有限变形理论的深厚冲积层冻结壁变形特性分析

冻结壁的变形及其影响因素是冻结凿井工程,特别是深厚冲积层冻结法凿井工程中急需研究解决的技术课题。基于有限变形理论,利用冻土有限变形本构关系及其蠕变参数,对深厚冲积层(超过400m)冻结壁进行了有限元分析,表明冻结壁井帮径向位移在段高内的分布是不均匀的,一般是上下小、中间大,并且冻结壁内部径向位移比井帮径向位移小;得出了冻结壁井帮的最大径向位移与冻结壁厚度、冲积层厚度、开挖段高、开挖段井帮暴露时间和井筒开挖半径关系表达式,并得到了现场实测验证。     

冻结壁的有限元分析

本文指出了以往冻结壁设计所存在的问题,认为用有限元法求解冻结壁应力和位移比较恰当。介绍了冻结壁有限元分析的基本理论、计算成果及其分析。提出了水平不动面的概念,并据此求冻结壁的绝对位移值。提出了用有限元法与现场观测相结合的办法推算冻土物理力学性质、并根据所求出的冻土物理力学性质进行冻结壁设计或予测未来井筒的井帮位移值。     

类比法分析预测井筒冻结效果实例应用

张集煤矿先后施工中央区第二副井、东区进风井2个井筒,本文通过分析第二副井相关冻结参数及井筒开挖实际情况来计算不同层位冻土发展速度,进而类比预测东进风井井筒冻结交圈和控制层位有效冻结壁厚度、井帮温度,为下一步工作提供依据。     

潘集矿区冻结壁平均温度及冻结孔布置圈径的探讨

潘集矿区的冲积层厚、含水的砂性土层埋藏深、膨胀性粘土层厚、地压及水压大、地温高。在如此复杂的地质条件下,如何正确计算冻结壁厚度和冻结孔布置圈径,具有特别重要的意义本文在潘集冻结试验井、潘一东风井和潘二南风井的冻结壁温度场试验实测和理论计算的基础上,对冻结壁的平均温度特性和内外侧厚度比值等进行了分析研究,提出了有效厚度的冻结壁平均温度和冻结孔布置圈径的计算公式,并在潘集等矿区的深井冻结设计中应用,取得了良好的效果。     

基于抛物线形温度场的冻结壁粘弹性分析

为了更加合理得分析复杂地层中冻结壁的受力及变形特性,将非均质冻结壁的温度场等效为抛物线形分布,考虑冻结壁内部土体的卸载作用,基于粘弹性理论结合数值积分方法推导了非均质冻结壁的应力场与位移场的半解析解表达式。对比分析了在冻结壁卸载初期到井壁完成施工的24h的时间里,非均质冻结壁与均质冻结壁的承载力与位移变化情况。结果表明:对应相同的时刻,非均质冻结壁的承载力小于均质冻结壁,而非均质冻结壁的井帮位移要大于均质冻结壁,为冻结壁的设计理论提供了理论参考。     

彬长矿区基岩全深冻结监测研究

高家堡矿井井筒穿越岩层遇水泥化和裂隙发育,同时面临高地温的地质条件和大流速高承压的复杂水文条件,采用全深冻结方案,主、副、风井冻结深度达分别到788,850,860 m,是目前国内最深的软岩冻结井之一。为确保安全通过冻结段,并了解井筒掘进过程中井壁冻结情况、温度变化等,有效评估冻结壁发展状况,并分析冻结壁、井壁的安全与稳定性,对冻结施工全过程中的井帮温度、井底温度、空气温度以及井帮位移等进行了信息化监测,实现了安全快速掘进,节约了矿井建设成本。分析表明,在施工过程中应适当提高混凝土强度等级,采用早强、高强的混凝土,以保证外层井壁具有足够的早期强度;制定外壁局部应急加固预案及技术措施,并进行必要的材料准备,防止井壁局部破坏。     

立井强化冻结施工理论分析

本文以谢桥主井为例,从冻结壁强度、变形、工作面底鼓和超前位移及冻胀压力等几方面.分析了深厚表土立井强化冻结施工对防止冻结管断裂和外层井壁破坏的机理.给出了强化冻结施工适用条件.并提出了按井帮温度进行强化冻结设计的方法.     

联络通道富水卵砾石层冻结施工冻结壁温度及变形的模型试验

应用室内强度试验确定富水卵砾石层相似材料配合比,并进行冻结温度场、水分场与应力场的相似准则推导,设计研发出以物理模型箱,包括加载、制冷、监测系统为一体的多功能物理模型试验平台,根据等散热能量原则设计冻结管布置方案,研究了富水卵砾石层冻结过程中冻结壁温度及变形规律。通过模型试验监测模拟富水卵砾石地层冻结壁形成、地层冻胀及开挖过程中温度场与位移场变化,发现距离冻结管近端温度下降比远端快,随着时间的不断增加,冻结壁冻胀位移一直增大,最后达到峰值,不同位置由于冻胀引起的位移还是存在稍许差异,具体表现在拱顶冻胀位移最大,拱角次之,拱底最小。结果表明:冻结壁内侧温度下降比外侧下降快,离冻结管越远的测点差异性也越大,距离冻结管近端温度下降比远端快;冻胀阶段位移拱顶处最大,其次为拱角,拱底最小,而开挖阶段拱底处位移变化最大,其次为拱角,拱顶最小。两阶段位移都是先增大而后趋于平缓,但开挖位移开挖断面处有突变。     

关于深井冻结凿井中的合理井帮温度问题

本文根据冻结壁温度场的特征,详细地分析了井帮温度与冻结壁的平均温度、有效厚度及其承载力等方面的关系.提出了合理井帮温度的确定方法.     

井筒开挖下非线性冻结壁的应力场和位移场计算

基于冻土力学性能试验获得的冻土应力一应变关系曲线所确定的冻土本构方程,分析人工冻结壁在井筒开挖过程中的力学特性;利用解除应力的概念,考虑冻结壁为非线性材料,推导出冻结壁的应力场和位移场的计算公式．通过对实际工程的计算分析表明,该计算方法可应用于深井冻结壁的设计计算．     

特厚表土层冻结方案探讨及数值模拟研究

针对特厚表土层立井冻结方案的选择尚无理论依据的现状,采用理论计算和数值模拟相结合的分析方法,获得了丁集矿冻结温度场分布规律和冻结壁厚度等重要冻结参数。实践表明,该设计方案能较好地满足现场工程实践的要求。     

直线形冻土墙动态温度场的试验研究

在研究直线形冻土墙用于深基坑支护时其温度场数学模型的基础上，考虑工程因素，根据相似理论，对冻土墙温度场进行了模拟试验研究。结果表明：在积极冻结期冻土墙厚度与温度分布的无因次方程近似直线方程、与时间的无因次回归方程为二次多项式方程；提出了冻土墙平均温度、厚度、积极冻结时间的推算方法；用一定厚度的泡沫塑料板对冻土墙保温是方便而可行的。     

冻土墙冻结温度场和应力场耦合的有限元分析

根据传热学和固体力学原理导出了温度场、应力场耦合微分控制方程,并用伽辽金法推导了两场耦合的有限元计算公式。在NCAP-2D有限元程序的基础上扩充了冻结温度场和应力场的有限元程序,使其适应于冻土墙深基坑两场耦合分析。分析结果表明:冻土墙的变形呈一曲线的形式,最大位移发生在跨中顶部;地基因不同的热膨胀系数造成地表和基坑底部位移值不同。数值模拟的系统分析可为冻土墙围护深基坑开挖工程的设计与施工提供科学依据。     

特厚冲积层冻结井壁受力机理与设计优化

为解决特厚冲积层冻结井筒的支护难题,对井壁受力机理和设计优化方法进行了探讨.井壁实际受力状态分析表明:特厚冲积层冻结井筒,外层井壁的内缘混凝土处于"拉-压"二向应力状态,其中环向处于压应力状态,竖向则处于拉应力状态;而内层井壁的内缘钢筋混凝土处于"压-压"二向应力状态,其中环向压应力是由静水压力或层间压力引起的,竖向压应力则是由自重应力等引起.根据现行混凝土结构设计规范,提出了特厚冲积层冻结井壁设计优化方法.工程实例应用结果表明:采用这一设计优化方法不但可以减薄井壁总厚13%,而且它与现行国家混凝土结构设计规范相衔接,各项参数取值有法可依,优化后的井壁工作状况正常.     

冻结法施工软土深基坑的可行性研究

通过对淤泥质粘土冻结后的力学性能以及冻土墙的稳定性的阐述,并对冻结法施工软土深基坑在经济、技术方面的可行性进行了分析.结果表明:淤泥质粘土冻结后具有一定的强度,利用冻土墙维护软土深基坑在经济、技术上都是可行的.     

卸载状态下冻结壁外载的确定

基于冻结壁处于卸载状态的事实,在卸载状态下冻结壁－周围土体共同作用的冻结壁力学模型下论证了冻结壁外载不是固定不变的原始水平地压,而是由冻结壁与周围土体共同作用的结果决定,与冻结壁弹塑性状态密切相关的变量。计算结果表明,冻结壁外载比原始水平应力要低得多,这对冻结壁的设计具有一定的指导意义。     

不同本构模型对计算防渗墙应力的影响

利用平面有限元对某深厚覆盖层上的高土石坝防渗墙进行应力分析,研究防渗墙混凝土采用线弹性本构模型和非线性弹性本构模型时计算的应力差异,并对比了相同防渗墙高度不同坝高和同一坝高不同防渗墙高度下2种模型对防渗墙应力的影响。分析表明,2种本构模型计算的防渗墙应力变化规律相同,但弹性非线性模型计算的应力比线弹性模型计算结果小。在低应力情况下两者计算值接近,在高应力情况下两者计算值差异较大。防渗墙最大应力随坝高和防渗墙高度的增加而增大,2种模型计算的最大应力的相对误差也随着坝高和防渗墙高度增加而显著增大,且呈线性增大趋势。对坝高或覆盖层厚度较大的情况,防渗墙应力较大,宜采用非线性模型进行计算。     

内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁数值模拟

为解决深厚冲积层冻结井筒的支护难题,采用有限元软件对内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁结构的强度特性进行了数值模拟。计算结果表明,提高混凝土强度等级、增大厚径比和加大内层钢板厚度可显著提高该种井壁的承载能力,而配筋率对井壁承载力影响很小。根据数值模拟计算结果,回归得到了内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁承载能力计算公式,计算方法简单,可用于该类井壁结构设计参考。