冻结工程-冻结法原理与设计原则课件

冻结法定义：用人工制冷方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水冻结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土体压力、隔绝地下水，并在冻土墙保护下，进行地下工程施工的一种岩土特殊施工方法。3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结法定义：用人工制冷方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水3.3.2 冻结法原理与设计原则（一）人工地层冻结原理制冷剂制冷有多种方式，冻结法通常是利用物质的相变，即由液态变为气态时的吸热过程来达到将土体中的水冷却、结冰的目的。能通过相变循环实现制冷的物质称为 制冷剂,制冷剂种类也较多，性能参数也有差异。3.3.2 冻结法原理与设计原则（一）人工地层冻结原理制冷剂3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结制冷系统中一般采用氨作为制冷工质。氨性质：标准蒸发温度-33.35最低蒸发温度可达-70常温下冷凝压力 1.47MPa，一般1.2MPa 左右可按任何比例溶于水，每升水可溶 1300升氨，放出大量热量一般规定氨中含水量不得超过 0.2%。3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结制冷系统中一般采用氨作为3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则优点：容积制冷量大，价格低廉，易得缺点：氨蒸气无色，强烈刺激气味，有毒性。空气浓度达0.50.6%时，半小时人即中毒；当浓度达1114%时，可燃烧；当浓度达1625%时，可引起爆炸。适用：大、中型制冷机3.3.2 冻结法原理与设计原则优点：容积制冷量大，价格低廉3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则小型冻结制冷系统中一般采用氟里昂作为制冷工质。氟里昂是饱和碳氢化合物的氟、氯、溴的衍生物的总称，目前主要用的是甲烷和乙烷的衍生物。氟里昂性质：蒸发温度较低，一般在-40-80之间；无毒、无味、安全、对金属腐蚀性小，热化学稳定性好。价格昂贵，易泄漏且不易发现。单位容积的制冷量小，流动性差，比重较大。3.3.2 冻结法原理与设计原则小型冻结制冷系统中一般采用氟名 称符号分子式标准蒸发温度,临界温度,临界压力,10-5Pa临界比容,m3/kg凝固温度,氨R717NH3-33.35112.9112.94.4130-77.7二氧化碳R747CO2-78.5231.073.82.456-56.6二氧化硫R764SO2-10.01157.578.81.920-75.2氟里昂R12R12CF2Cl2-29.80112.0441.21.793-155.0氟里昂R40R40CH3Cl-23.74143.166.82.700-97.6常用制冷剂性能参数3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则名称符号分子式标准蒸发温度,临界温度,临界压力,10-3.3.2 冻结法原理与设计原则冷媒剂传递冷效应的物质，又称载冷剂。选用原则：冰点低、热容大、不腐蚀、价格低廉的物质如CaCl2溶液、NaCl溶液、乙醇、空气、氨、各种卤化物。冻结法通常采用CaCl2溶液作冷媒剂（常称为盐水）。氯化钙溶液性质：蒸发温度-25-35，溶液密度 1.251.27g/cm3，波美度为2931Be，凝固温度-34.6-42.63.3.2 冻结法原理与设计原则冷媒剂传递冷效应的物质，3.3.2 冻结法原理与设计原则制冷原理与制冷系统1 氨制冷：氨为制冷剂，制冷系统由三个循环构成：l氨循环系统l盐水循环系统l冷却水循环系统上述循环构成热泵，将地层热量通过制冷机排到大气中地层大气氨循环盐水循环冷却水循环Q0地层热量L0压缩作功QK冷凝热量3.3.2 冻结法原理与设计原则制冷原理与制冷系统1氨制冷：9氨循环盐水循环冷却水循环液态氨：气态氨：去油脂：低温盐水：加热盐水：常温冷却水：加热冷却水：9氨循环盐水循环冷却水循环液态氨：气态氨：去油脂：低温盐水：氨制冷循环：由蒸发器、氨压缩机、冷凝器和节流阀构成系统?饱和蒸气氨(1)?压缩机等熵绝热压缩?高温、高压过热蒸气氨(2)?高温高压过热蒸气氨(2)?冷凝器等压冷却?高压常温液态氨(3)?高压常温液态氨(3)?节流阀等焓降压?低压液态氨(4)?低压液态氨(4)?蒸发器等压蒸发，吸盐水热量?饱和蒸气氨(1)周而复始循环，可获取-25左右的低温盐水一级压缩制冷原理氨制冷循环：由蒸发器、氨压缩机、冷凝器和节流阀构成系统?饱和二级压缩制冷原理-25低温盐水一般不能满足大型岩土工程的需要，若需要更低的蒸发温度二级压缩制冷本质：增加中间冷却器，用一级制冷蒸发温度冷却二级压缩制冷原理-25低温盐水一般不能满足大型岩土工程的需3.3.2 冻结法原理与设计原则盐水循环：将地层热量带到大气中的循环，在制冷过程中起热量传递作用一般采用氯化钙（CaCl2）溶液作为盐水。盐水循环由盐水箱、盐水泵、盐水管路、集液圈、配液圈、冻结器等组成。其中，冻结器安设于预先钻进的冻结孔中，是低温盐水与地层进行热交换的换热器，由冻结管、供液管和回液管构成。3.3.2 冻结法原理与设计原则盐水循环：将地层热量带到大气3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则根据工程需要可以采用正、反盐水循环系统l 正循环：盐水由供液管进冻结管，在其中循环后，再由回液管返回盐水公路l 反循环：方向与正循环恰好相反一般用正循环，当需要先快速冻结上部地层时，可使用反循环。通过设置在管路上的阀门进行正、反循环切换供液管冻结管盐水回液管3.3.2 冻结法原理与设计原则根据工程需要可以采用正、反盐3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则如果说盐水循环是将地层的热量传给了氨循环，则冷却水循环是将热量释放给大气。冷却水循环将压缩后的过热蒸气氨冷却为液态氨，以便再蒸发。冷却水由水泵驱动，通过冷凝器进行热交换。3.3.2 冻结法原理与设计原则如果说盐水循环是将地层的热量3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则经过上述循环，冻结管周围土体中温度将随时间而降低温度 -10 0距离冻结管t1时刻冻结锋面t2时刻冻结锋面t0 t1 t2t0t1t2t1 t2 t3500mm），以防盐水中的沉淀物堵塞出口。（二）制冷设备8、盐水循环系统设备冻结器由冻结管、供液管、回液管及管盖等组3.3.2 冻结法原理与设计原则（三）冻结法设计原则迄今为止，冻结土体设计尚无统一标准(规程、DIN等)若：(1)遵循冻结法设计的基本原则(2)充分了解和掌握冻结工程特殊边界条件、初始条件同其他方法一样，冻结法可以达到技术可靠、经济合理3.3.2 冻结法原理与设计原则（三）冻结法设计原则迄今为止3.3.2 冻结法原理与设计原则先期准备工作在进行冻结设计之前，有必要评价：施工环境 地基的要求 冻结方法适应性等冻结设计的基础3.3.2 冻结法原理与设计原则先期准备工作在进行冻结设计之（1）在施工环境方面l 环境允许竖向沉降和水平位移的量值l 是否允许震动l 允许噪声的大小l 控制冻胀的范围和量值l 冻结钻进的可能位置l 施工场地条件l 施工工期和时间3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则（1）在施工环境方面l环境允许竖向沉降和水平位移的量值l是否3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则（2）在工程条件方面l冻土体功能，(1)密封、(2)承载或(3)密封和承载l冻土体形状与尺寸l地层特征、分层l地层初始温度及变化l土性：粒径、密度、塑限与液限、含水量、饱和度l土的热物理参数，试验3.3.2 冻结法原理与设计原则（2）在工程条件方面l冻土体3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则l可能产生冻胀的土层，细粒土冻胀、融沉试验l矿物质：可融性及影响l水，地下水位、变化波动范围、流速、方向l地下水含盐量l冻土强度和变形性质（3）在技术方法方面冻结制冷方式，制冷机、液氮或其它冻结方式3.3.2 冻结法原理与设计原则l可能产生冻胀的土层，细粒土必要的预研究内容（1）土工性质（2）冻土性质（3）环境评价（4）冻土设计（5）冻土监测3.3.2 冻结法原理与设计原则必要的预研究内容（1）土工性质（2）冻土性质（3）环境评价（1）土工性质内容：矿物种类密度含水量饱和度渗透性孔隙率物理状态指标目的：评价冻结法的适宜性和可能性考虑可能的冻结方式3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则（1）土工性质内容：矿物种类密度含水量饱和度（2）冻土性质内容：蠕变试验三轴试验冻胀试验目的：掌握与时间、温度和荷载有关的强度和变形性质建立冻结设计的基础3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则（2）冻土性质内容：蠕变试验三轴试验冻胀试验目的（3）环境评价内容：上部建筑工场管线交通道路周围建筑目的：了解变形（冻胀、融沉）的控制要求确定冻结方式、冻结方案3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则（3）环境评价内容：上部建筑工场管线交通道路（3）冻土设计内容：冻土体中温度及变化冻土体中应力及分布目的：计算冻土体的理论尺寸3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则（3）冻土设计内容：冻土体中温度及变化冻土体中应力及（4）冻土监测内容：冻土及未冻土区域的应力、变形和温度量测目的：工程环境的观测与控制采用特殊措施的决策基础3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则（4）冻土监测内容：冻土及未冻土区域的应力、变形和温度量3.3.2 冻结法原理与设计原则设计工作内容设计工作内容进行一项技术可行、经济合理的冻结工程的前提是在施工前进行冻结设计。工程意义上的冻结项目的设计工作包括：?冻结方案、冻结管布置；?冻土结构、尺寸、支护、?冻结过程、时间、系统、设备?冻结监测，等3.3.2 冻结法原理与设计原则设计工作内容进行一项技术可行3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结法原理与设计原则冻结项目的设计工作l 设计冻土体结构形式 地质、水文地质条件 满足工程强度和/或密封需求 方便工程施工 节省工程投资l设计临时支护方法 纯冻结维护 与其它方法结合3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结项目的设计工作l设计冻土3.3.2 冻结法原理与设计原则l 优选冻结方案 一次冻结 分期冻结l 确定冻土体尺寸 确定外载荷 确定平均温度 试验冻土强度 计算冻土结构强度与稳定性3.3.2 冻结法原理与设计原则l优选冻结方案一次冻结分l 布置冻结管 确定布置方式：垂直、倾斜、水平、混合 确定冻结管深度 确定冻结管间距l 确定冻结过程 连续冻结、冻结温度 间歇冻结、冻结温度l 确定冻结时间 冻结速率 积极冻结时间 维护冻结时间 与工程施工衔接l布置冻结管确定布置方式：垂直、倾斜、水平、混合确定冻结l l 设计冻结系统 选择制冷剂、冷媒剂 计算制冷量设计制冷系统l l 设备选型 选择制冷机组 布置冻结管路l l 设计监测 监测目的与内容（温度、变形、压力等）监测传感器 监测系统l设计冻结系统选择制冷剂、冷媒剂计算制冷量设计制冷系统3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结施工步骤所谓“冻结施工”有两个概念：一是土体冻结的实施二是土体冻结实施+冻结工程施工一般，氨循环制冷系统冻结施工工序主要由三大部分组成：?冻结站安装?冻结孔施工?土体冻结3.3.2 冻结法原理与设计原则冻结施工步骤所谓“冻结施工”3.3.2 冻结法原理与设计原则l 冻结站安装冻结站位置选择以供冷、电、水及排水方便为原则，考虑环境、消防、通风要求，靠近工地冻结站设备布置站内布置氨循环和盐水循环系统，站外布置冷却水循环系统冻结站安装程序可与冻结孔钻进同时进行管路耐压密封试验安装完毕，进行耐压、密封试验管路隔热保温低压、低温部分隔热、保温，减少损失管路灌注制冷剂和冷媒剂3.3.2 冻结法原理与设计原则l冻结站安装冻结站位置选择3.3.2 冻结法原理与设计原则l 冻结孔施工 钻孔布置 冻结孔钻进 冻结孔测斜 冻结管安装l 土体冻结 盐水流量观测 管路温差观测 土体温度观测 确定冻结时间若设计用液氮冻结或干冰冻结，则冻结站安装工作要简化得多3.3.2 冻结法原理与设计原则l冻结孔施工钻孔布置冻结