詳細(xì)科學(xué)技術(shù)內(nèi)容

1、詳細(xì)科學(xué)技術(shù)內(nèi)容1.技術(shù)原理深厚表土多圈管凍結(jié)下凍結(jié)壁形成過程中的溫度場、水分場和應(yīng)力場三場耦合作用，考慮三場耦合條件下的凍結(jié)壁力學(xué)性能研究；凍結(jié)法鑿井壁后注漿參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，影響因素多，且是一個(gè)動態(tài)過程。因此，課題的研究采用理論分析、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測、凍土強(qiáng)度試驗(yàn)以及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，技術(shù)原理如圖1所示：圖1 技術(shù)原理課題的具體研究方法：1.根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱力學(xué)理論，建立人工多圈管凍結(jié)下凍結(jié)壁形成過程的三場耦合模型。2.根據(jù)工程條件，應(yīng)用相似原理，進(jìn)行室內(nèi)多圈管凍結(jié)下凍結(jié)壁形成和融化的模型試驗(yàn)，量測多圈管凍融過程的水分場、溫度場和凍結(jié)應(yīng)力場的變化；3.進(jìn)行凍土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，

2、包括單軸強(qiáng)度、單軸蠕變和三軸強(qiáng)度、三軸蠕變等，確定凍土的本構(gòu)關(guān)系和凍土強(qiáng)度。4.凍融過程凍土導(dǎo)熱系數(shù)參數(shù)反演。5.進(jìn)行現(xiàn)場多圈管凍結(jié)下凍結(jié)溫度、凍結(jié)應(yīng)力和孔隙水壓力的量測，分析、比較模型試驗(yàn)和工程條件下的差別，校驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)和理論分析的可靠性。6.在ADINA程序平臺下，研究計(jì)算凍結(jié)地層過程中的水分場、溫度場和凍結(jié)應(yīng)力場的耦合計(jì)算方法。7.在ADINA程序平臺下，開發(fā)人工凍土多重屈服面本構(gòu)模型子程序，分析人工多圈管凍結(jié)壁在開挖過程中的力學(xué)狀態(tài)，并進(jìn)行工程實(shí)例驗(yàn)算。8.根據(jù)融化和凍結(jié)時(shí)間的比值確定注漿時(shí)間及參數(shù)。2.技術(shù)方案通過對人工凍結(jié)地層三場耦合基本理論研究，建立三場耦合數(shù)學(xué)模型，為數(shù)值分析凍

3、結(jié)溫度場、水分場和凍脹應(yīng)力場提供了理論基礎(chǔ)。研究表明：人工凍結(jié)地層溫度梯度變化是引起水分遷移和凍脹應(yīng)力的最主要原因。通過深表土凍土卸載三軸蠕變試驗(yàn)研究，獲得雙屈服面人工凍土蠕變本構(gòu)模型。通過比較表明：兩屈服面人工凍土蠕變本構(gòu)模型更接近于深井凍土的蠕變特性。（2）進(jìn)行多圈管凍結(jié)下凍結(jié)壁形成和融化過程的溫度場、水分遷移場和凍結(jié)應(yīng)力場的模型試驗(yàn)，獲得了多圈管凍結(jié)地層的溫度場、水分場和凍結(jié)應(yīng)力場的分布特征及“三場”之間的相互關(guān)系。試驗(yàn)表明，三圈管凍結(jié)下水分場的分布特征可以劃分成4個(gè)區(qū)域，各個(gè)區(qū)域內(nèi)的水分遷移特性是不相同的：內(nèi)圈凍結(jié)管以內(nèi)和外圈凍結(jié)管以外區(qū)域，土體的含水量比凍結(jié)前增加，約為：610；內(nèi)、

4、中圈和中、外圈之間區(qū)域，土體凍結(jié)后的含水量比凍結(jié)前減小，約為610。而靠近凍結(jié)管位置土體的含水量比凍結(jié)前增加，約為811。試驗(yàn)獲得了凍結(jié)壁形成過程中凍結(jié)應(yīng)力的發(fā)展變化特點(diǎn)，得出了中圈凍結(jié)管位置的凍結(jié)應(yīng)力最大，約為0.8MPa；而內(nèi)圈管的內(nèi)側(cè)和外圈凍結(jié)管的外側(cè)凍結(jié)應(yīng)力相對較小，為0.2MPa以下，且發(fā)展速度相對緩慢。凍結(jié)應(yīng)力的大小與凍結(jié)溫度場、凍結(jié)管布置方式和凍結(jié)管的間距有密切關(guān)系。試驗(yàn)獲得了凍結(jié)壁的凍結(jié)和融化時(shí)間比值可以用一次函數(shù)來擬合，該值介于1.6-2.0之間，且與環(huán)境溫度、土層性質(zhì)、凍結(jié)壁厚度和平均溫度有關(guān)。（3）實(shí)測顧橋礦南區(qū)井筒、潘一東礦井筒和謝橋礦改擴(kuò)建工程井筒共8個(gè)井筒凍結(jié)溫度場

5、、凍結(jié)應(yīng)力場、孔隙水壓力、井幫溫度、外層井壁凍結(jié)壓力等數(shù)據(jù)，獲得了十分寶貴的凍結(jié)與施工設(shè)計(jì)包括井壁設(shè)計(jì)資料，為保證凍結(jié)壁的安全和合理地確定施工方案，以及推進(jìn)深井凍結(jié)法鑿井理論與技術(shù)都發(fā)揮了積極的作用。（4）進(jìn)行了原始地應(yīng)力場、凍結(jié)壓力場作用條件下，深井凍結(jié)法鑿井中凍結(jié)壁的力學(xué)性能計(jì)算。得到了凍結(jié)壁應(yīng)力場和位移場的分布規(guī)律，以及控制凍結(jié)壁內(nèi)部凍脹應(yīng)力的有效方法。（5）根據(jù)工程實(shí)測數(shù)據(jù)（鉆孔數(shù)據(jù)、各種溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)等），采用ADINA有限元計(jì)算軟件進(jìn)行反分析，獲得淮南礦區(qū)地層凍結(jié)導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)。凍土導(dǎo)熱系數(shù)反分析表明：導(dǎo)熱系數(shù)與負(fù)溫的關(guān)系可以采用一次函數(shù)來擬合，相關(guān)系數(shù)0.98以上。（6）多圈管凍融

6、規(guī)律及融化溫度場模型研究：模型試驗(yàn)獲得多圈管凍結(jié)壁形成和融化溫度場特征和凍脹力變化特點(diǎn)。推導(dǎo)結(jié)壁融化溫度場非線性數(shù)學(xué)模型，建立凍結(jié)壁融化過程的溫度、流體和固體耦合方程。（7）井壁注漿及工藝：根據(jù)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測等手段獲得深井多圈管凍結(jié)壁的融化規(guī)律，為井壁注漿最佳時(shí)間提供依據(jù)。3.課題研究效果分析通過課題的研究獲得了明顯的社會和經(jīng)濟(jì)效益，以顧橋南區(qū)礦井為例：（1）經(jīng)過凍結(jié)法鑿井溫度場的分析，在確保井筒施工安全的情況下，2個(gè)井筒共提前開挖時(shí)間30天；（2）杜絕了井筒片幫及其他工程事故，保證了井筒安全施工，社會效益明顯；同時(shí)節(jié)約大量的混凝土用量，2個(gè)井筒共計(jì)節(jié)約混凝土用量材料費(fèi)用達(dá)到605萬元；（3）