【摘要】：本文針對西部斜井凍結壁形狀不規(guī)則、受力不均勻等特性,運用理論分析、數值模擬和室內試驗三種方法對斜井凍結壁的受力變形規(guī)律和設計方法進行了研究和探討。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壁卸載力學模型,推導出圓形凍結壁與圍巖內應力場和位移場的彈性解析解,并通過數值模擬驗證了解析解的準確性。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壁的徑向變形,但同時會增加凍結壁的環(huán)向應力;凍結壁外內徑比ξ的增加可顯著降低凍結壁應力和位移,但其影響主要體現在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,凍結壁應力和位移越大;側壓力系數λ反映了凍結壁所受荷載的不均勻性,當0.4λ1時,凍結壁各處均處于受壓狀態(tài),λ0.4時,井筒拱頂90°位置處出現拉應力。基于圓形凍結壁彈性解析解,推導出Tresca、Mises和Mohr-Coulomb屈服準則下凍結壁厚度彈性設計迭代公式。結果表明:Mises屈服準則下圓形凍結壁彈性設計厚度最小,Tresca準則下厚度設計值最大,Mohr-Coulomb準則下厚度設計值居中。三種屈服準則下凍結壁彈性設計厚度隨井筒埋深增加均近似呈指數型增加趨勢。凍土黏聚力和內摩擦角降低均會增加凍結壁彈性設計厚度,且凍土黏聚力c越小,內摩擦角?的影響范圍越大。運用復合型最優(yōu)化計算方法,獲得了直墻半圓拱形凍結壁映射為同心圓環(huán)的映射公式,且映射精度較高�；趶妥兒瘮道碚�,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壁卸載力學模型,基于共形映射公式,推導出直墻半圓拱形凍結壁與圍巖內應力場和位移場的彈性近似解析解。并通過數值模擬驗證了解析解的準確性。影響因素研究表明,考慮圍巖與凍結壁相互作用可適當減小凍結壁的受力變形,且凍結壁厚度越薄,圍巖影響越顯著;凍結壁的應力和位移與上覆荷載p呈線性關系;側壓力系數λ影響凍結壁的受力變形特征,λ較小時(λ0.4),凍結壁拱頂和底板出現拉應力,側墻向井外變形;凍結壁厚徑比ΔT增加可顯著減小凍結壁內部應力和位移,但位移影響主要集中在ΔT1.2內;彈模比β對凍結壁整體變形影響一致,隨著β增加,凍結壁變形均減小,但是當β9后,影響顯著減弱;β對凍結壁各處應力影響較為復雜,β的增加可減小凍結壁頂板和底板內緣環(huán)向應力,增加側墻內緣環(huán)向應力。凍結壁側墻高度h0增加和底板曲率半徑rd0減小等效于增加了凍結壁水平向荷載作用面積,進而導致頂底板的環(huán)向壓應力增加。h0的增加顯著減小了側墻的環(huán)向壓應力值,但高度增加也增加了側墻的撓度。rd0減小可避免底板出現拉應力。基于非圓形凍結壁彈性近似解,考慮凍結壁外內徑比、上覆壓力、彈模比、凍結壁側墻高度、底板曲率半徑和側壓力系數六個因素,對凍結壁進行6因素4水平正交組合試驗,運用多元統計方法,首先給出了保證凍結壁不出現拉應力時,凍結壁底板曲率半徑、側墻高度和側壓力系數之間的關系;其次進行Tresca、Mises和Mohr-Coulomb屈服條件下凍結壁厚度彈性設計公式回歸分析,并采用方差分析法對回歸公式進行了顯著性驗證。結果表明:凍結壁彈性設計厚度回歸公式影響顯著,可用于預測和判斷凍結壁厚度;與圓形凍結壁類似,Mises屈服準則下凍結壁彈性設計厚度最小,Tresca準則下設計厚度最大,Mohr-Coulomb準則下設計厚度居中。內摩擦角的影響主要集中在?10°內,且黏聚力越小,?影響范圍越大。通過數值模擬方法,基于Mohr-Coulomb準則,分別對非均勻荷載作用下圓形和直墻半圓拱形凍結壁進行了彈塑性分析。影響因素研究表明,在側壓力系數λ1時,圓形凍結壁塑性區(qū)主要存在于側腰區(qū)域,直墻半圓拱形凍結壁塑性區(qū)主要位于側墻內,且由側墻與底板連接處內側沿斜向上45°~50°向內部發(fā)展;當側壓力系數λ1時,側墻內塑性區(qū)逐漸消失,頂板和底板塑性區(qū)逐漸增加。凍結壁內塑性區(qū)厚度與上覆壓力近似呈線性正比例關系;凍結壁外內徑比、凍土黏聚力和內摩擦角的增加均可減小凍結壁內塑性區(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凍結壁內塑性區(qū)的增長。在側壓力系數λ1時,凍結壁底板曲率半徑對塑性區(qū)的影響較小,可以忽略;因側墻高度增加導致側墻剛度減小,故側墻高度對塑性區(qū)的影響表現為先增加而后減小的趨勢。基于上述6因素,分別對圓形和直墻半圓拱形凍結壁進行了6因素4水平正交組合試驗,結果表明:上覆壓力、彈模比、凍土黏聚力和內摩擦角對凍結壁影響均顯著。根據多元統計分析方法,分別對圓形和直墻半圓拱形凍結壁正交組合試驗結果進行了回歸分析,獲得了凍結壁塑性區(qū)厚度與各影響因素之間的回歸公式�；谌S礦山建設試驗臺,建立了可模擬斜井加載-凍結-開挖-解凍全過程的三維模型試驗系統。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和五排管豎向凍結兩種凍結形式下的凍結開挖試驗,模型尺寸為2m×2m×1.2m(寬×高×深),試驗中最大豎向壓力達到了2.13MPa,且在該壓力下凍結管仍能保持完好。通過兩組凍結試驗獲得的凍結壁厚度和平均溫度均能滿足設計要求。砂土層中,在凍結壁未解凍前,井筒開挖導致的凍結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)向應力隨著開挖進行逐漸減小,側幫附近環(huán)向應力則隨著開挖進行逐漸增加;凍結壁內徑向應力隨著開挖進行逐漸減小。獲得的應力變化規(guī)律與理論結果趨勢一致。豎直孔凍結試驗中,因開挖過程中需停止中間三排管鹽水循環(huán),只有最外排凍結管持續(xù)凍結,故凍結壁側幫溫度和厚度能夠得以維持,凍結壁側幫平均溫度在-5℃左右,解凍厚度維持在0.06m,開挖結束后頂板和底板凍結壁溫度迅速上升但能夠維持在-2℃~-3℃,凍結壁厚度尤其是底板厚度仍持續(xù)減小。軸向凍結開挖試驗中,凍結管不受開挖影響,有效維持了凍結壁各處的溫度和厚度。開挖過程中凍結壁解凍厚度維持在0.07m內,凍結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,豎直孔凍結試驗中凍結壁頂板和底板溫度和解凍范圍均大于側幫,而軸向凍結試驗中凍結壁各處變化相對均勻。而且軸向凍結試驗中凍結壁各處平均溫度均要低于豎直孔凍結試驗。按凍結壁設計厚度計算,豎直孔凍結試驗維護凍結期側幫凍結壁厚度減小了27.4%,軸向凍結試驗維護凍結期凍結壁厚度減小了14.7%。從開挖變形角度可見,豎直孔凍結試驗中凍結壁收斂要大于軸向凍結試驗。綜上所述,在斜井凍結法鑿井施工中,軸向凍結方案要明顯優(yōu)于豎向凍結方案。最后從凍結方案、凍結壁合理斷面尺寸等方面對斜井凍結壁設計問題進行了探討,并結合實例給出了凍結壁的彈性和彈塑性設計值,結果表明在給定的實例中,考慮凍結壁為非圓形結構所得設計厚度值小于圓形凍結壁設計厚度,考慮凍結壁為彈塑性介質所得設計厚度遠小于彈性設計厚度,僅為彈性設計厚度的1/15~1/20。因此在進行斜井凍結壁設計時需考慮凍結壁的形狀不規(guī)則性,對于深埋問題,需采用彈塑性設計方法。
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【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD265.3

【參考文獻】

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本文編號：2497181