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。     

斜井冻结凿井数值模拟方法

 为提高ANSYS 软件对斜井冻结凿井模拟的准确度, 提出一种双模型法与改进重叠单元法相结合的数值模拟方法。以某矿主斜井表土冻结段施工为背景, 考虑冻土为弹塑性介质, 建立斜井冻结掘砌平面模型, 采用本方法对掘砌模型进行模拟分析, 并与传统方法进行比较。结果显示, 采用双模型法模拟掘砌模型的初始应力-位移环境, 得到的应力场、位移场与围岩未扰动状态下的理论值吻合;改进重叠单元法模拟井帮完全卸载后支护井壁的掘砌过程, 得到不同模型顶面埋深下井壁内外缘的环向应力均小于10^-6 MPa, 井壁位移均小于10^-7 m, 与理论值接近, 且本方法的模拟结果均优于传统方法, 表明本方法具有较好的可行性和较高的模拟精度。     

大断面千米立井巨厚含水层冻结技术及快速掘砌技术在核桃峪煤矿的成功应用

本文针对核桃峪煤矿副立井普通法掘砌至472m时,因井筒涌水量突然变化(涌水量达145m3/h),被迫改为冻结法施工的案例,来探索研究:(1)弱胶结松软地层冻结壁强度、冻结温度发展规律、冻结特性及其与井壁的相互作用机理;(2)千米深井冻结壁形成及发展规律与无水文孔时冻结壁交圈的判别条件; 3.冻结施工对普通法施工段井壁的影响及普通法施工段井壁的保护技术;(4)大断面千米立井综合机械化快速掘砌技术研究与应用。通过上述研究,取得了以下几个方面的成果:(1)合理的确定了冻结设计参数、冻结壁厚度、冻结孔布置方式;(2)确保了千米深井冻结管不断裂,外层井壁不压坏,不冻坏、永久井壁不漏水;(3)通过采用热水循环控制冻土边界对普通法施工段已成井壁进行了保护;(4)确保了井筒安全、高效建设,副立井最大毛断面141.03 m2,掘砌期间连续四个月进尺超过100m,最高月进尺达到105.3m,为大断面千米立井掘砌创造了辉煌的业绩。     

冻结红层软岩的蠕变特性研究

为研究第三系红层软岩在低温下的蠕变特性,对冻结红层进行单轴蠕变试验,试验结果表明,在应力水平较低时,软岩只存在衰减蠕变,随着应力水平的增大,当超过流变长期强度时,出现了非稳定蠕变;同时,随着温度的降低,软岩的瞬时应变量和蠕变量都会明显减少,而长期强度则有较大幅度的增长,说明温度对软岩及冻结壁的流变性质影响十分显著。引入与时间和应力相关的非线性黏滞系数和时间开关函数,对西原模型进行改进,得到了可以描述加速蠕变的非线性流变本构模型,通过试验数据对冻结红层软岩的参数进行了辨识。将流变模型嵌入到abaqus有限元程序,并对井筒开挖进行数值模拟,获得冻结壁最大位移与时间曲线,通过与实测值进行比较,两者较为吻合。可见,建立的流变模型能够很好的描述冻结红层软岩的蠕变规律。     

依据凿岩条件确定立井混合作业施工段高

在立井施工中,掘、砌混合作业是一种快速施工方法。采用的施工段高合理与否直接影响围岩稳定,作业安全,横板型式,循环工作组织和凿开设备选择,施工段高是一组重要工艺参数。通过对伞形钻架钻孔分析,得出确保最佳边眼角和最佳边眼开口位置的合理施工段高为3.1至8.4m。     

冻结凿井中冻胀数值分析

为研究土体冻胀对冻结壁受力的影响,采用ANSYS有限元软件模拟深井冻结凿井施工中的土体冻胀情况,并结合现有冻结理论分析单圈冻结下冻胀位移场和应力场的变化规律。结果表明：冻结壁外侧土体冻胀位移均为正（向外）,内侧均为负（向内）,外侧明显大于内侧;冻结壁内侧冻胀应力远大于外侧,内外冻胀应力差使冻结壁不断向外变形;积极冻结初期冻结壁内部应力复杂,积极冻结后期,其内部应力状态趋于平缓。     

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。     

升富矿主斜井垂直冻结关键技术研究

为解决升富矿主斜井垂直冻结凿井问题,通过理论计算、类似工况论证及实测方法,进行了参数及方案设计。结果表明:主斜井明、暗挖段在凿井中冻结温度、冻结壁厚度均达到设计要求,冻结提前12天完成,且冻结过程无渗漏水,井筒收敛变形符合规范要求,冻结参数及方案合理可行。     

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.     

明垭子软岩隧道围岩稳定性评价

以明垭子软岩隧道为工程依托,结合现场围岩岩性应用理论分析得出隧道围岩变形的理论极限位移,通过FLAC数值模拟软件建立相应的计算模型,分析了现场施工引起的隧道围岩变形值,根据位移评判依据来评判隧道的稳定性,通过现场监测分析明垭子隧道围岩的变形特点。研究结论对软岩隧道的安全施工有一定的参考价值。     

深部倾斜巷道变形机理的数值模拟

文章综合考虑影响深部巷道围岩变形的各种因素,并以淮北临涣矿为工程背景,通过现场观测、调研、取样和煤岩力学参数的实验室测定,建立了临涣煤矿的深部巷道计算模型;采用大型有限元软件ANSYS,分析软岩影响下的巷道变形特点;论述了适合软岩巷道围岩变形控制的耦合支护理论,并结合该理论和软岩巷道应力破坏特点,对临涣煤矿软岩处进行了支护优化设计,并对支护设计的结果进行了数值模拟仿真分析,得出对后续现场支护工业实验具有指导意义的结论。     

锚杆长度对预应力锚杆加固软岩巷道效果的影响

通过对预应力锚杆加固软岩巷道时加固参数锚杆长度变化的模拟得到其对锚固效果的影响曲线,对比了不同影响参数的影响曲线图,并根据曲线确定了影响参数和径向位移之间的函数式;进而对变形最小时的影响参数给出分析评价、对比了参数对锚杆加固软岩巷道和加固基坑的影响效果。     

神华集团塔然高勒煤矿风井普通法转基岩冻结法凿井施工实践

塔然高勒煤矿风井井筒采用普通法施工过程中井筒大量涌水,导致淹井,后采用冻结法施工。文章介绍了井筒冻结设计、冻结施工及井筒掘砌情况,并对已有井壁破损的问题作了简要探讨。     

盾构出洞冻结法加固土体的稳定性分析

运用三维有限差分软件FLAC3D对上海轨道交通某区间隧道盾构出洞冻结法施工过程进行了模拟,对盾构出洞过程中施工稳定性进行评价。施工竖井为地下四层结构,围护结构采用地下连续墙。数值模拟冻结壁水平应力、最大主应力、沿隧道开挖方向位移的变化,将模拟得到的应力与冻结壁强度设计值进行对比,并对隧道轴线方向地表沉降位移进行预测,同时采用安全系数法对施工的安全性进行了评价。安全系数满足设计要求,进一步说明了冻结法在软土地区地下工程施工中的优越性。     

不同曲率下预应力斜墩曲线连续刚构桥施工过程变形分析

桥墩横向变形是曲线连续刚构桥产生径向位移和扭转变形的主要原因,为探究预应力斜墩对曲线连续刚构桥施工过程变形的影响规律,通过矩形斜墩在曲梁偏压和桥墩预应力作用下墩顶横向位移和转角计算公式的理论推导,阐释了预应力斜墩在曲线连续刚构桥悬臂施工过程中变形的主要规律;以实际工程为背景,通过不同曲率半径的曲线连续刚构桥数值模拟分析,研究了曲率半径对该类桥梁各施工荷载作用下空间变形的影响规律.结果表明:斜墩的斜腿构造和预应力对减小曲梁的径向位移和扭转变形作用明显;最大悬臂状态曲梁的径向位移和扭转变形由悬臂根部向悬臂端先增大后减小,且峰值随曲率半径的减小而向桥墩靠近;直线连续刚构桥的径向位移和扭转变形产生于桥墩的横向变形,而曲线连续刚构桥还包含了曲梁自身的径向位移和扭转变形.预应力斜墩曲线连续刚构桥施工过程变形复杂,桥梁施工控制尤其需要关注其径向变形和扭转变形.     

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。     

周油坊铁矿1~#措施井快速冻结施工分析与研究

针对周油坊铁矿1#措施井的工程特点,结合该地区冻结井筒的施工经验和教训,设计出了周油坊铁矿1#措施井施工的最佳冻结方案,在冻结过程中对开机制冷、盐水泵压和流量以及冻结效果进行了论述,井筒掘砌期间加强施工过程监测、分析与控制,使建井时间大大缩短,提高了社会经济效益。为今后冻结井筒的设计与快速冻结施工提供了安全可靠、经济合理的参考方案。     

青岛土岩复合地层地铁隧道初支结构参数

为了对青岛地区土岩复合地层地铁隧道初支结构参数进行研究,依托青岛地铁1号线隧道工程,结合正交试验设计方法,采用FLAC3D进行数值模拟,就施工方法、锚杆长度、初支刚度、初支厚度对隧道变形的影响程度、最优初支结构参数及锚杆受力进行了分析.通过现场实测与数值计算对比,验证了数值计算的正确性.结果表明:当隧道位于强风化花岗岩地层中时,施工方法对隧道变形影响最显著,锚杆长度变化引起隧道变形不明显;采用全断面法施工,最优初期支护结构参数组合为锚杆长为2 m、初支厚度为30 cm,混凝土强度等级采用C25;拱顶上方锚杆轴向受压,可能影响锚杆发挥支护作用,主要原因是地层-锚杆间产生的相对滑移变形.研究结论对重庆、厦门等"上软下硬"地区具有一定的理论研究意义和工程使用价值.     

多圈管冻结壁温度场发展及冻结管偏斜影响

人工多圈管冻结是深厚地层井筒掘砌的最有效方法,为进一步了解冻结壁温度场发展特性,以某冻结井筒为原型,开展了室内多圈管冻结模型试验,同时借助有限元软件对冻结管无偏斜以及随机偏斜两种条件下冻结壁温度场发展特性进行了分析比较。得出冻结管布置圈径对冻结壁环向扩展速率影响较小;冻结管偏斜对井帮温度、冻结壁有效厚度影响较小,但对不同位置冻结壁交圈时间及对径向方向冻结壁平均温度影响较大;同时冻结管偏斜会使冻结壁内部产生更多的密闭未冻承压水仓,引起冻结壁内部冻胀力增大,对冻结壁整体稳定性产生不良影响。在冻结造孔时,要严格控制冻结管偏斜。     

基于正交试验的围护结构变形影响因素

深基坑开挖可能引起围护结构与周围土体的变形,而这些变形对各种影响因素具有不同的敏感程度.以上海长江西路越江隧道新建工程为例,根据实际土层分布建立了里程NK0+534.100处基坑体系横截面的几何模型,使用有限元分析软件ABAQUS进行了基坑开挖过程的数值模拟,分析了基坑施工过程中地下连续墙水平位移随深度的变化特征,对比研究了现场监测数据与数值模拟结果.选取地下连续墙厚度、窄基坑开挖深度、窄基坑开挖宽度3个影响因素,并对每个因素取3个水平,使用正交试验和正交表L9(34)实现了9种不同情况的数值模拟试验,并基于这些因素对地下连续墙水平位移的影响进行极差分析和方差分析.结果表明:数值模拟结果与现场监测数据吻合程度较好;对地下连续墙水平位移影响程度由大到小的因素依次为地下连续墙厚度、窄基坑开挖深度、窄基坑开挖宽度;地下连续墙厚度-地下连续墙的水平位移呈负相关,窄基坑开挖宽度、深度-地下连续墙水平位移呈正相关.研究成果对基坑施工过程中围护结构的变形分析具有一定的参考价值.