深厚表土层非均质厚冻结壁力学特性研究

论文摘要

煤炭作为我国重要的一次能源,在能源结构中仍然占有十分重要的比重;随着浅层煤炭资源的开采殆尽,为满足国民经济发展对煤炭资源的需求,深部煤炭资源开采的需求已经日益迫切。预计未来10年内我国东部地区将新建井筒100个以上,这些井筒都不可避免地要穿过深厚的表土层(400~800m);随着冻结深度和表土层厚度的不断增加,冻结壁的厚度也不断增大(冻结壁的厚度已经由最初的3m左右,增加到目前10m以上,与井筒的开挖荒径相当),冻结壁形成也由一圈冻结增加到双圈和三圈冻结,但是对于多圈形成厚冻结壁,仍然按照“冻结壁的平均温度”将冻结壁假设为均质的材料来研究,势必存在着一定误差,因此,有必要开展深入的研究。本文采用大型物理模拟试验、数值模拟、理论分析等综合研究手段,开展了“深厚表土层非均质厚冻结壁力学特性研究”,研究内容考虑了深厚表土层特殊的工程条件和冻结凿井工程特点,采用“深土冻土力学”的研究方法,获得了多圈冻结形成的非均质厚冻结壁的力学特性。本文多种研究手段相互印证,证明了研究成果的可靠性。论文以粘弹塑性理论为基础,考虑深厚表土层中多圈冻结管形成的厚冻结壁径向温度的分布,在试验和实测的蠕变方程的基础上,研究了冻结壁径向非均质条件下,冻结壁的应力场、承载性能和径向变形规律,依据本文提出的“分层理论模型”应用于多圈形成的厚冻结壁计算,较“平均温度”更加合理和科学;同时研究了有限段高条件下,考虑工作面上下端不同约束条件时,冻结壁的径向变形解析解,并讨论了该公式的应用范围,为冻结壁设计提供了有益参考。采用ANSYS有限元分析软件模拟了深厚表土层多圈冻结冻结壁的温度场演变规律,在数值模拟温度场的基础上,采用间接耦合分析了非均质厚冻结壁的应力场和变形场的规律。文中讨论了不同约束条件和开挖段高对于冻结壁径向变形的影响;开展了冻结砂土和冻结黏土分层的数值模拟研究,初步探讨了砂土层和黏土层组合层影响下冻结壁的稳定性。自行设计、研制了深部非均质厚冻结壁模拟试验系统,该系统可以模拟深度400~800m范围内,多圈冻结管形成的冻结壁的温度场和冻结壁整体变形规律,本文模拟试验的过程按照:固结——有压冻结——开挖卸载(蠕变)进行,符合冻结法凿井特殊施工力学行为特点。在理论分析、数值模拟、物理模拟和工程实测的基础上,提出了深厚表土层多圈冻结厚冻结壁设计模型,模型考虑了冻结壁径向温度不均匀的影响,为深厚表土层中冻结壁的设计奠定了理论基础。课题研究具有重要的经济价值和社会价值。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究的目的与意义
• 1.3 国内外研究的现状
• 1.3.1 冻结法凿井的历史与现状
• 1.3.2 冻土的本构关系研究现状
• 1.3.3 冻结壁的温度场研究现状
• 1.3.4 冻结壁的厚度研究现状
• 1.3.5 冻结壁的变形研究现状
• 1.3.6 冻结壁的物理模拟试验研究现状
• 1.4 研究内容、方法及技术路线
• 1.4.1 研究内容和技术路线
• 1.4.2 研究的创新点
• 2 深厚表土层非均质厚冻结壁理论研究
• 2.1 非均质厚冻结壁分层计算模型
• 2.1.1 粘弹塑性厚壁圆筒
• 2.1.2 径向分层圆筒冻结壁
• 2.2 有限段高的冻结壁力学模型
• 2.2.1 冻结壁径向位移的力学模型
• 2.2.2 基本方程
• 2.2.3 求解
• 2.2.4 最大径向位移
• 2.2.5 相当段高
• 2.2.6 分段常段高叠加法
• 2.2.7 公式的讨论
• 2.3 本章小结
• 3 深厚表土层非均质厚冻结壁数值模拟研究
• 3.1 前言
• 3.2 多圈厚冻结壁温度场的数值模拟
• 3.2.1 几何参数
• 3.2.2 热物理学参数
• 3.2.3 初始条件和相变
• 3.2.4 边界条件
• 3.2.5 模型的单元和网格划分
• 3.2.6 结果分析
• 3.3 无限长厚壁圆筒
• 3.3.1 模型边界条件
• 3.3.2 冻土的蠕变本构关系和力学参数
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 有限段高厚冻结壁
• 3.4.1 模型几何参数
• 3.4.2 冻土的蠕变本构关系和力学参数
• 3.4.3 边界条件
• 3.4.4 计算规划
• 3.4.5 结果分析
• 3.5 砂土和黏土分层的有限段高厚冻结壁
• 3.5.1 冻结砂土和冻结黏土界面参数试验研究
• 3.5.2 砂土和黏土组合层的有限段高厚冻结壁
• 3.6 本章小结
• 4 深厚表土层非均质厚冻结壁物理模拟试验研究
• 4.1 相似理论简介
• 4.2 相似模化
• 4.2.1 模拟原型的基本参数
• 4.2.2 水分迁移的数学模型及相似准则
• 4.2.3 冻结温度场的数学模型及准则
• 4.2.4 冻结壁变形的相似准则
• 4.2.5 模化设计
• 4.3 模拟试验系统
• 4.3.1 试验台
• 4.3.2 制冷与温度控制系统
• 4.3.3 加载系统
• 4.3.4 测试系统
• 4.4 试验安排与主要试验步骤
• 4.4.1 试验安排
• 4.4.2 主要试验步骤和试验材料
• 4.4.3 试验土样
• 4.4.4 预压固结
• 4.4.5 高压下冻结
• 4.4.6 测试元件的布置
• 4.5 结果分析
• 4.5.1 冻结壁的温度场演变
• 4.5.2 冻结壁的径向变形
• 4.6 本章小结
• 5 深厚表土层非均质厚冻结壁综合分析
• 5.1 深厚表土层冻结壁温度场
• 5.2 深厚表土层冻结壁设计
• 6 主要结论和建议
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集