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深厚冲积层冻结壁与井壁的力学特性及其共同作用机理研究

荣传新  
【摘要】:近年来,随着我国黄淮地区深井建设的全面展开,井筒穿越冲积层的厚度越发深厚。由于冲积层厚度的不断加大,冻结法凿井工程中经常发生因冻结壁位移过大,冻结管断裂和外层井壁破损等现象,轻者影响井筒施工速度,重者导致井筒透水、涌砂以致淹没等重大工程事故,因此,在深厚冲积层中采用冻结法凿井,面临着许多理论和关键工程技术难题,亟待开展相应的应用基础和工程技术研究,以满足工程设计与施工需要,防止深厚冲积层冻结法凿井重大工程事故的发生。为此,本文以深厚冲积层冻结法凿井中的“两壁”问题为主线,采用从理论研究出发,试验研究再现、工程实践检验的研究方法,着力在冻土物理力学性能、深厚冲积层冻结壁的稳定性、新型高强冻结井井壁结构形式及其力学特性、深厚冲积层冻结壁与外层井壁的共同作用机理及其冻结压力分布规律等方面开展了较系统的研究。 针对深埋冻土的蠕变特性,根据有限变形理论,给出了冻土三轴蠕变实验数据处理时所需Green应变和Kirchhoff应力的计算公式,并根据冻土三轴蠕变实验结果得出冻土的有限变形本构关系及其蠕变参数,上述冻土蠕变力学性能的研究满足了深厚冲积层冻结壁有限元分析的需要。 基于ANSYS软件,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的多,同时掘进工作面伴随严重的底臌现象;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。 通过对冻结井高强钢筋混凝土井壁结构的实验研究,得出了高强钢筋混凝土井壁的破坏机理及其极限承载力的大小与混凝土强度、厚径比和配筋率的关系;采用线性软化本构模型以及Mohr-Coulomb强度准则,导出了高强钢筋混凝土井壁极限承载力的理论计算公式,并得到实验结果的验证。 对新型冻结井高强钢筋混凝土预制弧板井壁力学特性的实验结果和有限元计算结果的对比分析可知,在均布荷载作用下,因应力集中弧形构件压碎区均位于其端部附近;通过数值计算分析,得到了冻结井高强钢筋混凝土预制弧板井壁的极限承载力大


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