斜井冻结壁受力变形规律及设计方法研究

发布时间：2019-06-11 12:16

【摘要】：本文针对西部斜井冻结壁形状不规则、受力不均匀等特性,运用理论分析、数值模拟和室内试验三种方法对斜井冻结壁的受力变形规律和设计方法进行了研究和探讨。通过理论分析方法,建立了非均匀荷载作用下考虑与围岩相互作用的圆形冻结壁卸载力学模型,推导出圆形冻结壁与围岩内应力场和位移场的弹性解析解,并通过数值模拟验证了解析解的准确性。影响因素研究表明,冻土与未冻土弹模比β的增加可显著降低冻结壁的径向变形,但同时会增加冻结壁的环向应力;冻结壁外内径比ξ的增加可显著降低冻结壁应力和位移,但其影响主要体现在ξ2.2时;开挖卸荷率η反映了井筒开挖卸载的大小,故卸荷率越大,冻结壁应力和位移越大;侧压力系数λ反映了冻结壁所受荷载的不均匀性,当0.4λ1时,冻结壁各处均处于受压状态,λ0.4时,井筒拱顶90°位置处出现拉应力。基于圆形冻结壁弹性解析解,推导出Tresca、Mises和Mohr-Coulomb屈服准则下冻结壁厚度弹性设计迭代公式。结果表明:Mises屈服准则下圆形冻结壁弹性设计厚度最小,Tresca准则下厚度设计值最大,Mohr-Coulomb准则下厚度设计值居中。三种屈服准则下冻结壁弹性设计厚度随井筒埋深增加均近似呈指数型增加趋势。冻土黏聚力和内摩擦角降低均会增加冻结壁弹性设计厚度,且冻土黏聚力c越小,内摩擦角?的影响范围越大。运用复合型最优化计算方法,获得了直墙半圆拱形冻结壁映射为同心圆环的映射公式,且映射精度较高。基于复变函数理论,建立了非均匀荷载作用下,与围岩相互作用的直墙半圆拱形冻结壁卸载力学模型,基于共形映射公式,推导出直墙半圆拱形冻结壁与围岩内应力场和位移场的弹性近似解析解。并通过数值模拟验证了解析解的准确性。影响因素研究表明,考虑围岩与冻结壁相互作用可适当减小冻结壁的受力变形,且冻结壁厚度越薄,围岩影响越显著;冻结壁的应力和位移与上覆荷载p呈线性关系;侧压力系数λ影响冻结壁的受力变形特征,λ较小时(λ0.4),冻结壁拱顶和底板出现拉应力,侧墙向井外变形;冻结壁厚径比ΔT增加可显著减小冻结壁内部应力和位移,但位移影响主要集中在ΔT1.2内;弹模比β对冻结壁整体变形影响一致,随着β增加,冻结壁变形均减小,但是当β9后,影响显著减弱;β对冻结壁各处应力影响较为复杂,β的增加可减小冻结壁顶板和底板内缘环向应力,增加侧墙内缘环向应力。冻结壁侧墙高度h0增加和底板曲率半径rd0减小等效于增加了冻结壁水平向荷载作用面积,进而导致顶底板的环向压应力增加。h0的增加显著减小了侧墙的环向压应力值,但高度增加也增加了侧墙的挠度。rd0减小可避免底板出现拉应力。基于非圆形冻结壁弹性近似解,考虑冻结壁外内径比、上覆压力、弹模比、冻结壁侧墙高度、底板曲率半径和侧压力系数六个因素,对冻结壁进行6因素4水平正交组合试验,运用多元统计方法,首先给出了保证冻结壁不出现拉应力时,冻结壁底板曲率半径、侧墙高度和侧压力系数之间的关系;其次进行Tresca、Mises和Mohr-Coulomb屈服条件下冻结壁厚度弹性设计公式回归分析,并采用方差分析法对回归公式进行了显著性验证。结果表明:冻结壁弹性设计厚度回归公式影响显著,可用于预测和判断冻结壁厚度;与圆形冻结壁类似,Mises屈服准则下冻结壁弹性设计厚度最小,Tresca准则下设计厚度最大,Mohr-Coulomb准则下设计厚度居中。内摩擦角的影响主要集中在?10°内,且黏聚力越小,?影响范围越大。通过数值模拟方法,基于Mohr-Coulomb准则,分别对非均匀荷载作用下圆形和直墙半圆拱形冻结壁进行了弹塑性分析。影响因素研究表明,在侧压力系数λ1时,圆形冻结壁塑性区主要存在于侧腰区域,直墙半圆拱形冻结壁塑性区主要位于侧墙内,且由侧墙与底板连接处内侧沿斜向上45°~50°向内部发展;当侧压力系数λ1时,侧墙内塑性区逐渐消失,顶板和底板塑性区逐渐增加。冻结壁内塑性区厚度与上覆压力近似呈线性正比例关系;冻结壁外内径比、冻土黏聚力和内摩擦角的增加均可减小冻结壁内塑性区的大小,且随着因素水平增加,影响逐渐减弱;弹模比的增加可促进冻结壁内塑性区的增长。在侧压力系数λ1时,冻结壁底板曲率半径对塑性区的影响较小,可以忽略;因侧墙高度增加导致侧墙刚度减小,故侧墙高度对塑性区的影响表现为先增加而后减小的趋势。基于上述6因素,分别对圆形和直墙半圆拱形冻结壁进行了6因素4水平正交组合试验,结果表明:上覆压力、弹模比、冻土黏聚力和内摩擦角对冻结壁影响均显著。根据多元统计分析方法,分别对圆形和直墙半圆拱形冻结壁正交组合试验结果进行了回归分析,获得了冻结壁塑性区厚度与各影响因素之间的回归公式。基于三维矿山建设试验台,建立了可模拟斜井加载-冻结-开挖-解冻全过程的三维模型试验系统。在几何相似缩比CL=16的情况下,成功模拟了斜井单圈管轴向冻结和五排管竖向冻结两种冻结形式下的冻结开挖试验,模型尺寸为2m×2m×1.2m(宽×高×深),试验中最大竖向压力达到了2.13MPa,且在该压力下冻结管仍能保持完好。通过两组冻结试验获得的冻结壁厚度和平均温度均能满足设计要求。砂土层中,在冻结壁未解冻前,井筒开挖导致的冻结壁收敛的主要影响范围为监测断面前后0.15m~0.2m。井筒开挖过程中,井帮顶板和底板附近环向应力随着开挖进行逐渐减小,侧帮附近环向应力则随着开挖进行逐渐增加;冻结壁内径向应力随着开挖进行逐渐减小。获得的应力变化规律与理论结果趋势一致。竖直孔冻结试验中,因开挖过程中需停止中间三排管盐水循环,只有最外排冻结管持续冻结,故冻结壁侧帮温度和厚度能够得以维持,冻结壁侧帮平均温度在-5℃左右,解冻厚度维持在0.06m,开挖结束后顶板和底板冻结壁温度迅速上升但能够维持在-2℃~-3℃,冻结壁厚度尤其是底板厚度仍持续减小。轴向冻结开挖试验中,冻结管不受开挖影响,有效维持了冻结壁各处的温度和厚度。开挖过程中冻结壁解冻厚度维持在0.07m内,冻结壁平均温度可维持在-6℃左右(盐水温度-8℃~-10℃)。通过两组试验对比,竖直孔冻结试验中冻结壁顶板和底板温度和解冻范围均大于侧帮,而轴向冻结试验中冻结壁各处变化相对均匀。而且轴向冻结试验中冻结壁各处平均温度均要低于竖直孔冻结试验。按冻结壁设计厚度计算,竖直孔冻结试验维护冻结期侧帮冻结壁厚度减小了27.4%,轴向冻结试验维护冻结期冻结壁厚度减小了14.7%。从开挖变形角度可见,竖直孔冻结试验中冻结壁收敛要大于轴向冻结试验。综上所述,在斜井冻结法凿井施工中,轴向冻结方案要明显优于竖向冻结方案。最后从冻结方案、冻结壁合理断面尺寸等方面对斜井冻结壁设计问题进行了探讨,并结合实例给出了冻结壁的弹性和弹塑性设计值,结果表明在给定的实例中,考虑冻结壁为非圆形结构所得设计厚度值小于圆形冻结壁设计厚度,考虑冻结壁为弹塑性介质所得设计厚度远小于弹性设计厚度,仅为弹性设计厚度的1/15~1/20。因此在进行斜井冻结壁设计时需考虑冻结壁的形状不规则性,对于深埋问题,需采用弹塑性设计方法。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD265.3

【参考文献】