多圈管冻结壁内部冻胀应力的形成特性研究

论文摘要

随着我国对煤炭能源的需求不断增大,一大批大型、特大型煤矿随之新建,这些新建矿井大多需要穿越深厚松散表土地层。为此,冻结法凿井过程中出现了一系列例如冻结深度越来越大、冻结壁厚度越来越大,冻结管布置圈数越来越多等工程情况。同时,多圈管冻结冻结壁在形成过程中其内部越来越大的冻胀应力,导致了一些工程问题,比如外层井壁受冻结压力作用而破裂、井筒开挖过程中冻结应力释放导致冻结壁变形和冻结管断裂等。通过查询国内外大量相关文献,结合我国煤矿深厚表土地层冻结法凿井工程现状,本文提出了研究深厚表土地层人工多圈管冻结下,在冻结壁形成过程中其内部冻结应力场的形成发展规律及外层井壁受冻结压力作用的规律,保证冻结壁和井壁的安全。本文采用模型试验、数值模拟和现场实测方法,研究冻结壁内部冻胀应力场和外层井壁上冻结压力规律。通过试验发现中圈冻结管位置内侧的冻结应力最大,约为0.54MPa；而内圈管的内侧和外圈冻结管的外侧冻结应力相对较小,大致仅为0.3MPa左右,且发展速度相对比较缓慢。而井壁上的冻结压力随着温度的下降而快速上升,最大可达到0.35MPa。通过试验得出冻结壁内部冻结应力的大小不仅与冻结温度场有关,而且跟冻结管布置方式和冻结管的间距有密切关系；而外层井壁上冻结压力大小与井壁的温度有关,尤其受混凝土水化热的影响非常大,在混凝土水化热开始的一段时间内压力急剧下降随后缓慢上升直至稳定在一个相对的数值上。通过ADINA软件对温度场和冻结应力场进行耦合分析模拟,结合现场冻结壁内部冻结应力场与外层井壁冻结压力的监测分析,得出了冻结应力场的发展变化规律。发现在深厚表土层冻结壁形成过程中冻结应力场较大,如现场测试值最大可达5.8MPa,表明工程实际中应该充分重视深井冻结压力的控制,保证工程的安全。图[57]表[14]个参[46]

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 课题的研究意义
• 1.3 国内外研究状况
• 1.4 研究方法、内容和技术路线
• 1.4.1 研究内容与方法
• 1.4.2 技术路线
• 2 土体冻结过程物理场及力学基础
• 2.1 基本假定
• 2.2 冻土的冻胀机理及其影响因素
• 2.2.1 概述
• 2.2.3 土及冻土的热物理参数
• 2.2 冻土介质基本微分方程
• 2.3 冻结温度场微分方程
• 2.4 冻结壁受力的数学模型
• 3 多圈管冻结模型试验
• 3.1 概述
• 3.2 模型试验设计
• 3.2.1 相似定理
• 3.2.2 相似准则推导
• 3.2.3 模型试验方案及参数设计
• 3.3 模型试验数据处理及结果分析
• 3.3.1 冻结壁内部冻胀应力场特征
• 3.3.2 冻结压力变化分析
• 3.3.3 测点冻结压力沿径向对比
• 3.4 小结
• 4 深井冻结壁应力场有限元数值模拟
• 4.1 简述
• 4.2 有限元软件的选用及特点
• 4.2.1 ADINA有限元程序简介
• 4.3 冻结壁温度场和应力场数值模拟
• 4.3.1 温度场非线性有限元分析
• 4.3.2 冻结温度场和应力场耦合有限元方法
• 4.4 冻结模型试验的数值模拟
• 4.4.1 计算模型的建立
• 4.4.2 冻结温度场数值模拟
• 4.4.3 冻结应力场数值模拟
• 4.5 小结
• 5 现场实测
• 5.1 工程概况
• 5.2 监测内容及方案
• 5.2.1 冻结壁内部冻胀压力监测
• 5.2.2 井壁冻结压力监测
• 5.3 小结
• 6 模型试验,数值模拟和现场实测对比
• 6.1 模型试验与现场实测对比
• 6.1.1 冻结壁内部冻结应力对比
• 6.1.2 井壁冻结压力对比
• 6.2 数值模拟与现场实测对比
• 6.2.1 冻结壁内部冻结应力对比
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果