【摘要】：本文針對西部斜井凍結(jié)壁形狀不規(guī)則、受力不均勻等特性,運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗三種方法對斜井凍結(jié)壁的受力變形規(guī)律和設(shè)計方法進(jìn)行了研究和探討。通過理論分析方法,建立了非均勻荷載作用下考慮與圍巖相互作用的圓形凍結(jié)壁卸載力學(xué)模型,推導(dǎo)出圓形凍結(jié)壁與圍巖內(nèi)應(yīng)力場和位移場的彈性解析解,并通過數(shù)值模擬驗證了解析解的準(zhǔn)確性。影響因素研究表明,凍土與未凍土彈模比β的增加可顯著降低凍結(jié)壁的徑向變形,但同時會增加凍結(jié)壁的環(huán)向應(yīng)力;凍結(jié)壁外內(nèi)徑比ξ的增加可顯著降低凍結(jié)壁應(yīng)力和位移,但其影響主要體現(xiàn)在ξ2.2時;開挖卸荷率η反映了井筒開挖卸載的大小,故卸荷率越大,凍結(jié)壁應(yīng)力和位移越大;側(cè)壓力系數(shù)λ反映了凍結(jié)壁所受荷載的不均勻性,當(dāng)0.4λ1時,凍結(jié)壁各處均處于受壓狀態(tài),λ0.4時,井筒拱頂90°位置處出現(xiàn)拉應(yīng)力�；趫A形凍結(jié)壁彈性解析解,推導(dǎo)出Tresca、Mises和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則下凍結(jié)壁厚度彈性設(shè)計迭代公式。結(jié)果表明:Mises屈服準(zhǔn)則下圓形凍結(jié)壁彈性設(shè)計厚度最小,Tresca準(zhǔn)則下厚度設(shè)計值最大,Mohr-Coulomb準(zhǔn)則下厚度設(shè)計值居中。三種屈服準(zhǔn)則下凍結(jié)壁彈性設(shè)計厚度隨井筒埋深增加均近似呈指數(shù)型增加趨勢。凍土黏聚力和內(nèi)摩擦角降低均會增加凍結(jié)壁彈性設(shè)計厚度,且凍土黏聚力c越小,內(nèi)摩擦角?的影響范圍越大。運(yùn)用復(fù)合型最優(yōu)化計算方法,獲得了直墻半圓拱形凍結(jié)壁映射為同心圓環(huán)的映射公式,且映射精度較高�；趶�(fù)變函數(shù)理論,建立了非均勻荷載作用下,與圍巖相互作用的直墻半圓拱形凍結(jié)壁卸載力學(xué)模型,基于共形映射公式,推導(dǎo)出直墻半圓拱形凍結(jié)壁與圍巖內(nèi)應(yīng)力場和位移場的彈性近似解析解。并通過數(shù)值模擬驗證了解析解的準(zhǔn)確性。影響因素研究表明,考慮圍巖與凍結(jié)壁相互作用可適當(dāng)減小凍結(jié)壁的受力變形,且凍結(jié)壁厚度越薄,圍巖影響越顯著;凍結(jié)壁的應(yīng)力和位移與上覆荷載p呈線性關(guān)系;側(cè)壓力系數(shù)λ影響凍結(jié)壁的受力變形特征,λ較小時(λ0.4),凍結(jié)壁拱頂和底板出現(xiàn)拉應(yīng)力,側(cè)墻向井外變形;凍結(jié)壁厚徑比ΔT增加可顯著減小凍結(jié)壁內(nèi)部應(yīng)力和位移,但位移影響主要集中在ΔT1.2內(nèi);彈模比β對凍結(jié)壁整體變形影響一致,隨著β增加,凍結(jié)壁變形均減小,但是當(dāng)β9后,影響顯著減弱;β對凍結(jié)壁各處應(yīng)力影響較為復(fù)雜,β的增加可減小凍結(jié)壁頂板和底板內(nèi)緣環(huán)向應(yīng)力,增加側(cè)墻內(nèi)緣環(huán)向應(yīng)力。凍結(jié)壁側(cè)墻高度h0增加和底板曲率半徑rd0減小等效于增加了凍結(jié)壁水平向荷載作用面積,進(jìn)而導(dǎo)致頂?shù)装宓沫h(huán)向壓應(yīng)力增加。h0的增加顯著減小了側(cè)墻的環(huán)向壓應(yīng)力值,但高度增加也增加了側(cè)墻的撓度。rd0減小可避免底板出現(xiàn)拉應(yīng)力。基于非圓形凍結(jié)壁彈性近似解,考慮凍結(jié)壁外內(nèi)徑比、上覆壓力、彈模比、凍結(jié)壁側(cè)墻高度、底板曲率半徑和側(cè)壓力系數(shù)六個因素,對凍結(jié)壁進(jìn)行6因素4水平正交組合試驗,運(yùn)用多元統(tǒng)計方法,首先給出了保證凍結(jié)壁不出現(xiàn)拉應(yīng)力時,凍結(jié)壁底板曲率半徑、側(cè)墻高度和側(cè)壓力系數(shù)之間的關(guān)系;其次進(jìn)行Tresca、Mises和Mohr-Coulomb屈服條件下凍結(jié)壁厚度彈性設(shè)計公式回歸分析,并采用方差分析法對回歸公式進(jìn)行了顯著性驗證。結(jié)果表明:凍結(jié)壁彈性設(shè)計厚度回歸公式影響顯著,可用于預(yù)測和判斷凍結(jié)壁厚度;與圓形凍結(jié)壁類似,Mises屈服準(zhǔn)則下凍結(jié)壁彈性設(shè)計厚度最小,Tresca準(zhǔn)則下設(shè)計厚度最大,Mohr-Coulomb準(zhǔn)則下設(shè)計厚度居中。內(nèi)摩擦角的影響主要集中在?10°內(nèi),且黏聚力越小,?影響范圍越大。通過數(shù)值模擬方法,基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,分別對非均勻荷載作用下圓形和直墻半圓拱形凍結(jié)壁進(jìn)行了彈塑性分析。影響因素研究表明,在側(cè)壓力系數(shù)λ1時,圓形凍結(jié)壁塑性區(qū)主要存在于側(cè)腰區(qū)域,直墻半圓拱形凍結(jié)壁塑性區(qū)主要位于側(cè)墻內(nèi),且由側(cè)墻與底板連接處內(nèi)側(cè)沿斜向上45°~50°向內(nèi)部發(fā)展;當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)λ1時,側(cè)墻內(nèi)塑性區(qū)逐漸消失,頂板和底板塑性區(qū)逐漸增加。凍結(jié)壁內(nèi)塑性區(qū)厚度與上覆壓力近似呈線性正比例關(guān)系;凍結(jié)壁外內(nèi)徑比、凍土黏聚力和內(nèi)摩擦角的增加均可減小凍結(jié)壁內(nèi)塑性區(qū)的大小,且隨著因素水平增加,影響逐漸減弱;彈模比的增加可促進(jìn)凍結(jié)壁內(nèi)塑性區(qū)的增長。在側(cè)壓力系數(shù)λ1時,凍結(jié)壁底板曲率半徑對塑性區(qū)的影響較小,可以忽略;因側(cè)墻高度增加導(dǎo)致側(cè)墻剛度減小,故側(cè)墻高度對塑性區(qū)的影響表現(xiàn)為先增加而后減小的趨勢�；谏鲜�6因素,分別對圓形和直墻半圓拱形凍結(jié)壁進(jìn)行了6因素4水平正交組合試驗,結(jié)果表明:上覆壓力、彈模比、凍土黏聚力和內(nèi)摩擦角對凍結(jié)壁影響均顯著。根據(jù)多元統(tǒng)計分析方法,分別對圓形和直墻半圓拱形凍結(jié)壁正交組合試驗結(jié)果進(jìn)行了回歸分析,獲得了凍結(jié)壁塑性區(qū)厚度與各影響因素之間的回歸公式�；谌S礦山建設(shè)試驗臺,建立了可模擬斜井加載-凍結(jié)-開挖-解凍全過程的三維模型試驗系統(tǒng)。在幾何相似縮比CL=16的情況下,成功模擬了斜井單圈管軸向凍結(jié)和五排管豎向凍結(jié)兩種凍結(jié)形式下的凍結(jié)開挖試驗,模型尺寸為2m×2m×1.2m(寬×高×深),試驗中最大豎向壓力達(dá)到了2.13MPa,且在該壓力下凍結(jié)管仍能保持完好。通過兩組凍結(jié)試驗獲得的凍結(jié)壁厚度和平均溫度均能滿足設(shè)計要求。砂土層中,在凍結(jié)壁未解凍前,井筒開挖導(dǎo)致的凍結(jié)壁收斂的主要影響范圍為監(jiān)測斷面前后0.15m~0.2m。井筒開挖過程中,井幫頂板和底板附近環(huán)向應(yīng)力隨著開挖進(jìn)行逐漸減小,側(cè)幫附近環(huán)向應(yīng)力則隨著開挖進(jìn)行逐漸增加;凍結(jié)壁內(nèi)徑向應(yīng)力隨著開挖進(jìn)行逐漸減小。獲得的應(yīng)力變化規(guī)律與理論結(jié)果趨勢一致。豎直孔凍結(jié)試驗中,因開挖過程中需停止中間三排管鹽水循環(huán),只有最外排凍結(jié)管持續(xù)凍結(jié),故凍結(jié)壁側(cè)幫溫度和厚度能夠得以維持,凍結(jié)壁側(cè)幫平均溫度在-5℃左右,解凍厚度維持在0.06m,開挖結(jié)束后頂板和底板凍結(jié)壁溫度迅速上升但能夠維持在-2℃~-3℃,凍結(jié)壁厚度尤其是底板厚度仍持續(xù)減小。軸向凍結(jié)開挖試驗中,凍結(jié)管不受開挖影響,有效維持了凍結(jié)壁各處的溫度和厚度。開挖過程中凍結(jié)壁解凍厚度維持在0.07m內(nèi),凍結(jié)壁平均溫度可維持在-6℃左右(鹽水溫度-8℃~-10℃)。通過兩組試驗對比,豎直孔凍結(jié)試驗中凍結(jié)壁頂板和底板溫度和解凍范圍均大于側(cè)幫,而軸向凍結(jié)試驗中凍結(jié)壁各處變化相對均勻。而且軸向凍結(jié)試驗中凍結(jié)壁各處平均溫度均要低于豎直孔凍結(jié)試驗。按凍結(jié)壁設(shè)計厚度計算,豎直孔凍結(jié)試驗維護(hù)凍結(jié)期側(cè)幫凍結(jié)壁厚度減小了27.4%,軸向凍結(jié)試驗維護(hù)凍結(jié)期凍結(jié)壁厚度減小了14.7%。從開挖變形角度可見,豎直孔凍結(jié)試驗中凍結(jié)壁收斂要大于軸向凍結(jié)試驗。綜上所述,在斜井凍結(jié)法鑿井施工中,軸向凍結(jié)方案要明顯優(yōu)于豎向凍結(jié)方案。最后從凍結(jié)方案、凍結(jié)壁合理斷面尺寸等方面對斜井凍結(jié)壁設(shè)計問題進(jìn)行了探討,并結(jié)合實例給出了凍結(jié)壁的彈性和彈塑性設(shè)計值,結(jié)果表明在給定的實例中,考慮凍結(jié)壁為非圓形結(jié)構(gòu)所得設(shè)計厚度值小于圓形凍結(jié)壁設(shè)計厚度,考慮凍結(jié)壁為彈塑性介質(zhì)所得設(shè)計厚度遠(yuǎn)小于彈性設(shè)計厚度,僅為彈性設(shè)計厚度的1/15~1/20。因此在進(jìn)行斜井凍結(jié)壁設(shè)計時需考慮凍結(jié)壁的形狀不規(guī)則性,對于深埋問題,需采用彈塑性設(shè)計方法。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TD265.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2497181