人工多圈管凍結(jié)地層的水熱力耦合研究及其凍結(jié)壁計算.pdf

1、本文在查詢了大量的國內(nèi)外相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前我國煤礦深厚表土地層凍結(jié)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(jié)下，凍結(jié)壁在形成過程中溫度場、水分場和凍結(jié)應(yīng)力場的耦合分析，并在考慮初始凍結(jié)應(yīng)力場和井筒開挖過程的條件下，對深井凍結(jié)壁的力學(xué)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(jié)法鑿井的理論發(fā)展與技術(shù)進步具有促進作用。 人工多圈管凍結(jié)地層過程中的溫度場、水分場和凍脹應(yīng)力場的耦合分析，影響因素多、關(guān)系復(fù)

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(jié)土體過程的溫度場、水分場和凍結(jié)應(yīng)力場的模型試驗研究，獲得了人工凍結(jié)地層的溫度場、水分場和凍結(jié)應(yīng)力場之間的關(guān)系及其隨凍結(jié)時間的變化規(guī)律。證明了凍結(jié)溫度梯度是引起水分遷移和形成凍結(jié)應(yīng)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(yīng)力下凍土的蠕變特性。認(rèn)為凍土服從

3、D-P屈服準(zhǔn)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(yīng)力下凍土的蠕變特征。通過研究獲得了凍結(jié)溫度場的形成和發(fā)展規(guī)律、凍結(jié)水分場的遷移和凍脹應(yīng)力的形成特性，以及耦合作用下三場之間的關(guān)系。建立了溫度梯度影響下，凍結(jié)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(yīng)關(guān)系。并得到了顧北煤礦風(fēng)井井筒凍結(jié)法鑿井實測數(shù)據(jù)的驗

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