特厚冲积层中冻结井外壁温度实测研究.pdf

第3 5 卷第4 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 5N o ．4 2 0 0 6 年7 月 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g yJ u l ．2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 4 0 4 6 8 - 0 5 特厚冲积层中冻结井外壁温度实测研究 王衍森，黄家会，杨维好，任彦龙 国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州 ，宋雷 2 2 1 0 0 8 摘要通过对龙固副井冻结凿井期间外壁与冻结壁温度的现场实测，研究了冻结壁温度场对外壁 水化热温度场的影响，获得了特厚冲积层冻结凿井期间外壁及冻结壁温度变化的基本规律．研究 表明内部高水化热的释放，使外壁混凝土获得了至少1 7d 的正温养护时间，其早期强度增长不 受低温影响；同时，高水化热的释放导致井壁内外出现较大温差 甚至超过2 5 ℃ ，增大了温度裂 缝控制的难度；水化热的向外传导还导致壁后冻土的显著升温及局部融化，对外壁受力造成了不 利影响。 关键词冻结凿井；外壁；冻结壁；温度；现场测量 中图分类号T D2 6 5 ．3 4文献标识码A T e m p e r a t u r eM e a s u r e m e n to fO u t e rS h a f tW a l l D u r i n gF r e e z i n gS i n k i n gi nD e e pA l l u v i u m W A N GY a n s e n ，H U A N GJ i a h u i ，Y A N GW e i h a o ，R E NY a n l o n g ，S O N GL e i S c h o o lo fA r c h i t e c t u r e C i v i lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ei n s i t um e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r ed u r i n gf r e e z i n gs i n k i n g ，t h ei n f l u e n c eo ft h et e m p e r a t u r ef i e l do fi c ew a l lo nt h a to fo u t e rs h a f tw a l lw a ss t u d i e d ．T h eb a s i cr u l e s o ft h et e m p e r a t u r ev a r y i n gw e r eo b t a i n e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r eo fo u t e rs h a f t w a l lk e p tp o s i t i v ef o ra tl e a s t17d a y sd u et ot h em a s s i v eh y d r a t i o nh e a t ，c o n s e q u e n t l y ，t h ee a r l yp e r i o ds t r e n g t ho ft h es h a f tw a l lw a sn o ta f f e c t e d ．P r o m i n e n tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e s e v e n e x c e e d i n g2 5 ℃ b e t w e e nt h ei n t e r i o ra n dt h ee x t e r i o ro ft h es h a f tw a l l ，w h i c hw e r ea l s o b r o u g h tb yt h em a s s i v eh y d r a t i o nh e a t ，m a d ei tm o r ed i f f i c u l tt oc o n t r o lt e m p e r a t u r ec r a c k s ． T h em a s s i v eh y d r a t i o nh e a ta l s ol e dt ot e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gp r o m i n e n t l ya n dt h a w i n go ff r o z e ns o i li nt h ei c aw a l l ，w h i c hw e r eu n f a v o r a b l et ot h eo u t e rs h a f tw a l l ． K e yw o r d s f r e e z i n gs i n k i n g ；o u t e rs h a f tw a l l ；i c ew a l l ；t e m p e r a t u r e ；i n - s i t um e a s u r e m e n t 深厚冲积层冻结井外壁多采用现浇高强混凝 土，属大体积混凝土结构[ 1 吒] ．外壁水泥水化热温度 场与冻结壁温度场产生相互影响，一方面，水化热 导致壁后冻土升温甚至融化，使冻结壁强度下降， 变形加剧；另一方面，冻结壁冷量向井壁传递使混 凝土养护温度下降，影响其早期强度增长．因此，开 展冻结凿井期间外壁与冻结壁温度的实测研究具 有重要的意义．我国对冻结凿井类似的研究已有所 开展，但是深度一般较小．对深度超过4 0 0m 甚至 5 0 0m 的冲积层冻结凿井工程，类似的研究还很 有限∞] ． 龙固煤矿副井采用冻结法穿过深达5 6 7 ．7m 收稿日期2 0 0 5 1 0 一1 1 基金项目国家自然科学基金重点项目 5 0 5 3 4 0 4 0 。 作者简介王衍森 1 9 7 3 一 ，男，山东省邹城市人，副教授，工学博士，从事岩土特殊施工技术方面的研究 E - m a i l y s w a n g c u r e t ．e d u ．a n T e l 0 5 1 6 8 3 8 8 3 1 7 0 万方数据 第4 期王衍森等深厚冲积层中冻结井外壁温度实测研究4 6 9 的冲积层，冻结深度为6 5 0r n ，是截止到2 0 0 5 年， 国内采用冻结法成功穿过冲积层厚度最大、冻结深 度最大的井筒，名列世界前茅[ 6 ‘7 ] ．该井筒净直径设 计为7I T I ，冻结段采用双层现浇钢筋混凝土复合井 壁．其中，3 8 0m 深度以下外壁先后采用C 6 0 ，C 6 5 ， C 7 0 高强混凝土，外壁最大设计厚度为11 5 0m m ． 为保证施工安全，龙固副井冻结凿井采用信息 化施工技术，开展了大量工程信息的监测．外壁及 冻结壁的温度监测就是其中的重要内容之～． 1 测试方案 龙固副井冻结凿井过程中，共在7 个层位中开 展了井壁、冻结壁温度测试 表1 ． 表1温度监测层位 T a b l e1 L a y e rl o c a t i o no ft e m p e r a t u r em o n i t o r i n g 井壁内的温度测点沿壁厚方向，由井壁内缘 向外，均布1 1 个测点，依次记做j 1 - - J 1 1 ． 8 0 6 0 24 0 越 赠2 0 0 ．2 0 01 02 0 3 0 4 05 06 0 7 08 09 01 0 0 浇筑后经历的时问／d a 温度随时间的变化 壁后冻土内的温度测点沿径向，从井帮表面 向冻结壁内施工深4 0 0m m 的钻孔 钻孔垂直于井 帮 ，钻孔内设置9 个测点，依次记做D 1 ～D 9 图1 ． ／泡沫扳 j 2儿lD ID 9 外壁冻结壁 图1温度测点位置 F i g ．1 P o s i t i o no ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t 每个测点设置“铜一康铜热电偶”测温探头，采 用远程控制数据采集仪进行长时、自动监测．监测 从外壁浇注开始，持续至套壁即本层位下方约 1 0r n 处时停止． 2 测试数据及分析 2 ．1 外壁的温度 典型的“外壁最高、最低温度及内外最大温差” 变化曲线见图2 a ；0 ～3 0d 内的典型温度径向分布 曲线见图2 b 横坐标0 ，1 1 ，⋯，1 1 0 分别对应于J 1 ， J 2 ，⋯，J l l 测点 ，均为第5 层位测试曲线，其余层 位与之类似． 7 0 6 0 羁 l O 0 ．I O 0l l2 2 3 34 45 56 67 7 8 89 91 1 0 到井壁内表面的距离／c m b 温度的径向分布 图2外壁温度 F i g ．2T e m p e r a t u r ei no u t e rs h a f tw a l l 由井壁降温曲线可见，外壁浇筑后温度变化过 程可分为4 个阶段 图2 a 急剧升温段，浇筑后温度达到峰值前，内外温 差急剧增大； 快速线性降温段，出现温度峰值时至浇筑后约 7d ，近似线性降温，内外温差减小； 非线性降温段，浇筑后7 ～2 0d ，曲线呈非线 性，降温速度趋缓，内外温差趋于稳定； 缓慢匀速降温段，浇筑后2 0d 到内壁套壁前 一定时间，平稳降温，内外温差变化很小． 井壁温度的径向分布具有以下特征 图2 b 外壁浇筑后o ～1 0d ，径向温度呈抛物线型分 布，内部高，表面低．最高温度普遍出现在J 6 到J 8 测点之间，距井壁内表面约为壁厚的0 ．6 ～0 ．8 倍． J l l 比儿普遍高l O ～2 0 ℃． 外壁浇筑l Od 后，径向温度逐渐趋于外表面 低、内表面高、近似线性的分布规律，井壁内、外表 面温差一般不超过5 ℃．表明此时冻结壁冷量输入 已占主导地位． 根据各层位井壁温度测值，整理得到外壁浇筑 后，井壁温度变化的重要数据 表2 ． d d d Ⅻ”m∞∞ } } } } } } 万方数据 4 7 0中国矿业大学学报第3 5 卷 表2外璧温度测试结果 T a b l e 2M e a s u r e m e n tr e s u l t so ft e m p e r a t u r ei no u t e rs h a f tw a l l 监测层位及深度／m 第1 层第2 层第3 层第4 层第5 层 2 9 8 ．8 24 0 0 ．8 24 3 1 ．0 24 6 4 ．8 54 9 4 ．4 8 第6 层 5 3 2 ．7 3 第7 层 5 4 9 ．8 8 掘砌施工段高／m 工作面环境温度／℃ 井帮平均温度／℃ 混凝土入模温度／℃ 浇注后最高温度／℃ 最高温度出现时间／d 内外最大温差／℃ 外表面进入0 ℃时间／d 内表面进入O ℃时间／d 3 ．0 0 6 ．2 4 8 ．9 1 2 2 ．7 6 1 。3 ’ 0 ．9 0 ’ 3 ．0 0 1 ．6 8 1 6 ．6 8 1 6 ～1 7 6 9 ．8 0 ．9 2 2 0 ．1 2 5 ．1 3 8 ．2 * ．因故障后续测试中断，未得到真正的最高温度及对应的时间． 由表2 数据可见，深厚冲积层冻结井外壁高强 混凝土浇筑后 1 水化生热量大，升温迅速 外壁浇注后0 ．9 2 ～1 ．2d ，井壁温度达到峰值， 第2 ～7 层位的外壁最高温度为6 2 ．4 ～7 3 ．2 ℃； 第1 层位外壁最高温度也不低于6 1 ．3 ℃． 2 井壁内外温差显著 第2 ～5 层位外壁内外的最大温差为1 8 ．2 ～ 2 2 ．8 ℃；第6 ，7 层位分别为2 5 ．9 ，2 7 ．7 ℃．可见， 随深度增大，井帮及环境温度降低，井壁内外最大 温差最终超过了2 5 ℃，井壁温度裂缝难度加大． 3 混凝土正温养护时间随深度增加而缩短 外壁全断面正温养护时间，第2 ～7 层位分别 为2 7 ．8 ，2 4 ．2 ，2 5 ．1 ，2 3 ．6 ，1 7 ．6 和1 7 ．2d ；全断面 进入负温状态的时间则分别为4 8 ．4 ，4 1 ．8 ，3 8 ．2 ， 3 5 ．9 ，2 5 ．9 ，2 1 ．8d ．可见，随深度增加、井帮及井内 环境温度降低，井壁全断面正温养护时间缩短． 可见，上述监测层位处外壁混凝土全断面正温 养护时间至少为1 7d ，而全断面降至负温在2 0d 后．可见，尽管面临近一2 0 ℃的井帮低温，高强混 凝土外壁浇筑后，其早期强度的增长并不受低温影 响，更无冻害问题． 但是，必须注意的是，由于进入负温后，混凝土 强度基本停止了增长或增长极为缓慢，因此，必须 确保在外壁进入负温前达到设计强度．为此，可要 求外壁混凝土在浇筑后1 4d 即达到设计强度，以 确保设计承载力的实现． 综上所述，大体积高强混凝土外壁浇注后，面 临显著的高水化热问题．“水化热量大，温度峰值 高”与“外部较低的环境温度”共同作用，导致“井壁 内外出现较大温差”，增大了井壁温度裂缝的控制 难度．但是，正是“高水化热”的存在为外壁混凝土 早期强度的增长赢得了宝贵的正温养护时间，免除 了其低温冻害危险． 可见，对于外壁高水化热问题应全面看待．通 过控制水泥水化热总量及释放速率，可有效地降低 最高温度及最大温差，但必须避免因此造成井壁过 早地进入负温，使混凝土早期强度增长受到不利影 响． 2 ．2 壁后冻土温度 壁后冻土温度测量仅在第2 ～5 层位成功开 展，典型的温度变化曲线见图3 第5 层位，个别测 点出现故障，故仅绘出部分测点的温度曲线 ． 由图3 可见，外壁浇筑后壁后冻土升温显著， 井帮表面最高温度升至近3 0 ℃ D 1 ，距井帮表面 3 5 0m m 的部位 D 8 ，升温幅度仍超过1 5 ℃．D 1 ～ D 5 测点均升至0 ℃以上，表明冻土融化范围超过 了2 0 0m m ．各层位冻结壁温度变化的重要数据见 表3 ． 5弱吼4 4 8 7 2 8∽吐趣珉眩u纪圯洲 5弱戗6 7 o 9 6 9 锄吐n M锨纸n纸 5惦瓠9 o o 6 6 9 眦七札眠Ⅵ纪纽弧∞他“∞巧％≈o一 文孔小埔∞仉拢弘“ 0 9 6 3 Z 3 2 8 4篡搿鬣羹姒 万方数据 第4 期王衍森等深厚冲积层中冻结井外壁温度实测研究 2 0 ．2 7 ，1 9 ．9 6 ，2 0 ．7 6 和2 1 ．4 5d 完成．显然，冻土融 化停止 即回冻开始 之前，冻结压力将主要由冻结 壁流变变形压力和下部段高开挖引起的冻结壁弹 塑性变形压力组成，而尚无融土回冻冻胀压力． 2 井帮冻土的升温 由表3 中数据看，孔底 距井帮4 0 0r a m 处升 温幅度分别为8 ．1 ，1 2 ．3 ，8 ．4 和1 5 ．7 ℃．但是，水 化热对壁后冻土的影响显然并未局限在4 0 0m m 之宽度范围内． 井筒掘砌至2 8 8m 深后，3 8 测温孔中2 8 8 ～ 5 6 7m 深度范围内的测点温度先后回升；且发生时 间与掘砌进度具有良好的对应关系．其中，与表1 中7 个层位深度最为接近的测温点的温度回升值 见表4 ，其测温曲线见图4 ． 表43 8 测温孔内部分测点的温度回升 T a b l e4 I n c r e a s i n gt e m p e r a t u r eo f3 4t e m p e r a t u r eh o l e 到井帮距离／m 1 ．8 7 5 1 ．6 4 5 1 ．6 9 5 1 ．5 3 5 1 ．5 7 51 ．6 3 5 1 ．6 7 5 升温幅度／℃4 ．16 ．26 ．28 ．86 ．56 ．86 ．8 p 毯 赠 } 3 9 5 m 葶薹骥逊 图43 8 测温孔部分测点温度曲线 F i g ．4T e m p e r a t u r ec u r v e so fs o m em e a s u r i n gp o i n t s i n3 8t e m p e r a t u r eh o l e 分析认为3 8 测温孔内测值的升高是由外壁 水化热引起的，升温幅度反应了外壁水化热对冻结 壁温度的影响程度．距井帮1 ．6 ～1 ．7m 处，升温6 7 ℃；距井帮1 ．87 5m 处，升温也达到4 ．1 ℃．可 见，尽管冻土融化范围仅为2 0 0 ～3 0 0m m ，但升温 范围却相当大．如以回升幅度5 ℃作为显著升温的 标志，则冻结壁显著升温的范围超过了1 ．6m ． 冻土的强度、变形性质直接取决于其温度，而 冻结壁整体强度则与冻土，尤其是冻结壁内侧区域 开挖后易发生应力集中 的冻土的强度密切相关． 因此，壁后冻土的大面积温度回升 甚至融化 无疑 将加剧冻结壁的变形，对外壁的受力不利． 3 现场实测值与数值模拟结果的对比 龙固副井掘砌至约3 0 0m 深度时，曾开展了 5 0 0m 深度以下冻结壁温度场对外壁C 7 0 混凝土 水化热温度场的影响问题的数值模拟研究，目的在 于获得外壁、冻结壁内的温度变化规律，以分析外 壁混凝土的养护温度，为其早期强度增长规律的研 究提供依据． 在龙固副井井帮温度为一2 0 ℃，井内空气温 度恒为0 ℃，混凝土入模温度为1 5 ℃，井内风速分 别为0m ／s 与0 ．5m ／s ，泡沫板3d 压实的条件下， 基于C 7 0 混凝土配方 注该配方为实际施工采 用．水泥水化热为4 7 0k J ／k g ，常数m 为0 ．9 5 ，根据 室内大体积混凝土浇筑后的测温数据反演得到 开 展的模拟研究结果见表5 [ 8 1 模拟方法较复杂，将 另文介绍，本文不再阐述 ． 表5外壁及冻结壁温度场的数值模拟结果 T a b l e5R e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt e m p e r a t u r ef i e l do ft h eo u t e rs h a f tw a l l i c ew a l l 需说明的是井帮温度、混凝土人模温度、井内 风速、泡沫板压缩速度取值均与实际工程相当接 近；井内空气温度在外壁浇筑后O ～2 0d 内视为恒 定值 o ℃ 属于近似处理．从第5 ～7 层位外壁浇 筑后仪器箱内的空气温度变化曲线 图5 来看，考 虑到外壁内表面附近的环境空气温度必然略低于 箱内温度，因此，上述近似处理对于第6 ，7 层后基 本合理，对于第5 层位，井内空气温度取值 o ℃ 偏低． 将表5 井壁一栏 ，表2 第6 ，7 层位 中数据 对比可见井壁最高温度、内外最大温差、外表面进 入负温的时间均较为一致，最高温度出现时间略早 于实测． 将表5 冻结壁一栏 ，表3 第5 层位，外壁为 C 6 5 ，但水泥用量与C 7 0 相同 中数据对比可见冻 土融化停止时间、回冻完成时间均较为一致；只是 冻土融化范围差异较大．分析认为一方面，冻土测 温需施工钻孔并安设测温杆，融化范围测量精度易 筋加 2 m 5 O巧m坫加抬∞ 万方数据 4 7 2 中国矿业大学学报第3 5 卷 受井帮超欠挖、测温杆定位精度等更多因素的影 响；另一方面，冻土热物理参数取值及相变过程的 模拟也容易导致冻土融化范围计算值包含较大误 差，应是上述双重因素导致冻土融化范围的实测 值、数值计算值差异较大． 总体来看，外壁及冻结壁温度的现场实测数据 较好地验证了数值模拟的研究结果． p ＼ 魁 赠 外壁浇筑后经历的时间／d 图5空气温度变化曲线 F i g ．5 V a r i a n tc u r v e so fa i rt e m p e r a t u r e 4 结论 1 大体积高强混凝土外壁浇注后，面临显著 的高水化热问题．外壁浇筑后升温迅速，2 4h 左右 即可达到最高温度6 0 ～7 0 ℃，最大超过7 0 ℃．内 部高水化热与外部低温环境导致井壁内外出现较 大温差，深度越大，温差越大；最大超过2 5 ℃，温度 裂缝控制困难． 2 高水化热的释放使得井壁全断面正温养护 时间在2 7 ．8 ～1 7 ．2d 之间；深度越大，正温养护时 间越短．为外壁混凝土早期强度的增长创造了良好 的条件，赢得了宝贵的时间． 3 外壁高水化热的释放导致壁后冻土局部融 化，最大融化范围约为2 0 0 ～3 0 0m m 同时，井壁 水化热造成了壁后冻土的大面积升温，冻土显著升 温 升温幅度超过5 ℃ 的范围超过了1 ．6m ．由于 冻土的强度及变形性质与温度密切相关，因此，壁 后冻土的大范围升温及局部融化将对外壁受力造 成的不利影响． 鉴于水化热对冻结凿井影响的两面性，建议通 过研究，合理地控制水化热总量及其释放速率，以 便既保证外壁混凝土早期强度的快速增长，同时又 减少水化热对冻结壁强度、井壁温度裂缝控制、井 壁受力造成的不利影响． 参考文献 [ 1 ] 叶琳昌，沈义．大体积混凝土施工[ M ] ．北京中国 建筑工业出版社，1 9 8 7 ． [ 2 ] 阮静，叶见曙，谢发祥，等．高强度混凝土水化热研 究[ J ] ．东南大学学报，2 0 0 1 ，3 1 3 5 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