突发定渗流作用下冻土温度场演化规律及判别方法

张松^1,2，岳祖润^3,4，孙铁成^1,3，张基伟^2,5，苏彦林¹

1. 石家庄铁道大学土木工程学院2. 北京中煤矿山工程有限公司3. 石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室4. 石家庄铁道大学研究生学院5. 煤炭科学研究总院建井研究分院

摘 要：在人工冻结法工程中,关于地下水与冻结温度场的耦合性研究主要着眼于恒定渗流工况,而对突发定渗流工况鲜有研究。为了分析突发定渗流作用下温度场演化规律,基于相似理论建立模型试验系统,开展了单排管冻结模型试验研究,得到了突发定渗流条件下冻结壁及温度场的演化规律。试验结果显示:①突发定渗流速度v_s接近恒定渗流条件下极限交圈流速v_c时,上、下游未冻区温度随时间呈线性变化,当v_s>v_c时未冻区温度随时间呈二次函数型变化,v_s越大该变化趋势越显著;②随着v_s的增大,试验末期冻结壁形态逐步由偏心冻结壁向独立偏心冻土柱过渡。研究表明:①突发定渗流对温度场的作用可划分为未冻区的直接作用和冻土区的间接作用;②基于突发定渗流发生后的冻结壁形态和温度场分布特征,地层冻结过程可划分为:持续扩展、减速扩展、发展抑制、全面损伤4个阶段;③渗流发生前,土体温度梯度呈三角函数分布,渗流发生后,上游温度梯度峰值将会迅速增大,峰值位置向冻土区移动,下游温度梯度逐步趋平。根据上述研究结果发现在地层冻结过程的持续扩展和减速扩展阶段完成突发定渗流的判定,对保证工程安全、减少冷量消耗最为关键,并提出基于地层温度和温度梯度分布双准则的突发定渗流判定方法。

关键词：突发定渗流;温度场;人工冻结法;温度梯度;