混凝土水化热对冻结温度场影响的测试与数值分析.pdf

第 1 6卷第 6 期 2 0 0 7年 6 月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AG AZI NE Vo I 1 6 。NO 6 J u n e 2 0 0 7 混凝土水化 热对 冻结温度 场影响的测试与数值分析 * 江向阳 ( 1 安徽 理 工 大学 ，安 徽 淮 南 2 3 2 0 0 1 程 桦 2 安徽 建 筑工程 学院 ，安徽 合肥 2 3 0 0 0 0 ) 摘要 ： 针对井筒 内衬浇注混凝土水化热对冻 结壁温度场影 响的工程 实际 ，对 井筒 浇注混凝土后的 冻结壁温度场进行监测 ，并应用有限元数值方法进行 比较分析 。结果表明本文所建 立的有 限元分 析模型 可 以比较准确 的计算冻结壁温度场的变化规律 ，对工程实际具有指导意义 。 关键词 ：温度 场水 化热相变有 限单元法 中图分类号 ：T D 2 6 5 3 文献标识码 ：A 文章编号 ： 1 O 0 4 4 0 5 1 ( 2 0 0 7 )O 6 一O 1 0 3 -0 3 Te s t a n d Ana l y s i s o f t h e Te mp e r a t u r e o f I c e W a l l Af f e c t e d b y He a t o f Co n c r e t e Hy d r a t i o n J I ANG Xi a n g - y a n CHENG Hu a 。 ( 1 Auhu i Un i v e r s i t y o f Sc i e nc e a nd Te c h nol o gy；Hua i na n 23 2 001， Ch i n a 2 An h u i I n s t i t u t e o f Ar c h t e c t u r e& I n d u s t r y ；He f e i 2 3 0 0 2 2 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th i s p a p e r f o c u s e s o n s t u d i e s o f d i s t r i b u t i o n o f t e mp e r a t u r e f i l e d o f i c e wa l l a f f e c t e d b y h e a t of c on c r e t e hy dr a t i on by t e s t i n g a nd t he FEM me t ho ds The s ol u t i o n of s i mul a t i on a na l ys i s i s c o m p a r e d wi t h t e s t i ng r e s u l t ， whi c h i l l us t r at es t ha t mo de l s a r e c or r e c t a nd a ppl i c a bl e t o e n gi ne er i ng Ke y wo r ds ：t e mpe r a t ur e f i e l d he a t of c on c r e t e hyd r at i o n ph a s e t r a ns f or ma t i on f i ni t e el e m e nt m e t h od 冻结法施工在我国有着广泛的应用 。随着岩土 工程的发展 ，深基础和其它地下工程的不断涌现 ， 冻结法围护结 构以其 独特的优越性越来越受 到重 视 。冻 结壁 在施工 过程 中 的主要功 能是 封堵 地下 水 和 承受一 定 的荷载 ，以保 证施 工顺 利进行 。在 冻结 壁内侧一般都采用浇注混凝土作为衬砌 。而浇注混 凝土大量的水化热绝大部分都散发到冻结壁中，使 得冻结壁内侧有相当厚度发生解冻。这将严重削弱 冻结 壁 的强度 和稳定 性 。 目前 ，浇 注混凝 土水 化热 对 冻结壁 温度场 影 响的研究 非 常少 。本文 采用 有 限 元方法对冻结井筒施工工程进行分析 ，较为准确的 预测了冻结壁的温度场 ，可为冻结壁的可靠性分析 和相关措施设计提供依据。 1工程概 况与 测量数 据 为 了较 准确地 掌握 混凝 土水化 热对 冻结 壁 的影 响程度及融冻土的回冻规律 ，对正在施工的煤矿副 井井筒进行混凝土衬砌浇注后冻结壁温度场变化实 收稿 日期 ： 2 0 0 7 0 2 1 6 基金项 目：安徽省教育厅青年基金项 目，项 目编号 ：2 0 0 5 j q l 1 0 5 作者简介：江向阳 ( 1 9 7 3 一 ) ，男，汉 ，安 徽安 庆人 ，安 徽理工 大 学讲师，硕士 ，研究方向 ：地下工程。 测 。该井筒开挖荒径为与 6 8 m，土层性质为粉质 粘土 ，采 用双排 冻结 管进行 冻结 ，冻结 孔布 置如 图 1所示 。根据测温位置的各种环境条件以及工程实 践经验，冻结壁的化冻厚度一般不大于 0 3 m，在 测点 布置 时 ，最 远 的测试点 到混凝 土井 壁外侧 的距 离为 0 6 m。1号点为混凝土衬砌与冻结壁交界面 处，然后沿径向每 0 1 m 间隔布置一个测点 。在冻 结 1 0 0 d后开始温度测试工作，实测位置在掘进深 度 1 2 0 m处的第 4 8段井壁上 ，井筒的横截面尺寸 和测点的布置如 图 2所示。测试时问为 7 d ，温度 测试时工况 ：井帮温度为 一6 ，工作面空气温度 为 6 8 C，混凝土入模温度为 2 3 2 5 。测试数 据 如表 1所示 。 2 冻结 壁 的热传 导方程 与边界 条件 井筒冻结壁的横截面尺寸比其深度方向要小得 多 ，一般认 为冻 结壁 深度 方 向上 温度相 等 ，不考虑 深度 方 向上 的热 传导 ，所 以冻结 壁温度 场 问题 简化 为一个 平 面轴对 称 问题 。一般在 冻结 壁温度 场稳定 之后才浇注混凝土衬砌 ，考虑 到模 型的简单通用 性 ，因此在施 工 之前 的冻结 壁温度 场可认 为是 均匀 的，混凝土衬砌的热量向冻结壁和井筒内侧空气中 维普资讯 http:/ 1 0 4 中 国 矿 业 第1 6 卷 冻结孔 一 内 排 7 1 - I - | l 调点 - L t - 羹 A 图 1 冻结管布置图 图 2冻结壁测点布 置图 表 1 冻 结 壁 温 度 测 试 数 据 表 测试 时间 测点温度 9月 1 2 3 4 5 6 7 2 0日 1 1：2 0 1 3 1 1 1 1 5 5 5 8 9 1 0 9 1 2 1 1 5 ： 3 0 9 7 0 5 3 2 6 0 8 3 1 0 4 1 1 7 1 9 ： 5 0 8 5 0 7 2 7 5 9 7 8 1 0 0 1 1 3 2 1 日 9： 0 0 9 0 1 9 2 9 5 5 7 5 9 6 1 0 8 1 5 ： 5 O 7 6 1 9 2 7 5 4 7 4 9 4 1 0 5 2 2日 9：1 0 5 5 1 7 2 0 4 4 6 6 8 4 9 5 2 3日 9 0 0 3 6 0 9 3 6 6 1 7 9 7 9 9 1 2 4日 8：0 0 2 3 1 0 2 4 5 1 6 3 8 1 8 7 1 6 ： 2 0 1 6 0 1 2 1 3 2 4 9 6 6 7 6 2 5日 8：2 0 1 4 0 9 1 5 3 2 5 1 6 6 7 5 2 6 日 8： 0 0 1 8 2 2 3 0 4 5 6 7 7 7 9 6 散发。大量的工程实践表明：水化热对冻结壁影响 的范围不超过冻结壁的一半 ，冻结壁外侧可视为无 热交换的边界条件。混凝土衬砌中的温度场控制方 程为 ： ， ( ， + 一 ( 1 ) 十 一 其 中： 为混凝 土中的温度，其为半径和时 间的 函数 ； 为混凝 土 的绝热 温升 ( ) 。 在水化热影响下 ，冻结壁会发生解冻，其温度 场中有相变发生，故控制方程分为两部分： 在 液相 区 ： ， ( ， )一 一 1 ( 2 ) 一 在 固相 区 ： ， ( ， )一 一 1 ( 3 ) 一 上式 中： ，T 分别是液相 区和 固相区的温 度，皆为半径和时间的函数。 边界条 件为 ：混 凝 土衬 砌 内侧 处 取 空 气 温度 ： 1 一 7 在 混凝 土衬砌 外侧 k 一 k ( 3 ) 在 固相区外侧 即冻结壁外侧取冻结壁的平均温 度 ： 一一6 C 在相变面 S ( )上取 TT 为土的冰点 ，一 般 为零 摄 氏度 。 警 警一 10 L 其 中 L为结冰潜热 。 初 始条 件 ，当 t =0时 ：丁 f 一2 4 ；T 一 一6 C 由理论 分析 可知 ，上述 问题 的精确 解析 解非 常 困难 ，只能做一些近似 解析分析。即使是近似分 析 ，也需对边界条件进行简化。在计算机高度发展 的今天，数值模拟技术在工程中得 到广泛的应用 ， 解决了许多难题 。在此，本文采用有限元方法分析 对工程实际问题建立计算模型进行数值分析 。 3有 限元计算 与结 果 维普资讯 http:/ 第 6期 江向阳等 ：混凝 土水 化热对冻结温度场影响的测 试与数值 分析 1 O 5 混凝土是有源温度场，冻结壁是相变温度场， 主要的热传递方式是热传导和热对流 。因辐射影响 很小 ，可忽 略不计 。由于井 筒冻 结壁 和边 界条件 是 轴对称的，在不考虑深度方向的温度变化与热量传 递时其为平面问题 。利用 ANS YS有限元程序来 模 拟计算 ，混凝土的热物理参数根据工程用料按参考 文献 2 取相应参数值。在 ANS Y S程序 中，冻 结壁中的相变温度场结冰潜热的计算可以通过材料 属性 中的焓( E n t r o p y )值变化来实现 的。该冻结 壁为冻结粘土 ，其热物理参数如表 2 。在几何模型 上划分网格时 ，使得工程实测各点在有限元模型上 有对应的节点 ，以便使两者进行比较分析 。模拟实 际热生成、热传导以及相变情况 ，施加荷载，确定 相应的边界条件和初始条件 。在混凝土衬砌内侧 ， 热量主要是以对流方式向大气散发 ，以等效表面放 热系数 表示 。设定模型的热生成率 ，模拟化学反 应 生热 。 因为热生 成 主 要是 水 泥 水 化 的 自生热 量 ， 取水泥水化热生成计算式 的指数式 3 ：Q ( r )一 Q 0( 1 _e r a r ) ，其 中 Q ( r )为在龄期 r时的积累水 化热 。Q 0为 r C 。 时 的最终水化热 ，I n为 随水泥 品种 、比表面及 浇注 温度不 同而不 同 的常数 。对该 公式求导 ，即可得水泥水化热的生成率 。确定载荷 步和载荷子步 ，设定模 型计算 时间为 7 d ，设定每 荷载步中子步数量或时间步大小 ，每一时间子步为 1 h ，共 1 6 8步。计算结果见图 3 、图 4 。 表 2 冻结土的热学性能参数 图 3 2 3 5号节点温度变化 图 ( 距井帮 0 1 5 m) 图 4 2 3 6号 节点温度变化图 ( 2号测点 ) 4 实测 结果与 计算 结果 比较分 析与 结论 实测结果表明 ：其冻结壁最大解冻深度约为 1 3 0 mm，时间为浇注后 的第一 天，解 冻厚度 占其 混 凝土 厚度 的 2 6 。 从该模型的有限元程序计算结果 可 以看 出冻 结壁的最大解冻深度在距井帮 0 1 4 m。解冻时间在 第一天结束时。这些结果与实测数据都相吻合时。 在回冻时间上，计算结果与实测数据差别较 大。井筒冻结工程用的是双排冻管冻结 ，其温度场 规律较为复杂 ，而模型用井帮的平均温度来代替。 更为重要的是在混凝土衬砌浇注的过程 中冻结管仍 在工作 ，其继续在给冻结壁降温。所以实测冻结壁 的回冻速度比计算模型快得多。 通过比较分析可以得知 ：有限元计算模型关于 冻结壁的解冻最大深度较为准确。可用来预测浇注 混凝土水化热对冻结壁厚度的影响，以便指导井筒 和 其它 基础工 程 的冻结法 施工 组织设 计 。 参考文献 1 MN奥齐西 克热传导I- M 北京 ：高等教 育出版社 ， 1 9 8 3 7 ( 2 朱伯芳 大体积 混凝 土温度应力 与温 度控制 M 北 京： 中国电力 出版社 ，1 9 9 9 3 阮静 ，万水 ，叶见 曙，程霞混凝土箱梁温度场有 限 元分析 J 公路 ，2 0 0 1 9 4 汪东坡双排管冻 结温度场分布 规律 与试 验研究 D 淮 南 ：安徽理工大学 ，2 0 0 2 维普资讯 http:/