赵固矿区冻结井壁温度场及壁后冻土冻融规律研究

论文摘要

本文通过现场实测和在现有冻结温度场分布规律、混凝土水化热释放规律以及井壁、冻结壁设计理论的基础上,结合冻土的热物理参数及影响井壁与冻结壁温度场的各热物理参数,建立合理的简化模型,借助大型有限元分析软件ANSYS对井壁温度场及壁后冻土冻融规律进行了数值模拟。首先,在理论上分析了各种条件下温度场的数学模型,并进行了有限元分析,为数值模拟提供理论基础。其次,结合赵固一矿现场实测,探讨了井帮温度、井壁温度及壁后冻土温度、冻结壁位移、冻结压力等分布规律。再次,在实测基础上模拟了不同井壁厚度、不同混凝土标号、不同井内养护环境及不同井帮温度等条件下井壁温度场及壁后冻土温度场,得到了井壁最高温度、井壁内外最大温差、井壁进入负温的时间、壁后冻土化冻范围、井帮最高温度及井帮回冻时间等参数,并与实测进行了对比分析。最后,在赵固一矿数值模拟的基础上,对赵固二矿进行了数值模拟应用。本文通过实测与数值模拟相结合,分析了冻结壁与井壁温度场相互作用的规律,得到了井壁温度场及壁后冻土冻融规律的各种参数,为深厚冲积层冻结法凿井井壁设计、冻结壁设计及冻结法施工提供参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题提出与选题意义
• 1.2 冻结法凿井技术现状
• 1.3 冻结井壁温度场及壁后冻土冻融规律研究现状
• 1.4 数值模拟在冻结法施工中的研究
• 1.5 本文的主要工作
• 1.5.1 本文的研究思路
• 1.5.2 本文的研究内容
• 1.5.3 本文的研究方法
• 1.5.4 本文的技术路线
• 2 预备知识
• 2.1 传热学的基本知识
• 2.1.1 经典传热学回顾
• 2.1.2 热量传递的三种基本方式
• 2.1.3 导热的理论基础
• 2.1.4 热分析材料属性
• 2.2 有限单元法的基本理论
• 2.3 冻土的基本性质
• 2.3.1 冻土的形成
• 2.3.2 冻土的基本物理性质
• 2.3.3 冻土的热物理性质
• 2.3.4 冻土的水分迁移
• 2.3.5 冻土的冻胀
• 2.3.6 冻土的蠕变
• 2.4 高性能混凝土的基本知识
• 2.4.1 混凝土
• 2.4.2 外加剂
• 3 温度场理论分析
• 3.1 定解条件
• 3.1.1 初始条件
• 3.1.2 边界条件
• 3.2 冻结壁及井壁温度场数学模型
• 3.2.1 开挖前温度场
• 3.2.2 开挖时温度场
• 3.2.3 开挖支护后温度场
• 3.3 温度场有限元分析
• 3.4 小结
• 4 赵固一矿相关实测结果分析
• 4.1 工程概况
• 4.1.1 概况
• 4.1.2 冻结技术参数
• 4.1.3 井壁结构
• 4.2 井帮温度实测
• 4.2.1 实测目的
• 4.2.2 检测方法
• 4.2.3 实测结果分析
• 4.3 冻结段内、外层井壁及壁后冻土温度实测
• 4.3.1 实测目的
• 4.3.2 实测方案
• 4.3.3 井壁相关问题
• 4.3.4 实测结果分析
• 4.4 冻结压力实测
• 4.4.1 实测目的
• 4.4.2 实测方案
• 4.4.3 实测结果分析
• 4.5 冻结壁位移实测
• 4.5.1 实测目的
• 4.5.2 测量仪器及其作用
• 4.5.3 测点埋设
• 4.5.4 实测结果分析
• 4.6 小结
• 5 数值模拟分析
• 5.1 数值模拟软件简介
• 5.2 数值模拟相关问题
• 5.2.1 混凝土水化热问题
• 5.2.2 泡沫板边界问题
• 5.2.3 冻土相变问题
• 5.3 材料参数的选取
• 5.3.1 混凝土物理参数
• 5.3.2 泡沫板物理参数
• 5.3.3 冻土物理参数
• 5.3.4 井内环境参数
• 5.4 冻结壁温度场数值模拟
• 5.5 井壁及壁后冻土温度场数值模拟
• 5.5.1 模型的简化
• 5.5.2 数值模拟方案选择
• 5.5.3 模型建立
• 5.5.4 数值模拟结果分析
• 5.6 数值模拟与实测结果对比分析
• 5.7 小结
• 6 赵固二矿数值模拟应用
• 6.1 工程概况
• 6.1.1 概况
• 6.1.2 冻结技术参数
• 6.1.3 工程设计优化
• 6.2 模型及参数选取
• 6.3 数值模拟结果分析
• 6.4 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 存在的问题及展望
• 参考文献
• 致谢