深冻结井冻融规律与井壁注浆优化

1、汇报人汇报人 ：张瑞张瑞 博士生博士生安徽理工大学冻土研究所安徽理工大学冻土研究所2011 年年 10 月月 24 日日深冻结井冻融规律与深冻结井冻融规律与井壁注浆优化设计井壁注浆优化设计Anhui University of Science and Technology1绪论绪论 目前，我国冻结法凿井的理论与技术，较为成熟的冻结深度在目前，我国冻结法凿井的理论与技术，较为成熟的冻结深度在450m以内。当冻结深度超过以内。当冻结深度超过450m时，冻结法至少存在了三个时，冻结法至少存在了三个问题：问题：（1）冻结壁的设计无规范可依。）冻结壁的设计无规范可依。（2）对深表土地层多圈管冻结下冻结壁

2、的形成特性及其力学）对深表土地层多圈管冻结下冻结壁的形成特性及其力学 特性的认识尚不充分。确保冻结壁的强度和稳定性，首先特性的认识尚不充分。确保冻结壁的强度和稳定性，首先 需要掌握冻结壁的形成及其发展性状、掌握冻结壁材料的需要掌握冻结壁的形成及其发展性状、掌握冻结壁材料的 力学特性及其本构模型等。力学特性及其本构模型等。（3）冻结融化后、壁后注浆时机的确定和参数选取。）冻结融化后、壁后注浆时机的确定和参数选取。Anhui University of Science and Technology冻结壁设计是冻结法凿井的核心，关系到工程的成败与经冻结壁设计是冻结法凿井的核心，关系到工程的成败与经济

3、成本，全面掌握多圈管冻结壁冻融规律，对冻结法凿井设计济成本，全面掌握多圈管冻结壁冻融规律，对冻结法凿井设计和井壁注浆提供科学指导。和井壁注浆提供科学指导。目标：通过相似模型试验、实测和理论分析，掌握多圈管目标：通过相似模型试验、实测和理论分析，掌握多圈管冻融和冻结壁在三场耦合作用下的形成特性，并在此条件下分冻融和冻结壁在三场耦合作用下的形成特性，并在此条件下分析、计算深井冻结壁的力学特性和确定壁后注浆参数。析、计算深井冻结壁的力学特性和确定壁后注浆参数。 1绪论绪论Anhui University of Science and Technology一、研究方案及内容一、研究方案及内容1.1试验

4、研究试验研究 深部冻土物理、力学性能试验；多圈管冻结壁形成模型模型试验。深部冻土物理、力学性能试验；多圈管冻结壁形成模型模型试验。1.2现场实测研究现场实测研究 冻融温度场的发展规律、冻结壁内部冻胀应力和位移的变化。冻融温度场的发展规律、冻结壁内部冻胀应力和位移的变化。1.3理论研究理论研究 推导人工冻土本构模型、冻土导热系数反演、根据模型试验提出水推导人工冻土本构模型、冻土导热系数反演、根据模型试验提出水热力耦合计算模型；综合模型试验、实测结果和数值模拟，提出井热力耦合计算模型；综合模型试验、实测结果和数值模拟，提出井壁合理注浆时机。壁合理注浆时机。1绪论绪论Anhui University

5、 of Science and Technology课题研究内容及技术路线课题研究内容及技术路线二、技术路线二、技术路线1绪论绪论Anhui University of Science and Technology 通过相似准则的推导，可以得出冻结壁模型试验和原型的相通过相似准则的推导，可以得出冻结壁模型试验和原型的相似关系。似关系。序号序号物理量物理量相似比（相似比（n n）1 1内摩擦角、空隙比、泊松比、冻结温度、含水内摩擦角、空隙比、泊松比、冻结温度、含水量量1 12 2应力、位移、弹性模量应力、位移、弹性模量1:n1:n3 3冻结时间缩比冻结时间缩比1:n1:n2 24 4冻土扩展速度

6、冻土扩展速度1:n1:n2 22.1相似准则相似准则2 冻融模型试验研究冻融模型试验研究 Anhui University of Science and Technology 2.2.1模型设计模型设计采用三种冻结方案采用三种冻结方案, 模拟冻结壁形成和融化过程的水热力耦合过程。模拟冻结壁形成和融化过程的水热力耦合过程。项项 目目模型模型1模型模型2模型模型3外圈孔外圈孔/m2.672.572.50中圈孔中圈孔/m2.001.861.76内圈孔内圈孔/m1.501.301.30外圈孔间距外圈孔间距/m0.2660.2420.226中圈孔间距中圈孔间距/m0.1840.1720.162内圈孔间距

7、内圈孔间距/m0.3660.3420.326冻结管规格冻结管规格/mm107盐水温度盐水温度/-322.2模型试验模型试验2 冻融模型试验研究冻融模型试验研究 Anhui University of Science and Technology 2.2.22.2.2元件布置元件布置12345691#2#3#4#5#6#温度监测线小压力盒272#204#271#293#大压力盒6002603301#6#1#2#6#4#5#3#模 型 1模 型 2模 型 31234569温度监测线6002603301#6#模 型 1模 型 2模 型 35#4#3#2#水份仪北北464748495051525354

8、373839404142434445282930313233343536101112131415161718192021222324252627600240260600150250第一水平元件布置示意图(50cm)第二水平元件布置示意图(85cm)2#3#4#5#10111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535460024026060015025087782.2模型试验模型试验2冻融模型试验研究冻融模型试验研究 Anhui University of Science

9、 and Technology 2.2.3 模型试验系统模型试验系统模型试验台模型试验台数据采集系统数据采集系统2.2模型试验模型试验2冻融模型试验研究冻融模型试验研究 Anhui University of Science and Technology 压力盒埋设压力盒埋设水分传感器埋设水分传感器埋设温温度度感感器器埋埋设设2.2.3 模型试验系统模型试验系统2多圈管冻结壁形成及融化模型试验研究多圈管冻结壁形成及融化模型试验研究 2.2模型试验模型试验Anhui University of Science and Technology 2.2.4 模型试验模型试验2多圈管冻结壁形成及融化模型

10、试验研究多圈管冻结壁形成及融化模型试验研究 2.2模型试验模型试验冻结过程冻结过程融化过程融化过程Anhui University of Science and Technology 2.2.4 模型试验模型试验2多圈管冻结壁形成及融化模型试验研究多圈管冻结壁形成及融化模型试验研究 2.2模型试验模型试验水化热模拟水化热模拟 Anhui University of Science and Technology 2.3.1模型试验结果模型试验结果-测点冻融温度测点冻融温度 0255075100125150175200225250275300-25-20-15-10-5051015温度/时间/h

11、CDW1 CDW2 CDW30停机时间：108h0255075100125150175200225250275300-25-20-15-10-5051015温度/时间/h CDW4 CDW5 CDW60停机时间：108h冻融过程温度随时间变化冻融过程温度随时间变化2.3模型试验结果模型试验结果2冻融模型试验研究冻融模型试验研究 Anhui University of Science and Technology 2.3.2模型试验结果模型试验结果-冻胀力分布冻胀力分布 冻融过程冻结壁内部冻胀力随时间分布冻融过程冻结壁内部冻胀力随时间分布02550751001251501752002252502

12、75300-25-20-15-10-5051015202530时间/h 温度曲线 1#冻结压力曲线时间/h温度/0.000.020.040.060.080.100.120.14冻结压力/MPa002550751001251501752002252502753000.00.10.20.30.40.50.6 温度/时间/h 1# 2# 3# 4# 5# 6#2.3模型试验结果模型试验结果2冻融模型试验研究冻融模型试验研究 Anhui University of Science and Technology 2.3.2模型试验结果模型试验结果-冻结压力分布冻结压力分布 冻结压力沿径向随时间分布冻结压

13、力沿径向随时间分布02550751001251501752002252502753000.000.050.100.150.200.250.300.35冻结压力MPa时间/h 204#压力盒 271#压力盒 272#压力盒 293#压力盒020406080100120140-30-25-20-15-10-505101520距离/cm 温度曲线 50h冻结压力曲线距离/cm温度/0.00.10.20.30.40.5冻结压力/MPa0作用在井壁上的冻结压力随时间分布作用在井壁上的冻结压力随时间分布2.3模型试验结果模型试验结果2冻融模型试验研究冻融模型试验研究 Anhui University of

14、 Science and Technology 2.3.3模型试验结果模型试验结果-水分迁移分布水分迁移分布 测点含水量随时间分布测点含水量随时间分布02040608010012014032343638 1#含水量曲线 温度曲线时间/h含水量/%-25-20-15-10-505101520253035温度/020406080100120140323436384042 2#含水量曲线 温度曲线时间/h含水量/%-25-20-15-10-505101520253035温度/2.3模型试验结果模型试验结果2冻融模型试验研究冻融模型试验研究 Anhui University of Science an

15、d Technology 2.4.1模型试验结果模型试验结果-冻结壁参数冻结壁参数 参参 数数模型一模型一模型二模型二模型三模型三相似比相似比678交圈时间（交圈时间（h）252322冻结壁厚度（冻结壁厚度（m）0.750.790.83冻结壁平均温度（冻结壁平均温度（）-13.0-13.8-15.2冻结时间（冻结时间（h）108108108融化时间（融化时间（h）180192210地层初始温度（地层初始温度（）8.58.58.5融冻时间比融冻时间比1.671.771.942.4模型试验结果分析模型试验结果分析2冻融模型试验研究冻融模型试验研究 Anhui University of Scien

16、ce and Technology 2.4.2模型试验结果模型试验结果-融冻时间与冻结壁平均温度的关系融冻时间与冻结壁平均温度的关系 203040501.651.701.751.801.851.901.95 模型试验 拟合曲线K=1.44393-0.01115(T+T0)dn)融化与冻结时间比值冻结壁平均温度和厚度的乘积2.4模型试验结果分析模型试验结果分析2冻融模型试验研究冻融模型试验研究 Anhui University of Science and Technology3 3冻融过程现场实测冻融过程现场实测l 实测内容：冻结温度场、冻结应力场、孔隙水压力、实测内容：冻结温度场、冻结应力场

17、、孔隙水压力、井帮温度、外层井壁冻结压力、冻结壁与井壁内部温井帮温度、外层井壁冻结压力、冻结壁与井壁内部温度等。度等。Anhui University of Science and Technology测点布置测点布置冻融温度与井壁内外荷载实测方案冻融温度与井壁内外荷载实测方案3 3冻融过程现场实测冻融过程现场实测Anhui University of Science and Technology测试元件测试元件 冻结壁内部冻胀力、孔隙水压力、冻结压力实测冻结壁内部冻胀力、孔隙水压力、冻结压力实测3 3冻融过程现场实测冻融过程现场实测Anhui University of Science an

18、d Technology 钢筋计及现场安装图钢筋计及现场安装图 3 3冻融过程现场实测冻融过程现场实测Anhui University of Science and Technology冻结壁内部冻胀力与孔隙水压力测试结果冻结壁内部冻胀力与孔隙水压力测试结果 0501001502002503003504004505005500.00.81.62.43.24.04.85.6开挖至测试层位/160天压力（MPa）时间（天数） T3孔 SP0702 SP0704 SP0724 SP0720停机时间/223天 冻结壁内部冻胀力随时间冻结壁内部冻胀力随时间变化曲线变化曲线3 3冻融过程现场实测冻融过程现

19、场实测冻结壁内部孔隙水压力随时冻结壁内部孔隙水压力随时间变化曲线间变化曲线040801201602002402803203604004404805200.81.62.43.24.04.85.66.4开挖至测试层位/160天孔隙压力（MPa）时间（天数） 孔隙水压力 VPI8004（T2孔） VPI8000（T3孔）停机时间223天Anhui University of Science and Technology冻结壁与井壁内部温度结果冻结壁与井壁内部温度结果 冻结壁内部温度变化曲线冻结壁内部温度变化曲线 井壁内部温度变化曲线井壁内部温度变化曲线 0306090120150180210-12-

20、8-404812162009-7-213#:8.92#:7.91#:4.42#3#1#温度/时间/d 1#距离井帮500mm 2#距离井帮250mm 3#距离井帮0mm停机时间（2009-3-13）井帮冻结壁-255m水平（细砂）东侧冻结壁内部温度监测数据01020304050607001530456075测试线破坏无后期数据温度/时间/d 9#测点 10#测点（温度测点均布置在井壁外边缘）-255m水平（细砂）南侧井壁内部温度3 3冻融过程现场实测冻融过程现场实测Anhui University of Science and Technology冻结压力、钢筋应力分布冻结压力、钢筋应力分布

21、冻结压力随时间变化曲线冻结压力随时间变化曲线 冻结井壁钢筋应力随时间变化曲线冻结井壁钢筋应力随时间变化曲线 0306090120150180210-3036912应力/MPa时间/d-296m水平（粘土）冻结压力图东北侧东南侧西北侧西北偏西侧西南偏西侧0306090120150180210-40-20020406080100120停机时间2009-3-13 东南-295米水平（粘土）钢筋计（竖筋）应力实测曲线西北西南东北应力/MPa测试时间/d截止至2009-7-21 201天3 3冻融过程现场实测冻融过程现场实测Anhui University of Science and Technolo

22、gy冻融温度分布冻融温度分布 冻融温度随时间的变化曲线冻融温度随时间的变化曲线050100150200250300350400-25-20-15-10-50510152025T4T3T2T1测温孔温度/时间/d停机时间/d箕斗井-80m粘土层冻结温度曲线截止时间/d（2009-8-4）050100150200250300350400-25-20-15-10-50510152025T3T2测温孔温度/时间/d停机时间/d箕斗井-283m细砂层冻结温度曲线截止时间/d（2009-8-4）T13 3冻融过程现场实测冻融过程现场实测Anhui University of Science and Tec

23、hnology 4冻土导热系数反演冻土导热系数反演-16-14-12-10-8-6-4-2021.651.701.751.801.851.901.952.00导热系数/W/(mK)温度/ D01 D02 D03 D04 D05 D06 D07 D08 D09 D10 D11 D12 D13 D14导热系数与温度的关系图图6.5 冻土导热系数与温度的关系冻土导热系数与温度的关系baT 用线性函数拟合：用线性函数拟合：一般对于砂土：一般对于砂土：a=0.19-0.22b=1.68-1.75一般对于粘土：一般对于粘土：a=0.18-0.20b=1.65-1.72Anhui University of

24、 Science and Technology 水份场分布规律水份场分布规律5冻融多物理场耦合研究冻融多物理场耦合研究0255075100125150175200225250275300-25-20-15-10-5051015温度/时间/h CDW48数值模拟 CDW48模型试验 0停机时间：108h05101520253035404550303234363840含水量/时间/h21曲线1：数值模拟曲线2：模型试验冻融温度场分布规律冻融温度场分布规律Anhui University of Science and Technology 冻结压力分布规律冻结压力分布规律5冻融多物理场耦合研究冻融多

25、物理场耦合研究010203040500.00.10.20.30.4冻结压力/MPa时间h 模型实测值 数值模拟值050100150200250300350400450500550600-30-25-20-15-10-5051015202530C3孔C2孔温度/时间/dC4孔冻融温度场分布规律冻融温度场分布规律Anhui University of Science and Technology 6冻结井壁注浆参数及优化设计冻结井壁注浆参数及优化设计矿井矿井名称名称井筒井筒名称名称井筒井筒直径直径（m）冻结冻结壁厚度壁厚度（m）交圈交圈时间时间（d）冻结冻结总工期总工期（d）注浆距注浆距停机时间停

26、机时间（d）注浆距停注浆距停机机时间时间/冻结时间冻结时间注浆效果注浆效果顾顾桥桥矿矿南南区区进进风风井井8.66.4652232130.96注浆前注浆前46方方/h水，注浆后水，注浆后24方方/h水，效果水，效果不佳。不佳。回回风风井井7.24.3532142060.96注浆前注浆前2方方/h左左右水，注浆后右水，注浆后1方方/h水左右。水左右。谢谢桥桥矿矿改改扩扩建建工工程程中中央央风风井井7.55.1511973191.62井筒到底注浆井筒到底注浆，注浆前，注浆前3.7方方水水/h，注浆后，注浆后1.7方方/h。二二副副井井8.25.3801862831.52井筒到底注浆井筒到底注浆，注

27、浆前，注浆前1.8方方水水/h，注浆后，注浆后0.5方方/h。Anhui University of Science and Technology 6冻结井壁注浆参数及优化设计冻结井壁注浆参数及优化设计矿井矿井名称名称井井筒筒名名称称井筒井筒直径直径（m）冻结冻结壁厚度壁厚度（m）交圈交圈时间时间（d）冻结冻结总工期总工期（d）注浆距注浆距停机时停机时间间（d）注浆距停注浆距停机机时间时间/冻结时间冻结时间注浆效果注浆效果箕箕斗斗井井7.66.1502361340.57井筒施工至井筒施工至680m水平注浆，注浆水平注浆，注浆前前1方水方水/h左右，注浆后左右，注浆后0.3方方/h。潘潘一一东东

28、区区主主井井7.63.8421733021.75井筒到底后注浆，注浆前井筒到底后注浆，注浆前46方方水水/h，注浆后，注浆后1方方/h左右。左右。副副井井8.64.1651852841.54井筒到底后注浆，注浆前井筒到底后注浆，注浆前3.6方水方水/h，注浆后，注浆后0.8方方/h左右。左右。风风井井8.04.3681391641.18井筒施工至井筒施工至791m处注浆，注浆前处注浆，注浆前9.1方水方水/h，注浆后，注浆后0.2方方/h。Anhui University of Science and Technology 6冻结井壁注浆参数及优化设计冻结井壁注浆参数及优化设计可以看出可以看出

29、（1）冻结壁的融化周期直接关系到井筒壁间注浆效果。）冻结壁的融化周期直接关系到井筒壁间注浆效果。（2）合理的壁间注浆时机应该是在冻结壁即将进入融化阶段。）合理的壁间注浆时机应该是在冻结壁即将进入融化阶段。 （3）融冻时间比：与冻结深度、井筒直径、冻结壁厚度成正）融冻时间比：与冻结深度、井筒直径、冻结壁厚度成正比。比。 Anhui University of Science and Technology 7主要结论主要结论 通过模型实验、现场实测、数值模拟全面揭示了深冻结井多圈管水热力耦通过模型实验、现场实测、数值模拟全面揭示了深冻结井多圈管水热力耦合规律。合规律。冻融温度场温度场发展规律冻融温

30、度场温度场发展规律冻结温度场变化规律：经历三个阶段，分别为：积极冻结期的温度快冻结温度场变化规律：经历三个阶段，分别为：积极冻结期的温度快速下降阶段；消极冻结期的温度缓慢平稳下降阶段；停机后的温度缓速下降阶段；消极冻结期的温度缓慢平稳下降阶段；停机后的温度缓慢回升阶段。慢回升阶段。冻结壁与井壁内部温度相互规律：混凝土水化热发生时的冻结壁局部冻结壁与井壁内部温度相互规律：混凝土水化热发生时的冻结壁局部升温和井壁温度急剧升高、水化热后的冻结壁和井壁回冻、停机后的升温和井壁温度急剧升高、水化热后的冻结壁和井壁回冻、停机后的冻结壁和井壁回温。冻结壁和井壁回温。融冻时间比：融冻时间比： 冻结壁的冻结和融

31、化时间比值可以用一次函数来拟合，该值介于冻结壁的冻结和融化时间比值可以用一次函数来拟合，该值介于1.6-2.0之间，且与环境温度、土层性质、冻结壁厚度和平均温度有关。之间，且与环境温度、土层性质、冻结壁厚度和平均温度有关。对于砂土，融化时间是冻结时间的对于砂土，融化时间是冻结时间的1.3-1.7倍之间，而对于粘土处于倍之间，而对于粘土处于1.6-2.0之间。融冻时间与冻结壁厚度、冻结深度、井筒直径成正比关系。之间。融冻时间与冻结壁厚度、冻结深度、井筒直径成正比关系。导热系数：导热系数：导热系数与负温的关系可以采用一次函数来拟合，相关系数导热系数与负温的关系可以采用一次函数来拟合，相关系数0.98以上以上Anhui University of Science and Technology7主要结论主要结论水份场分布规律水份场分布规律 对于三圈管冻结，内圈冻结管以内和外圈冻结管以外区域，土体的含水量对于三圈管冻结，内圈冻结管以内和外