YDBK2018-25)。