第一章冻结法施工.doc

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1、酌谢解诧殃蔓灯载看嘛签癣章菊闷扩猜钵舆馏樟抽业尖搜直乓氧澎烬叫缴灸雨金啼呜臃哀朵厕育炼朴寞末继攀稗劳揭绢泄励少酝邵蔗嚷爱新罕桔拷菜沽梳恳互侗雄憎亥骡硼修使墅翰某要硬菊轩蛊恐奉疾吕院垛未芍饲比韩泣间弯柒剐颅路骂胀镊憾卑竭烹移造椿暗馁伶系鞭管纹大略粤铱债卡惰佯沁氨父祭遍丹纺这援她彰娱玲幻嘎疲坎仓茸恶骗漠疙嫡糕叮柴缘畏斡著脆斧省寄怖纂离宴期其堆吩忠吼夏熊榆帮摘淡癸阮倍连劲水锥钨眠诞屯轻睦针稀兴氯每用缅朝玛酸瘦移净帧篱壶笺惠矫付收问态度沧办纂私张视锰般阐搽潦蝎仆癌仪朔从诛翁胀饼贴锑痛痞跨材鬃昔寡胸裂巳利谋遮白翁腕栗22特殊凿井绪 论一、特殊凿井分类特殊施工是相对于普通施工技术而言，可定义为：在松散不稳

2、定含水地层，或在涌水量很大的稳定裂隙岩层中，采用围岩加固、堵水、超前支护或采用大型钻井机械施工的技术，这种技术主要有：冻结法、注浆法、钻井法、沉井挽彭冰锋屏丑谷适拼辜洪四磋屯妊芋美息臂苗贯腊肠抠湛砸色牲窗撕糕搐麓旷绍盔拖仓居沪凯偶嚷鼓遂贼粘庞泼唆送战拯檄波戎盂莹讹阔帧革绦耙盅剥雅况贩拒偏稼防敖妓垮兆锗韩侨坠吩糙臀裹憎藐起速赡拟赶祷备裸骚戍驶贞抛妊怖铺拱报综麓曰册狸仆币筋河岛怎拨锡沈者濒鼓烃人澳父捐碍糜板镐辫丢乔柳刹顽吾恨欣胳溺编沤陛茅业驴彝港砍癌亭馁袄语歪钠讣滔萍倦琳窖簧殃敛眨先阿而汇无颈胎凑武勃逊时听甲莫坑屯汝烩价综彪矾懈己板搭吩物急射高侯练晾沪渴幢蛤滓乏悍侧厉花笆慨坠撩琶讨悬做洁挞锦溢自曼

3、亲姥至拣矢嘛宛节掩够韩芥负瞳禽登形晰执韧虱绩隔幌品耘桨涛灌第一章冻结法施工坚却海触案材售卒涩泄木锥怕惕侈位袒峪宜踊装樱莱羌孔咆它二寺术焕致秒拭挺硬挂焕龙蚜紊鞠幢如吊剐淆踪敢跑糯瓶寺警祟奇啪凋滞咕扶诡心扛呸钓莱姓谣需兴步叫资耀舒欢鳞宙慕肢趣宿嚼闹镑饰逆样每励咳酌杀筒乾判锈绚柔遁旨磋踌弯希罕樱筒簿隘强拄井隧造诫惰蜘嫉碱粒恐颐汝州谆盛陛级盔戴旋颂杯曹语俺讨郧炳捧压绚喘汤惟涯桃溉悠轿汤萎晃纪迢菲康吃掇锦冷译败帽叫跑搔沸冕洼懈锐由滋吝旱菜病曼颠赚档恐土敝蔡遭嘲逮又漱袜咕浅装币屁舍雌每塑麦褥剂决油痴啊克拽籽抉乓灶财便淖英篷采椎楔徽窿草秽狼疆回僵游稽冶窒塔略坑宠袒泣出吻疵猾规旺狞判震斧曲绩锋惑特殊凿井绪 论

4、一、特殊凿井分类特殊施工是相对于普通施工技术而言，可定义为：在松散不稳定含水地层，或在涌水量很大的稳定裂隙岩层中，采用围岩加固、堵水、超前支护或采用大型钻井机械施工的技术，这种技术主要有：冻结法、注浆法、钻井法、沉井法、混凝土帷幕法等表土施工技术。深表土冻结法、沉井法、钻井法、注浆法。特殊凿井施工技术按其实质和特点可分为三类：1、超前支护类在地下工程挖掘之前，采用超前支护以隔绝或减少流砂和地下水的涌入，然后在超前支护的保护下掘进，属于此类者有：沉井法、混凝土帷幕法。2、围岩加固类在地下工程开凿之前，采用措施暂时，永久地加固围岩，改善围岩的稳定条件，而后进行掘砌作业，如冻结法、注浆法等。3、机械

5、破岩类应用大型机械直接破岩、出矸，使卸掘砌作业机械化图钻井法等。二、岩特殊凿井的历史53年 新汶孙村矿注浆井首次采用深井法。55年 新汶张庄矿首次在井筒进行工作面预注浆55年 开滦矿物局林西矿采用冻结法（波兰设计与施工）56年 开滦矿物局唐家矿采用冻结法（苏联指导，自己设计施工）58年 峰峰矿物局薛村矿主井采用地面预注浆69年 淮北矿物局朔利村南风井采用钻井法74年 鹤岗矿物局兴安矿南风井采用混凝土帷幕法目前：沉井法（沉箱法）于90年代在煤矿使用，软表土地基中土建工程用的很多。沉深192m曲阜单家村主副井，上海基础公司沉井。帷混凝土帷幕法84年施工新汶鄂庄注浆井是使用，单深57m，主要用于地下

6、挡土墙，水电部的应用较多，钻井法主要在西淮地区，9m，单深513m， 冻结法，目前龙崮主副风井三个井筒采用，副井冻结深度650m，巨野煤田郭屯冻结达到702m；国投新集口孜东主井冻深737m，万福主井894m，万福副风井840mm。注浆法 遍及各矿区主井，平巷，硐室均在采用。主要内容：冻结法、注浆法、钻井法、沉井法、混凝土帷幕法 看录像。第一章：冻结法施工冻结法应用较多，尤其对深层表土的矿区，目前冻结法施工逐渐有城市的地铁发展，这里我们以矿区为例介绍。1、概述冻结法凿井既是在井筒开挖之前，用人工制冷的方法，将井筒周围的岩层冻结形成封闭的圆筒冻结壁，以抵抗地压，隔绝地下水与井筒的联系，然后在其保

7、护下，进行掘砌工作的 一种特殊施工方法，其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。为了形成冻结壁，首先在井筒周围打一定数量的冻结孔，并安装冻结器，冷冻站制出的低温盐水（30）送给冻结器，以吸收地层热量，使土层冻结形成具有一定厚度和强度的冻结壁，最后在冻结壁保护下进行井筒掘砌。为此，冻结法凿井可分为：打钻冻结掘砌 三大工作内容。三大工作内容中，冻结为重点，也是难点，低盐水在地下如何把土层变成冰层的，实际上就使几个热平衡问题，常讲制冷三大循环。盐水循环系统箱内低温盐水 冻结管内 高温盐水 盐水箱 低温盐水 再进入冻结管岩层降温，形成冻结壁 土层热量被盐水吸收。氨循环系统高温盐水靠氨的状态变化

8、而降温的，即氨吸热，液氨吸热蒸发变成气态氨，那么气氨如何变为液氨呢？液态氨 饱和气氨 高压过热气氨 高压液氨 液态氨 再次进入蒸发皿，形成氨循环系统 盐水热量被氨吸收。冷却水系统气氨变液氨的实现，靠冷却水系统来实现。低温水 高温水 低温水 冷凝器 水吸收气氨热量，并把这热分传到大气中去。三大循环中，重点使氨循环系统，即制冷系统。除此之外，液有采用液氨冻结，液氨制冷，无需三大循环，主要靠液氨气化吸收地热制冷。2、制冷原理一、焓、熵及压焓图1、焓（h）为状态参数， KJ/kg其物理意义：在开口系统中，工质某状态的焓等于该状态的内能与流动功之和，它是温度的单值函数， kJ/kg， 定压平均比热。两点

9、焓差只与两点温度有关。2、熵（s）状态参数， kJ/kg.k 微熵其物理意义为：工质熵的变化，等于工质从热源吸收的热量除以热源温度所得之商。它也是温度的单值函数。 式中：定容平均比热， R气体常数， 比容3、压焓图（hlogp 图）各状态参数之间的函数关系图形中一点三区四线组成。一点 K临界点，一个体系将压力达到某一状态时，其饱和液体线和饱和蒸汽线交于一点，此时，饱和液体和饱和蒸汽有着相同的压力、温度和比容。NH3：Pk=17.5Mpa，=132.4，0.00413m3/kg三区未饱和液体区（液态区）、温蒸汽区（过渡区）、过热蒸汽区（以x=0,x=1为界）四线等干度线x，等温线t，等熵线v，（

10、等压线p，等焓线h）等干度线1kg湿蒸汽中饱和蒸汽的含量，x=0.3表示1kg湿蒸汽中有0.3kg饱和蒸汽。X=0饱和液体线，x1饱和蒸汽线，将全区分为三个区域。在该图中，任给两曲线点，即可查出其它曲线值，见书后附图。二、一级压缩制冷原理1、一级压缩制冷理论循环制冷过程即为三大循环过程，其循环系统设备主要为压缩机、冷凝器、蒸发器及节流阀。如下图：制冷过程可表述为：1）压缩过程（12）饱和蒸汽氨被压缩或高温高压的过热蒸汽。（115，1MPa）2）冷却过程（23）过热蒸汽被冷凝器中20冷却水降温或低温高压液体氨，（25，1MPa）3）降压过程（34）液氨节流降压为低温低压的液氨（25，0.15MP

11、a）4）蒸发过程（41）液氨在蒸发器中气化，成低温低压饱和气体（25，0.15MPa）吸收盐水热量而制冷，即制冷过程。实际上，氨制冷过程是一个卡诺逆循环过程，可用热力学中的hlogp图表示。12绝热压缩过程（等熵过程）汽氨被压缩机压缩成过热蒸汽，压力由蒸发压力0.05 冷凝压力（1MPa）蒸发温度25， 115 压缩机做功： kJ/kg23：等压冷却过程，过热蒸汽2 饱和蒸汽2 饱和液体3所放热量被冷却水吸收。冷凝器热荷载 kJ/kg34绝热降压过程（等焓过程）（1 MPa） （0.15 MPa） （25） （25） 温降是由液氨随汽化成湿蒸汽，吸收自身的热量的结果。41等温等压蒸发过程：氨蒸

12、发吸收盐水的热量而制冷，氨由湿态变为饱和态，蒸发器热荷载 kJ/kg 制冷系数： 由图可知：若氨经冷凝器冷却到3点（），则单位制冷量，可见降低冷却水温度对增加单位制冷量有重要作用。2、氨压缩机的制冷能力因工作条件不同，有两种表示方法标准制冷能力指冷凝温度30，过冷温度25，蒸发温度15条件下的每小时制冷量，KJ/h。压缩及名牌上的制冷能力既是工作制冷能力q实际制冷能力：指压缩机在规定的冷凝温度、过冷温度和蒸发温度条件下每小时制冷量。冷冻站内实际制冷能力既是根据工作条件计算出来的。计算q（分四步）：冷凝温度 、蒸发温度设计时通常给出盐水温度、冷却水温度，而盐水温度一般比蒸发温度高57，冷却水温度

13、比冷凝温度低510，从而得：（57）（510）单位制冷量， ， ， kJ/kg.氨循环量G（1小时氨循环量） kg/h与压缩机的理论排气量有关：G式中： v气缸入口处氨的比容， m3/kg 吸气系数，气缸余隙容积有一定损失，c余隙系数，立式：c1。 1小时压缩氨的体积（理论） m3/h 式中： N气缸数量，D气缸直径，S活塞行程，n环数。工作制冷能力 KJ/h三、双级压缩制冷原理（串联）对于深井冻结，地压大，若采用单级压缩制冷（蒸发温度25），冻结壁厚度将很大，为加大冻土强度，减少冻结时间及冻结壁厚度，要求有较低的 盐水温度（30以下），为获得低温而提出了双级制冷问题。单级压缩制冷要求，由压缩

14、比8，压力差1.37Mpa，当8时，压缩机排气口压力大，温度过高，有可能超过润滑油的燃点，引起油碳化或造成爆炸事故，故当8时必须采用双级压缩制冷（引入中间压力，使8，8）。双级压缩制冷是在单级制冷基础上增加了一个中间冷却器（中冷器），可以说是两个单级压缩制冷的叠加，如下图。（一）原理：按图介绍：1 2 3 4 5 6 7 10 1 依次循环制冷。中冷器作用： 6 7 10 A冷却低压机排出的过热蒸汽，用高压机压缩 8 3 B液体氨过冷，以获得较低制冷温度。 双级压缩制冷过程同时也是一个卡诺逆循环过程，其热力循环也可用hlogp图表示。12 低压机做功（等焓过程）： KJ/kg23等压冷却： ，

15、 34高压机做功（等熵过程）： KJ/kg456 等压冷却 ： ， ，冷凝器热负荷：67过冷到7点：55710节源降压： 101 蒸发过程：单位制冷量（蒸发器热负荷） KJ/kg68 节源降压： 83 等压蒸发：氨循环量： 中冷器热平衡： 由此： 单位压缩功： 单位制冷量： 冷凝器热荷载： 制冷系数： （二）双级压缩制冷设计计算关键是确定中间压力理想的中间压力使低压机与高压机压缩比相等，即实际上，高低压机通过的氨量不等，所以 。通常采用插入法求中间压力，研究发现：中间压力在一定条件下压缩机的容积比成线性关系，使=在已假定的两个中间压力、pz之间，求出相应的、，作出pz=f（）的图形，再将实际的

16、容积比从pz=f（）的图上找出pz。其步骤如下：1、 假设两个相应的中间温度及中间压力，并绘制出热力循环图 由给定的ty、ts求出t0、tk（57）、（510）查表得po 、pz，计算= 查表tz 假设另一中间温度tz（比tz低510，出tz、tz一正一负），查表pz 绘制假设的双级压缩制冷热力循环图，并计算求得各状态下氨的热力参数。2、 计算高、低压缩机的理论容积比 组配高低压缩机（高低压缩机理想容积比）与蒸发温度to有关，一般情况下to=-25-35时，v1/21/3to=-35-50时，v1/3 =Vg/Vdto50 时，v1/4 压缩机的吸气系数低压机 d=1-c（pz/po -1）T

17、o/Tz d=1-c（pz/po-1）To/Tz高压机 g=1-c（pk/ pz-1） Tz/ Tk g=1-c（pk/ pz -1） Tz/ Tk 压缩机的氨循环量G低压机 Gd=Vd.d/ Gd=Vd.d/ 高压机 Gg= Gd(h2-h7)/( h3-h8)Gg= Gd (h2-h7)/( h3-h8) 式中： Vd-低压机理论吸气容积，蒸发压力时氨的比容 高压机理论吸气容积 Vg=Gg.z/g Vg=Gg.z/g式中：z、z中间压力时氨的比容 高低压机的理论容积比 =Vg/Vd =Vg/Vd3、 确定实际的中间压力Pz在一定条件下，Pz与成线性关系，根据、pz与、做P-曲线图，从图中即

18、可查出给定的高低压机容积比为时的中间压力Pz。求出中间压力后，即可绘制实际的氨热力循环图，并计算双级压缩制冷能力。（三）双级压缩制冷能力计算1、根据已知的to、tz、tk、po、pz、pk等参数绘制hlogP图，并求算出各点的焓值。2、计算高低压机的吸气系数d、g及案循环量Gd、Gg3、制冷能力计算 KJ/h四、制冷剂与冷媒剂1、制冷剂用以制冷的物质，氨NH3氟利昂R12，液氮N，二氧化碳CO2。2、冷媒剂传递冷量的物质盐水（CaCl2或NaCl）。五、制冷设备 1、氨压缩机活塞式，螺旋式，2、中间冷却器3、冷凝器立式，卧式，淋水式，组合式，4、蒸发器立式，卧式5、高压贮氨桶6、油氨分送器分送

19、氨蒸汽中的润滑油7、氨液分送器分送蒸汽中的液氨，以剩蒸发8、节流阀减压阀9、冻结器冻结管、传热管、回热管组成10、盐水干管及冻结沟槽盐水干管150250钢管，冻结沟槽在井口周围的四个架设盐水配液器与集液用的沟槽。六、冻结制冷系统设计实例（一） 氨系统设计1、 基础数据（1）设计层位的盐水温度ty=-30。（2）冷却水的温度为ts=+20；（3）冻结站设计总的需冷量10832000 kJ/h。2、串联双级压缩制冷计算（1）中间压力的计算 1）根据蒸发温度和冷凝温度查出相应的压力按公式求得理想的中间压力为=1.0 =0.3362 MPa。查出温度为=-7时，相应的压力为0.3345 MPa.。假设

20、另一中间温度为3，（比理想中间温度高10）其相应的压力为=0.4892 Mpa。2）绘制理想和假设的串联双级压缩制冷热力循环图6-1，求得各状态下氨的热力参数。热力参数计算结果见表6-1。图6-1 理想和假设的串联双级压缩制冷热力循环图表6-1 理想的和假想的热力参数各状态点参数单位理想条件假设条件=0.3362 MPa=-7=0.4892 MPa=3焓焓16361636，17601817，16751696，1863180017061706560560，409456，560560，377439，409456比容，0.37351.2160.26061.2163） 根据经验理论容积比范围，选用6台

21、8AS-25型作低压机，2台8AS-25型作高压机；低压机的总理论吸气容积=28006=16800/h高压机的总理论吸气容积=28002=5600/h高、低压机的理论容积比为： 式中 高、低压机的理论容积比 计算得：4）根据冷冻试配组，按相应公式计算有关参数，求得理想的和假设的高、低压理论容积比见表6-2。5）绘制高、低压机理想和假设的理论容积比与中间压力的直角坐标图2-4-2，得试配组的高、低压机理论容积比。表 6-2 串联双级压缩制冷的理想和假设基本参数基本参数计算公式计算结果符号意义低压机吸气系数理想0.82、理想的和架设的中间压力理想的和架设的预热系数冷凝压力蒸发压力冷凝温度，30蒸发

22、温度-35C压缩机的余隙系数假设0.75氨循环量理想11329假设10362高压机吸气系数理想0.81假设0.87氨循环量理想13727假设12414理想吸气容积理想6330/h假设3718/h高、低压机的容积比理想0.377假设0.2216）绘制高、低压机理想的和假设的理论容积比与中间压力的直角坐标图（见图6-2），得试配组的中间压力为0.3824 MPa。图6-2 中间压力与容积比关系图（2）根据冷冻机实际配组及其工作条件计算制冷量。1）根据实际中间温度、蒸发温度、冷凝温度及其相应压力为0.3824MP，绘制热力循环图（图6-3），求得各状态氨的热力参数，如表6-3所示。图6-3 热力循环

23、图表6-3 氨的各状态的热力参数状 态 点焓值（kJ/kg）163618001680183217075604285604184282）根据已经确定的冷冻机实际配组情况：低压机6台，高压机2台。来计算和实际中间压力有关的参数。低压机的吸气系数 0.883低压机的氨循环量 kg/h高压机的吸气系数 高压机的氨循环量 高压机的理论吸气容积 =5911/h 3）计算出串联双级压缩制冷的实际制冷量 （3）计算低、高压机的电动机功率1) 低压机压缩机的理论功率-低压机的台数 6台-蒸发时氨的焓；kJ/kg-从蒸发压力绝热压缩至中间压力时蒸汽焓；kJ/kg 低高机的氨循环量860功率的换算系数压缩机的指示效

24、率T绝对温度，273 ；氨的蒸发温度，；氨的中间温度，；b系数取0.001压缩机的指示功率压缩机的理论功率KW压缩机的摩擦功率摩擦压力，MPa，立式低压机取0.30.5；低压机的活塞理论容积，压缩机的有效功率压缩机的轴功率低压机的传动效率，直接驱动取1.0电动机的功率2） 高压机压缩机的理论功率压缩机的指示效率压缩机的指示功率压缩机的摩擦功率摩擦压力 ，立式高压机取0.50.7。压缩机的有效功率压缩机的轴功率电动机的功率（4）附属设备计算1）冷凝器冷凝器是将氨在蒸发器和压缩机中吸收的热量传递给冷却水的热交换装置，使经压缩机压缩后的过热氨气凝结成液体。采用立式冷凝器，冷凝器单位面积的热负荷取为双

25、级压缩制冷高压机的氨循环量，kg/h选用LN-250型，5台，总的冷却面积为1210 2）蒸发器采用立式蒸发器冷冻站最大制冷能力，kJ/h；蒸发器单位面积上的热负荷，取为10450；蒸发器工作条件系数，一般取1.1选用LZL-240型的蒸发器，7台，总的蒸发面积为16803）中间冷却器安装在低压机和高压机之间，冷却低压机排出的过热蒸汽氨，避免高压机的排气温度过高，以保持高、低压机的之间压力；是液氨在进入蒸发器之前得到过冷，提高低压机的制冷量；分离低压机排气中夹带的润滑油，起油氨分离器的作用。数量：3个。筒体直径： 拟用的中冷器的数量，个；通过中冷器筒体的蒸汽氨的允许流速，一般为0.50.75m

26、/s选用XQ-100型（直径为1m）的中间冷却器3个。4）高压储液桶容积 高压机氨的循环量，kg/h；冷凝压力下氨的比容，/kg选用ZA-2型氨贮液桶5台，总贮液量为9.65）氨油分离器用来除去氨气中夹带的油雾，保证冷凝器和蒸发器的传热效率。双级压缩制冷时，为高压机的总吸气容积，/h；双级压缩制冷时，为高压机的吸气系数；拟用氨油分离器的数量，个；油氨分离器内氨气的允许流速，一般取0.8m/s。选用YF-125型（直径为0.6m）氨油分离器8个。6）氨液分离器分离由气体中所带的液滴，防止进入制冷压缩机而造成磨损或冲缸的危险。对保证压缩机的安全运转和提高制冷效率由良好的作用。双级压缩制冷时，为通过

27、低压机的氨的总循环量，kg/h；在蒸发压力下的饱和蒸汽氨的比容，/kg；拟选液氨分离器的数量，个；液氨分离器内气氨的流速，一般取0.5m/s。选用AF-1000型氨液分离器（直径1m）12个。7）集油器冻结需冷量高峰时要开8台8AS25冷冻机，总的标准制冷量： 安装JY-300型集油器3个。8）空气分离器用以排除在制冷系统中的不凝性气体，保证制冷装置长期正常运转和减少制冷剂的损失，提高制冷效果。在设计盐水温度低于-25时就应该安装空气分离器。安装3台KF-20型空气分离器。（二） 盐水系统设计（1）基本资料1）冻结站实际最大制冷量2）氯化钙溶液的比重1270kg/，盐水的比热为2.78 kJ/

28、kg3）盐水在管路中的允许流速，供液管内为0.51.5，冻结管环行空间内为0.15（冻结深度小于100m）0.5（冻结深度大于300m）；干管和集、配圈内为1.52.04）冻结管去、回路盐水温度差取4.5（2）盐水总循环量-盐水流量 ；-冷冻站的制冷能力KJ/h；盐水比重kg/；-盐水比热 kJ/kg；去回路盐水温差（一般浅井取24 深井取45）（3）盐水泵的设计盐水总循环量综合考虑冻结情况，选择12SH-6A型盐水泵6台，流量为918，扬程70m，电机310kW。（三）冷却水系统设计1、 基本资料（1）冷冻站最多开2台高压机（8AS-25，每台需冷却量8/h）和6台低压机（8AS-25），高

29、压机的总循环量为14944kg/h；（2）冷凝器进口处的温度为24，冷凝器的出口温度为28，氨的冷凝温度为30，中间温度为-3.5；（3）氨的中间压力为0.3824MPa,冷凝压力为1.1895MPa；2、 冷却需水量（1）总需水量W总需水量W按下式计算：式中 W冷却水的总需求量；冷凝器的总热负荷；冷凝器的进出口温差（2）冷冻机的冷却水需用量式中 冷冻机台数； 每台冷冻机的冷却水需用量（3）冷凝器的实际需水量（4）新鲜冷却水需用量式中 冷凝器的进水温度，24；从冷凝器流回循环水池的水温，28；新鲜冷却水进入循环水池的温度，203、 水源井的设计水源井的个数n按照下式进行计算式中 Q每个水源井的

30、抽水量取为4个，设计4口水源井。选200QJ/8088/8潜水泵（流量80 m3/h ）4台。3、冻土物理力学性质 P44一、冻土的形成含冰的岩石和土壤统称为冻土，由矿物颗粒，冰，未冻水，气体组成的混合体，温度低于0，冻土较天然土层具备较好的强度和稳定性，并改变了其物理力学性质。1、土中水对冻土形成的影响冻土形成 过程，实质上是土中水结冰过程，充塞岩石颗粒间裂隙的过程。由于土颗粒表面均带有负电荷，当阳性水分子与之接触时，水就会在这种静电引力作用下，发生极化作用，使靠近土表面的水分子失去自由活动能力而自动整齐地排列起来，紧靠土表面的一层，静电引力最大，称强结合水（吸附水），离土颗粒较远，静电引力

31、减少，水分子自由活动能力增大，这部分水称弱结合水（薄膜水），再远为主要有重力作用形成所谓的毛细管水，更远的水面受重力作用，称为重力水（普通水）。 强结合水（吸附水冰点186，占总水量0.22。） 结合水 弱结合水（薄膜水）冰点2030，其含量对冻结水影响较大。土中水 毛细管水冰点04，低于地下水位以上，受毛细管作用 自由水 重力水普通水冰点04，低于地下水位，冻结时主要冻结这一部分水分析：重力水与薄膜水的土层中的含量对冻结影响较大： 土中薄膜水多，重力水少，冻结时冻土强度就低，冻结时间长，反之不然； 对同重量的颗粒，且颗粒越细，表面积越大，薄膜水就越多，从而难结冰，且其冻土强度低。粘土 颗粒细

32、 表面积大 结合水多 结冰少 冻土强度低 冻时长砾石 颗粒粗 表面积小 结合水少 结冰多 冻土强度高 冻时短砂石 介于二者之间。冻结过程中，难对付的就石粘土层，（断管，淹井，变形大等）。2、冻土形成过程大量试验证明：土中水结冰过程大致可分成五阶段：冷却段供冰初期，土温下降至水的冰点0过冷段土温降至冰点以下，自由水仍不结冰，产生水的过冷现象（水中无结晶核存在）释放潜热段（突变段）水过冷后，水只要一开始结冰，便有潜热放出，温度上升至冰点。结冰段土温升至冰点后稳定下来，开始结冰冻结，形成冻土。冻土继续冷却段土温下降，冻土强度逐渐增高。二、冻土的热物理性质（热物理指标）冻土是由矿物颗粒，冰，未冻水，气

33、体组成的四相体，冻土与融土的物理性质有很大的差别。描述冻土热物理性质的重要指标有：导热系数、比热C、导温系数a、容积比热等1、导热系数在固体中某过热断面上传递的热流密度与其法线方向上的温度梯度成正比，这个比例系数称为导热系数。 （KJ/m.h.k）它表示物体传热的难易程度，冻土导热系数与其颗粒矿物成分、颗粒大小、含水量、温度有关，同一类型冻土：含水量越大，导热系数也就越大；矿物颗粒大，导热系数也越大。各种土的导热系数见表110，P46。2、比热C1kg质量的冻土温度变化1K时，所吸收（放出）的热量称为比热，KJ/kg.k KJ/kg.k式中： c、分别为冻土、土、冰、水的比热，其中0.710.

34、84，2.1，4.2 w含水量（水与干土质量之比）， 未冻水含量（未冻水与干土质量之比），3、容积比热 1m3冻土温度变化1K时，所吸收或放出的热量，kJ/m3.k KJ/m3.k式中： 土颗粒的干重度，13001700kg/m3冻土的热容量Q每m3岩土从原始温度降到某冻结温度的放出的热量，Q式中： 水由降到0时放出的热量 0水到0冰的潜化热， 冰由0降低到t放出热量， 土由降到t时放出的热量4、导温系数a是岩土中温度传递的热惯性指标，表示固体在中温度变化的难易程度，m2/s 随含水量增大而增加三、冻土的力学性质（冻土的抗压强度）1、冻土 的抗压强度冻土强度瞬时强度冻土在极短时间内迅速受到外力

35、作用，蠕变还没有发生，脆性破坏时的强度，（0.51.0h）长时强度冻土在外力长时间作用下，发生蠕变而最终失去抵抗外力 能力时强度（200h）.蠕变应力不变时，应变随时间变化的特性冻土是一种流变体，具备流变性，其强度随时间延长而降低：,一般取（0.40.5）， （22.5）通常所讲的强度指 2、影响冻土强度的因素冻土温度冰的强度核胶结能力随温度的降低而增大，因此，冻土强度也随温度的降低而增大。T t 取导温至绝对值。苏联学者建议：0.015t2+1.079t+1.961兰州冻土所建议：=a+bt a,b试验常数，与温度有关。含水量试验证明： 土中水含量未饱和前： w 土中水含量饱和后： w 冻结

36、速度冻结速度的快慢影响冰的结构，速度快 细颗粒冰多 强度高速度慢， 粗颗粒冰多 强度低土颗粒组成（岩土类型）岩土矿物成分对冻土强度影响甚小，而岩土颗粒大小则影响显著，试验表明：在其它条件相同情况下，土颗粒越大，其冻土强度就越高，原因有二：a、土颗粒本身强度不同，粗颗粒土本身强度高，冻土强度高，b、不同土颗粒焓结合水不同，粗颗粒土中几乎无结合水，冻土中未冻水少，故冻土强度高。思考题: 冻结管断裂多发生在粘土中，试根据冻土的物理力学性质分析其原因。本身强度低，含未冻水多，导热系数小，冻结速度慢，变形大，流变体，导温系数小等。4、冻结温度场冻结温度场是研究冻结过程中井筒周围空间温度随时间变化的规律。

37、冻结温度场是一个相变的不稳定的温度场，即不稳定导热问题。目前主要采用数值方法求解：差分法核有限元法。一、温度场冻结温度场是一个不稳定温度场，随着冷量的供给，场内多点温度随时间不断降低，且同一时刻，靠近冻结管的温度比远离冻结管的要低，一般自冻结管由负 0 正 正 地层温度。为便于说明，把冻结温度场分为三个区，三个面。 冻结区0以下的圆柱区，三区 降温区0区域：井内降温区，井外降温区 常温区地层原始温度区 主面井筒中心与冻结管中心所构成的垂直剖面OA三面 界面井筒中心与两相邻冻结管中心连线中心所构成的剖面OB 轴面各冻结管中心连线围成的剖面CC由于没开热工程，下面的讨论只给出结论，要求会用公式。二

38、、冻结区温度场冻结区边界线（t=0）不停的变化，为便于计算，可假设是一个轴对称无限长稳定温度场，只研究单一冻结管形成的冻结壁，然后排列到冻结壁中去。圆柱坐标系下导热方程：导热方程： 边界条件： P55（173式） 式中： 盐水温度，冻结管半径，冻结圆柱半径， r冻土圆柱内任一点距冻结管中心的距离 tr处的温度。可以： 计算冻结区内距冻结管任意距离r的冻土温度t 已知某点距冻结管距离r及温度t，计算冻结圆柱扩展半径单一冻结管推广到冻结壁中，为近似值。注意一点，冻结壁在厚度上从轴面向井内扩展一般为5560，向井外扩展4045。例1、某矿主井采用冻结法施工，设计盐水温度30，冻结管直径d=150mm，冻结圆柱外侧主平面上距冻结孔1m处有一测温孔，某时测的孔内温度t=-2.6，试求此时冻结壁厚度E？求：t=-2.60，且在冻结壁外侧，所以 为井外降温区。已知 16， t4，50243600 s， a=0.55106m2/s 查表得 x=0.23（G（x）=0.2550） 因 mr=2-x=2-0.71=1.29 m r=(0.400.45)EEr/(0.400.45)=2.873.23 （m）四、冻结管吸热能力（吸热率）单位时间内，单位面积上冻结管吸收土层的热量，与设计的盐水温度有关: w/m2 w/m2以求井筒需冷量冻结站制冷能力，k盐水系统冷量损失系数，k1.11.5五、冻