简论冻结冻结凿井期间外壁与冻结壁温度现场实测设计

论文导读：
摘要：文章通过对某冻结凿井期间外壁与冻结壁温度的现场实测分析，重点的论述了冻结壁温度场与外壁水化热温度场的关系，进一步的明确了冻结凿井期间外壁与冻结壁温度的基本变化规律。研究的结果表明：内部高水化热释放的存在使得外壁混凝土的正温养护时间达到17天，避免了低温对于早期强度的影响；但是较高水化热的存在也为温度裂缝的控制增加了难度，因为井壁内外的温差高达25度。此外水化热向外还会导致冻土融化，对外壁的受力产生了一定的干扰。
关键词：冻结凿井；外壁；冻结壁温度；现场实测

我国近年来关于冻结凿井的研究已经逐步的加快，尤其是随着深度的增加，在难度的克服以及技术创新上需要进一步的探索。外壁水泥水化热的温度场与冻结壁温度场有着交互的影响：首先外壁水泥水化热可以致使冻土的温度上升甚至融化，从而加剧了冻土的变形；其次是冻结壁的冷量会传递向井壁，从而降低了混凝土的养护温度，严重的影响了早期强度的增加。为此在当下积极的开展关于冻结凿井期间外壁与冻结壁温度的现场实测分析，具有极强的现实意义。

1.测试方案

在冻结凿井过程中主要进行了7个层位的井壁、冻结壁的温度测试（表1）。在井壁内部还设置了一系列的测温点，其分布为沿着井壁内部向外均匀的设置了11个监测点。
表1 温度检测层位
通过对每层的温度随着浇筑时间变化的研究发现，外壁浇筑后的温度变化可分为4阶段：首先是刚浇筑完的急剧降温，然后是较快速的线性降温，持续时摘自：本科毕业论文模板www.7ctime.com
间为7天，此时内外的温差也较之前减小，在7—20天时经历了较缓慢的非线性降温，最后是20天以后的平稳降温，此时内外的温差变化很小。
下图1为壁后冻土内的温度测点位置图，每一个测点内部都装配“铜-康铜热电偶”探头，通过自动的、长时间的远程数据采集仪进行全程的监测。
图1 测温点位置

2.测试数据及分析

2.1外壁温度

在0-30d内的典型温度的径向分布如下图2所示，横坐标的11个点分别对应J1-J11这11个第五层的测试点，其余层位的温度径向分许与此类似，这里不再一一论述。
图2 外壁温度的径向分布
相关的外壁浇筑与时间的关系表明，在浇筑后的0-10d内，径向的温度呈现抛物线分布，即表面较低而内部高，J11一般比J1高10-20度。在浇筑后的10d后径向温度呈现内表面高而外表面低的近似线性的分许，同时井壁的内外温度也不高于5度，也就是此时冻壁的冷量输入开始占据主导地位。
下表2为实验中根据各层位的井壁温度测试值整理得到的井壁温度变化的相关数据：
表2 外壁温度测试结果
从以上数据可见，当冻结井外壁高强混凝土浇筑后，井壁内外温度差异显著、水化热量大并且升温迅速，同时混凝土的正温养护时间随着深度增加而缩短。上述监测的各层位的外壁混凝土全断面正温养护时间至少保持17d，降至负温出现在20d后，也就是说早起的混凝土强度的增加不受低温的干扰。但是由于混凝土一旦进入负温，其强度就近乎停止，为此要确保外壁在进入负温之前达到预定的强度，以确保达到设计承载力。

2.2壁后冻土温度

壁后冻土温度的测量主要在2-5层进行，从实验数据看出外壁浇筑后冻土的升温显著，在井帮表面的最高温度升高30度，距离井帮表面350mm处的升温幅度也达到了15度，即说明冻土的融化范围超过了200mm，表3为冻壁内的温度测试结果。
表3冻结壁内的温度测试结果
从以上数据可见：①在2-5层的冻土融化区域的扩展在11.8、7.9、6.6、12.9d结束，达到的最大范围分别达到200、265、300、215mm，而相应层位的融土回冻发生在20.27、19.96、20.76、21.45d，在此之后的冻结压力除了冻结壁流流变压力以及由于下部段的开挖引发的冻结壁弹塑性变形压力外还有冻土回冻压力。②井帮冻土的升温。上表3表明在距离井帮400mm的温升幅度，当然真实的水化热对冻土的影响不仅仅局限于400mm范围之内，下表4是测温孔内部分测点的温度回升，与表1中7个层位深度最为接近：
表4 3 #测温孔内部分测点的温度回升
在井筒深度为288m时3 #测温孔内不同深度的测温点的温度先后发生了不同程度的回升。分析认为3 #测温孔内不同深度的测温点的温升主要由外壁的水化热引发，其升温的幅度也在一定程度上反映了水化热对于冻结壁温度的影响程度。同时在温升随着距离井帮距离增加而减小，而且升温范围要大于冻土的融化范围，例如在距离井帮

1.6m处温升达到7度，在875处达到

4.1度。

3.结论 （1）高水化热的释放对于井壁全断面的正温养护具有积极的意义，保证了养护时间在17.2—27.8d，即正温养护时间随着深度的增加而减少，从而为混凝土早期强度的增加创造了良好的条件。
（2）水化热的释放在大体积高强度混凝土外壁浇筑中更加明显，外壁浇筑之后的1天内就可以达到60甚至70度高温。显著的高水化热问题只是井壁内外存在较大的温差，并且温差随着深度增加而加大，当温差超过25度时，温度裂缝的控制较为困难。
（3）高水化热现象的存在造成壁后冻土的融化加剧，最大的融化范围可达200-300mm，同时冻土的升温以及局部的融化对外壁的受力造成了极为不利的影响。
鉴于以上研究结论，可以通过采取适当的措施即利用其有利的一面，同时尽量的减小其负面影响。为此建议对外壁浇筑中控制水化热总量以及水化热的释放速率，以此达到即减小了水化热对于冻结壁受力、温度裂缝、井壁强度的不利影响，同时也保证了外壁混凝土的早期强度。
参考文献
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[4] 王论文导读：衍森．特厚冲积层中冻结井外壁强度增长及受力与变形规律研究．徐州：中国矿业大学建筑工程学院，2005．作者简介：宋亚楠（1985-），男，安徽太和人，助理工程师，从事施工项目管理及工程技术工作。上一页12
衍森．特厚冲积层中冻结井外壁强度增长及受力与变形规律研究[D]．徐州：中国矿业大学建筑工程学院，2005．
作者简介：宋亚楠（1985- ），男，安徽太和人，助理工程师，从事施工项目管理及工程技术工作。