岩体钻孔各深度的温度梯度变化规律分析_石窟岩体结构稳定

时间:2020-01-22  栏目:励志故事  

岩体钻孔各深度的温度梯度变化规律分析_石窟岩体结构稳定

7.5.3 岩体钻孔各深度的温度梯度变化规律分析

温度梯度是岩体力学分析的重要参数,对临界应力的影响很大。温度应力主要分为温缩应力、翘曲应力和温度内应力。为了定量地对岩体施加应力场,需要对非线性变化引起的温度内应力、温度均匀引起的温缩应力和线性温差引起的翘曲应力进行研究,旨在为力学模型提供定量的温度应力场依据,以便更好地模拟温度梯度的作用。本小节主要对岩体的温度梯度变化规律进行分析,为后期温度应力场的研究提供基础资料。

同一时刻不同深度处的岩体温差称为温度梯度。其表达式如下

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式中:T(x1,t)为岩体x1处温度,℃;T(x2,t)为岩体x2处温度,℃;(x2-x1)为岩体不同位置间距离。

选用2011年9月19日—2011年9月23日的温度监测数据对钻孔内各段温度梯度的变化规律进行分析研究(图7.23)。研究对象分别是0~5cm段、5~15cm段、15~30cm段、30~50cm段与50~80cm段。

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图7.23 2011年9月19日—9月23日钻孔内各深度范围温度梯度动态变化

根据图7.23,分析钻孔内各深度范围的温度梯度变化规律,可以得到以下结论。

(1)对钻孔内各段的温度梯度逐一进行相关性分析。0~5cm段与5~15cm段的相关系数为0.833,5~15cm段与15~30cm段的相关系数为0.860,15~30cm段与30~50cm段的相关系数为0.609,30~50cm段与50~80cm段的相关系数为0.8。从各段的相关系数可知,沿深度的温度梯度的变化规律性较强。与钻孔内各深度的温度变化相同,15~30cm段的温度梯度变化较复杂,规律性不强。同样佐证该段是吸收—释放热量活跃部位,该处温度应力变化复杂。

(2)钻孔不同区间的温度梯度波动整体趋于一致。0~5cm段一般在12:00左右达到正温度梯度峰值,最大峰值可达140℃/m,在夜晚达到负温度梯度低值,最小低值为-28℃/m;5~15cm段一般在14:00左右达到正温度梯度峰值,最大峰值可达41℃/m,在7:00左右达到负温度梯度低值,最小低值为-35℃/m;15~30cm段一般在15:00左右达到正温度梯度峰值,最大峰值可达19.5℃/m,在5:00~7:00左右达到负温度梯度低值,最小低值为-12.7℃/m;30~50cm段一般在17:00左右达到正温度梯度峰值,最大峰值可达31℃/m,在8:00左右达到负温度梯度低值,最小低值为-8.3℃/m;50~80cm段一般在夜间达到正温度梯度峰值,最大峰值可达7℃/m,在8:00~10:30左右达到负温度梯度低值,最小低值为0/m。钻孔内各段岩体除50~80cm外,都出现正负温度梯度,表明各段岩体均有拉压反复作用的应力环境。

(3)与大气温度呈周期性变化类似,各段的温度梯度也呈24h的周期性变化。在一个周期内,0~5cm段的温度梯度变幅最大可达168℃/m,说明该段受到的拉压反复作用最为严重;5~15cm段温度梯度变幅最大可达71℃/m;15~30cm段温度梯度变幅最大可达29.3℃/m;30~50cm段温度梯度变幅最大可达35℃/m;50~80cm段温度梯度变幅最大为6.3℃/m,拉压反复作用影响甚微。可见随深度增加,温度梯度的变幅逐渐降低,温度应力也随之减小。各段温度梯度的变化有利于云冈石窟砂岩的差异风化。

在白天,由于岩壁表面吸收太阳辐射,受到气温、风速变化、天气状况等影响,导致岩壁表面温度要高于钻孔内温度。此时岩壁表面受到正温度梯度的作用,内部岩体受拉,岩壁表面受压。在夜间,岩壁表面温度低于钻孔内岩体,岩壁表面受到负温度梯度的作用,内部岩体受压,岩壁表面受拉。每天昼夜气温呈周期性变化,同时由于岩体传热需要一定的时间,温度在钻孔岩体内呈不均匀分布。可见,温度梯度的分析研究对后期温度应力场的研究十分关键。

图7.24为2012年1月低温季节的温度梯度变化图。与9月数据类似,负温度梯度远大于正的温度梯度,即内部温度低于表层温度情况。表层出现最大温度梯度的时间主要为中午,内部稍有滞后。正的温度梯度在15~5cm范围内长时间存在。也就是说在该深度范围,岩石内部温度高于浅层温度,峰值一般出现在表层负温度梯度峰值前。深部50~80cm,温度梯度小,说明深度大于50cm的崖壁岩体内温度的影响可以忽略。

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图7.24 2012年1月1日—1月11日温度梯度变化图