深厚冲积层立井井筒冻结压力分布规律研究

发布时间：2017-09-30 11:33

  本文关键词：深厚冲积层立井井筒冻结压力分布规律研究

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【摘要】：进入21世纪以来,随着我国中东部浅层煤炭资源的枯竭,煤炭开发深度多达800m以深,新建矿井具有井型大、穿越冲积地层深厚(450m及以下)等特点。冻结压力是冻结法凿井的重要设计参数,决定冻结壁和井壁结构设计是否科学合理,事关施工安全。由于国内、外对450m以下深厚冲积层立井冻结压力研究较少,现行设计规范已无法满足冻结法凿井设计与施工要求,亟待研究解决。本文以我国黄淮地区新建煤矿深立井为工程背景,采用理论、试验和现场实测及数值模拟相结合的研究方法,系统研究影响深厚冲积层冻结法凿井的冻结压力诸多因素,探讨深埋人工冻土本构关系,推导冻结压力计算公式。将数值分析、理论分析与现场实测结果分析相互验证,揭示深井冻结压力分布规律。首先,对取自深立井工程的土体进行常规土工、冻土热物理参数、冻土物理力学性能试验,分析土体各参数变化规律,揭示冻土物理力学特性。研究表明：冻土的导热系数随温度降低而增大,而比热反之；粘土试样冻胀率范围在1-5%之间,并且随着冻结时间的增加,分别经历急剧增长、缓慢增长和相对稳定阶段；深埋冻土与浅埋冻土的不同之处在于深埋冻土存在蠕变的加速阶段等。其次,基于冻土蠕变试验结果,选择能较好地反映深埋冻土加速蠕变阶段的改进的西原模型来表征深部冻土粘弹塑性流变特性。利用用户子程序UMAT实现ABAQUS软件的二次开发,把改进西原模型补充进ABAQUS软件的材料模型以适应深土冻结过程的模拟,所编制的子程序得到三轴压缩试验的验证。对蠕变参数进行了敏感性分析,结果表明冻土的蠕变发展与偏差应力、粘弹性粘滞系数和粘塑性粘滞系数有密切关系。基于ABAQUS软件的二次开发对深井冻结法凿井过程进行模拟,揭示土体冻结过程中冻胀应力及外井壁冻结压力发展变化规律。数值计算表明,土体冻结产生冻胀应力使冻结壁内应力远远大于初始地应力。冻结压力值随土体埋深、土体冻胀率的增加而增大,降低冻结壁温度则有利于冻结壁的稳定。依据周围土体、冻结壁、井壁相互作用机理,运用粘弹塑性理论分析得到考虑冻胀效应的冻结压力解析解。理论计算公式能较好描述冻结压力的增长规律,并且得到的冻结压力与各影响因素之间的关系与数值计算结果一致,同时得到了冻结壁应力场的时空分布规律。最后,针对不同土性分析研究实测冻结压力变化规律,运用灰色理论量化冻结压力影响因素的影响,在无量纲化基础上建立冻结压力数学模型,回归出冻结压力和时间、土体埋深、冻结壁平均温度、冻结壁平均厚度及冻融半径的关系式。将经验公式、数值计算和理论公式的计算结果与实测结果进行分析比较,验证了理论公式、数值模拟结果和经验公式的合理性,可为类似深井外井壁设计提供参考。
【关键词】：深冻结井 冻土蠕变 冻胀 改进西原模型 冻结压力 灰关联分析
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD265.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 1 绪论17-32
• 1.1 研究意义17-22
• 1.1.1 人工冻结法的原理和应用17-19
• 1.1.2 人工冻结法在深厚冲积层中的应用19-20
• 1.1.3 人工冻结法应用中产生的问题及原因20-21
• 1.1.4 深井井壁冻结压力21-22
• 1.2 国内外研究现状22-29
• 1.2.1 冻土蠕变22-25
• 1.2.2 水分迁移和冻胀研究25-27
• 1.2.3 冻结壁设计及冻结压力研究现状27-29
• 1.3 需进一步解决的问题29
• 1.4 主要研究内容及技术路线29-32
• 2 深埋冻土物理力学性能试验研究32-44
• 2.1 常规土工试验32-33
• 2.1.1 试验内容和方法32
• 2.1.2 试验结果32-33
• 2.2 冻土热物理参数试验33-36
• 2.2.1 导热系数试验33-34
• 2.2.2 比热试验34-36
• 2.3 冻土物理性能试验36-39
• 2.3.1 冻结温度试验36-37
• 2.3.2 冻土的冻胀率、冻胀力试验37-39
• 2.4 冻土力学性能试验39-42
• 2.4.1 冻土三轴剪切强度试验39-41
• 2.4.2 三轴蠕变试验41-42
• 2.5 小结42-44
• 3 冻土流变模型及其在ABAQUS中的实现44-66
• 3.1 冻土流变模型研究44-49
• 3.1.1 一维冻土流变模型44-47
• 3.1.2 三维冻土流变模型47-49
• 3.2 流变模型参数确定49-53
• 3.2.1 数据拟合49-52
• 3.2.2 参数确定52-53
• 3.3 ABAQUS有限元软件及其UMAT53-55
• 3.3.1 ABAQUS软件53-54
• 3.3.2 ABAQUS用户材料子程序(UMAT)54-55
• 3.4 程序结构及编程55-62
• 3.4.1 子程序结构55-56
• 3.4.2 子程序编程56-62
• 3.5 子程序UMAT的验证62-64
• 3.5.1 三轴蠕变试验62-63
• 3.5.2 参数敏感性分析63-64
• 3.6 小结64-66
• 4 冻结法凿井井壁冻结压力有限元模拟66-79
• 4.1 井筒基本情况66-67
• 4.2 冻结温度场模拟67-70
• 4.2.1 模型建立67-69
• 4.2.2 计算结果69-70
• 4.3 井筒开挖模拟70-72
• 4.3.1 冻结壁初始应力场70-72
• 4.3.2 井筒开挖过程模拟72
• 4.4 井壁砌筑模拟72-77
• 4.4.1 基本假设72-73
• 4.4.2 材料及其参数73
• 4.4.3 冻结压力模拟及结果分析73-77
• 4.5 本章小结77-79
• 5 冻结法凿井井壁冻结压力解析解求解79-97
• 5.1 冻胀机制研究79-81
• 5.1.1 冰透镜体的形成79-80
• 5.1.2 水分迁移80-81
• 5.2 冻结压力求解81-91
• 5.2.1 计算假设81
• 5.2.2 冻结壁应力场和位移场计算81-87
• 5.2.3 冻结压力计算87-91
• 5.3 工程实例分析91-95
• 5.3.1 冻结压力分布规律探讨91-94
• 5.3.2 冻结壁应力场和位移场的时空分布规律分析94-95
• 5.4 小结95-97
• 6 冻结法凿井井壁冻结压力实测研究97-119
• 6.1 监测水平和元件布置97-100
• 6.1.1 监测方法97
• 6.1.2 元件布置97-98
• 6.1.3 监测水平98-100
• 6.2 冻结压力实测结果及其分析100-110
• 6.2.1 冻结压力现场实测曲线100-103
• 6.2.2 冻结压力不均匀性分析103-106
• 6.2.3 冻结压力影响因素分析106-110
• 6.3 冻结压力影响因素的灰色关联分析110-111
• 6.3.1 关联系数计算110
• 6.3.2 优势因素分析110-111
• 6.4 冻结压力数学计算模型研究111-116
• 6.4.1 无量纲化法原理111-112
• 6.4.2 数学计算模型建立112-113
• 6.4.3 冻结压力计算113-116
• 6.5 计算结果比较分析116-117
• 6.6 小结117-119
• 7 结论及创新点119-122
• 7.1 主要结论119-120
• 7.2 主要创新点120-121
• 7.3 进一步工作设想121-122
• 参考文献122-130
• 附录A 灰关联系数表(粘土)130-141
• 附录B 灰关联系数表(钙质粘土)141-148
• 致谢148-150
• 作者简介及读博期间主要科研成果150

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：947996