X型与圆形冻结管单管冻结温度场数值对比分析

周禹暄，胡 俊，林小淇，李 珂，王志鑫

（1.海南大学土木建筑工程学院，海南 海口 570228；2.海南省水文地质工程地质勘察院，海南 海口 570206）

人工冻结法［1-7］的原理是以人为降温的方法将地下的水冻住，将冻结管附近一定范围内的天然土壤转化为冻结土，从而提高土层的强度和稳定性，并将地下水从地下工程中隔离，是一种在冻结壁防护下进行地下工程施工的特殊技术.该技术的本质是通过器械来人为降温，在短时间内改变岩石、土壤的物理力学性质以增强地层.人工冻土的方法在支撑范围和深度方面基本上不受限制，能有效地预防城市开挖、钻探施工过程中出现涌水和相邻上体变形的现象，并引起了越来越多的关注，目前正作为地下工程施工中的主要技术手段之一.传统单一冻结圆管的冷冻能力不强，其循环冷媒介质用量大、工程机械能耗多，不符合绿色岩土的理念.使用有限元软件对X形冻结管和传统圆形冻结管的冻结温度场进行比较和分析［8-11］，并设置3条观察路径，发现X型冻结管单管冻结能力远远大于圆形冻结管.

1 X型冻结管简介

1.1概述冻结管管体断面为X型，管体内插设有供液管，供液管的顶端设有回液管.冻结管为低碳无缝钢管、PVC管、PPR管、ABS管或PE管.

1.2有益效果冻结管单位体积材料的比表面积越大，其冻结效果越好，由于X型冻结管比表面积远大于圆管，故其可以在同等工程量的情况下，得到更好的冻结效果，性价比优于圆管.

该X型冻结管的优点：1）在施工过程中实用性较强；2）易于对施工的质量进行控制；3）冻结加固效果好；4）更具经济性、推广应用价值巨大.

2 温度场数值模型的建立

2.1计算假定1）将土层视为单一均质土，其初始温度场均匀，初始温度设为18℃；

2）地层中的冻土和未冻土都是连续、均匀、各向同性的材料；

3）土层冻结温度取-1℃，温度达到-10℃时土层形成稳定的冻土帷幕；

4）温度荷载直接作用在冻结管管壁上，水分迁移和土层内热阻对热传导的影响忽略不计.

2.2计算模型及参数选取基于X冻结管截面面积：0.15 m×0.02 m×4+0.02 m×0.02 m=0.012 4 m2，圆形冻结管截面面积：3.14×0.127 m×0.127 m/4=0.012 7 m2来建立三维温度场数值模型［12］.取土体几何尺寸为：1 m×1 m×1 m.选取四节点网格划分格式，网格划分后的计算模型如图1所示，并设置观察路径：路径1以（-0.25，0.085，0.05）为起点，沿Z轴正方向每隔0.05 m设置一个观测点，共7个观测点（1～7），路径2以（-0.25，0.05，0.085）为起点，沿Y轴每隔0.05 m设置一个观测点，共7个观测点（8～14），路径3以（0，-0.1，0.1）为起点，沿X轴每隔0.1 m设置一个观测点，共6个观测点（15～20）.

图1 模型网格划分及路径示意图

模型土体材料采用3⁃D热传导单元，参数如表1所示［13］.

表1 土体材料参数

模型将初始地层温度设置为18℃，管壁为热荷载边界，以盐水温度为边界荷载作用在管壁上，盐水降温计划如表2所示，冻结时间步为40 d，每步时间长为24 h.

表2 盐水温度降温计划

3 温度场数值计算结果分析

3.1冻土帷幕基本情况图2为X型冻结管和圆形冻结管X=0剖面冻结40d时冻土帷幕总体情况及-1℃和-10℃温度等值线图.从图2中可以看出，圆形冻结管冻结40 d时形成一个近似圆形的冻土帷幕，而X型冻结管冻结40 d时冻土帷幕近似矩形，其冻结范围和冻结效果远远优于圆形冻结管，冻土帷幕的强度也更加均匀.

图2 冻土帷幕总体情况及-1℃和-10℃温度等值线图

3.2路径分析

3.2.1路径1 X型、圆形冻结管路径1上各点温度随时间变化图如图3所示.路径1上温度空间分布曲线如图4所示［14-19］.

图3 各点温度随时间变化图

图4 路径1上温度空间分布曲线图

从图3中可以看出，在同一观测点，采用X型冻结管冻结的降温速度比采用圆形冻结管的降温速度更快.1点分别在冻结第9 d和13 d达到0℃以下，采用X型冻结管冻结40 d时1、2、3点均达到0℃以下，1点位置处温度最低，约为-20℃.圆形冻结管冻结40 d时仅有1、2点位置处发生冻结，1点位置处约为-10℃.因此，采用X型冻结管的冻结效果远优于圆形冻结管，冻土帷幕的强度也更高.通过观察图4温度空间分布曲线图，可知离Y轴越近，其冻结效果越好，最终冻结温度也越低，随着距离的增加，采用2种冻结管冻结的差距逐渐减小，冻结40 d时的最终冻结温度在距离0.35 m处相差不大.

3.2.2路径2X型、圆形冻结管路径2上各点温度随时间变化图如图5所示.路径2上温度空间分布曲线如图6所示.

图5 各点温度随时间变化图

图6 路径2上温度空间分布曲线图

从图6中可以看出，路径2上各点温度随时间变化曲线和温度空间分布曲线与路径1的变化规律基本一致，因此在本文不做赘述.

3.2.3路径3X型、圆形冻结管路径3上各点温度随时间变化图如图7所示.路径3上温度空间分布曲线如图8所示.

图7 各点温度随时间变化图

图8 路径3上温度空间分布曲线图

观察各点温度随时间变化曲线可以得出：除了20点外，其余各点（15～19点）温度的变化规律在冻结过程中一致，各点的温度也基本相同，采用X型冻结管冻结比采用圆形冻结管冻结完成后的最终温度低了约12℃，用圆形冻结管冻结各点的最终温度约为0℃，其冻结效果不佳.因此建议使用X型冻结管进行冻结施工.从路径上18点开始外部土体对温度的影响逐渐变大，而20点由于位于冻结管的边缘，最靠近外部土体，受土体影响最大，冻结完成后的最终温度明显高于其他各点.

4 小结

使用有限元软件对X型冻结管和传统圆形冻结管的冻结温度场进行比较和分析，并设置3条观察路径，研究各个路径上的温度变化规律，得出以下结论：

1）X型冻结管冻结40 d时形成的冻土帷幕近似矩形，而圆形冻结管形成一个近似圆形的冻土帷幕，采用X型冻结管冻结的范围和冻结效果远远优于圆形冻结管，冻土帷幕的强度也更加均匀；

2）对比发现采用X型冻结管冻结的降温速度更快，冻结效果远优于圆形冻结管，1点在冻结9 d达到0℃以下，冻结40 d时1、2、3点均达到0℃以下，1点位置处温度最低，约为-20℃；

3）距离冻结管越近，其冻结效果越好，随着距离的增加，采用2种冻结管冻结的差距逐渐减小，最终冻结温度在距离0.35 m处相差不大；

4）20点受土体影响最大，冻结完成后的最终温度明显高于其他各点.其余各点（15～19点）温度的变化规律在冻结过程中一致，各点的温度也基本相同；

5）路径3上采用X型冻结管冻结和圆形冻结管冻结完成后的最终温度分别约为12℃和0℃，用圆形冻结管冻结其冻结效果不佳，因此建议使用X型冻结管进行冻结施工.