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人工冻土黏弹塑性本构模型研究及应用

徐大伟  
【摘要】:人工冻结法早在上世纪六十年代就已经应用到矿井的建设中。中部地区煤层多埋置较深,深厚表土层下的冻结法凿井技术,其关键在于保证冻结壁的安全及稳定性。在冻结壁的设计开挖中冻土的蠕变变形的对冻结壁的安全、稳定、经济性有着重要的影响。 冻结法施工中,冻结壁作为井筒开挖过程中井壁的临时支护结构,在施工过程中由于存在时间效应,冻结壁应作为流变体考虑,作为临时结构,在施工过程中,若冻结壁的变形过大,会给井筒的施工带来很多问题,同时也可能会导致冻结管的断裂等工程事故。控制冻结壁在施工过程中的变形对冻结工程及井筒施工有着重要的意义。 本文以淮南顾桥北矿副井井筒冻结施工为工程背景,通过安徽理工大学自行研制的冻土单轴、三轴试验机,对深部冻结黏土的蠕变性质进行了试验研究,获得了不同负温条件下的人工冻结黏土的蠕变特性及规律。通过试验验证了西原模型在模拟人工冻结黏土的蠕变性质中具有很好的适用性,特别是在三轴卸载条件下的冻结黏土的蠕变性研究中,改进的西原模型对人工冻结黏土的蠕变性模拟十分准确。通过井筒开挖的ADINA数值模拟,得到井帮位移和工作面底臌位移的模拟值,通过对比现场实测数据,ADINA软件模拟深井冻结法凿井冻结壁形成过程与冻结壁力学特性计算是可行的。同时表明,数值模拟能够全面的反映冻结壁的全部位移特性,包括冻结壁的超前位移和冻结壁内部位移。而现场实测,由于工程条件等特殊情况,只能量测到实际位移的一小部分。可见,利用数值模拟方法能更全面的掌握冻结壁的力学性能。


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