考虑冻胀效应的冻结壁弹塑性分析

在冻结法施工中,地层冻结引起介质体积膨胀而产生的冻胀力使地应力场产生重分布,基于这一特点建立了井筒未开挖和开挖后的冻结壁与其周围土体相互作用的计算模型。首先,利用修正的冻结壁本构方程,计算出井筒未开挖时受冻胀影响的地层应力弹性解;然后,把冻结完成时的状态作为起始状态,基于Drucker-Prager屈服准则推导出开挖后的冻结壁弹塑性解。通过工程实例分析可以获得开挖后的冻结壁及其未冻围岩区的应力场和位移场,结果显示考虑冻胀后环向应力曲线明显不连续,以及在考虑冻胀影响之后,井筒开挖后的塑性半径和冻结管处所受的应力变小,而冻结壁外边界处的应力相对增大;参数分析表明开挖前后的冻结壁外所受应力随着冻胀线应变的增大而增大,而冻结管处的应力和塑形半径随着冻胀线应变的增大而减小,适当选取冻结管的安放位置可避免冻结管断裂问题。此外,冻结管的安放位置对塑性半径影响不大,中间主应力系数对冻结壁应力布和塑性半径均有重要影响且具有区间效应性。该计算模型较好的符合工程实际,能为冻结壁的设计提供一定的借鉴意义。