人工多圈管凍結地層的水熱力耦合研究及其凍結壁計算.pdf

1、本文在查詢了大量的國內(nèi)外相關文獻的基礎上，結合目前我國煤礦深厚表土地層凍結法鑿井的實際工程現(xiàn)狀，提出了進行深厚表土地層人工多圈管凍結下，凍結壁在形成過程中溫度場、水分場和凍結應力場的耦合分析，并在考慮初始凍結應力場和井筒開挖過程的條件下，對深井凍結壁的力學性態(tài)進行分析。其成果對我國深厚表土地層人工多圈管凍結法鑿井的理論發(fā)展與技術進步具有促進作用。 人工多圈管凍結地層過程中的溫度場、水分場和凍脹應力場的耦合分析，影響因素多、關系復

2、雜，是一個多場耦合和非線性問題。本文采用理論分析、模型試驗、現(xiàn)場量測和數(shù)值模擬方法對問題進行了較為全面的研究。并獲得如下主要成果：進行了多圈管凍結土體過程的溫度場、水分場和凍結應力場的模型試驗研究，獲得了人工凍結地層的溫度場、水分場和凍結應力場之間的關系及其隨凍結時間的變化規(guī)律。證明了凍結溫度梯度是引起水分遷移和形成凍結應力場的根源。 凍土是一種蠕變特性明顯的材料，通過凍土三軸蠕變試驗，獲得了高應力下凍土的蠕變特性。認為凍土服從

3、D-P屈服準則，并采用非線性牛頓體替代西源模型中的線性牛頓體，從而提出了改進的西源模型，并在ADINA軟件平臺上開發(fā)了此模型計算程序。通過比較表明了改進的西源模型，更符合高應力下凍土的蠕變特征。通過研究獲得了凍結溫度場的形成和發(fā)展規(guī)律、凍結水分場的遷移和凍脹應力的形成特性，以及耦合作用下三場之間的關系。建立了溫度梯度影響下，凍結水分場的遷移模型。對比表明了數(shù)值模擬與模型試驗有較好的對應關系。并得到了顧北煤礦風井井筒凍結法鑿井實測數(shù)據(jù)的驗

4、證。 對顧北煤礦風井進行了深井凍結壓力和孔隙水壓力的量測，獲得了實際工程中的凍結壓力和孔隙水壓力的變化規(guī)律以及與凍結溫度的關系；獲得了深井多圈管凍結條件下，凍結壁形成性狀以及不同區(qū)域中凍土的擴展速度和凍結溫度的分布特征。提高了對深井凍結及其凍結壁復雜性的認識。 進行了深井凍結壁開挖過程的力學性能計算和分析。比較了考慮初始凍結應力和不考慮凍結應力狀況下，凍結壁的力學性能差異，進一步掌握了深井凍結壁的力學特性，對深井凍結壁設