【摘要】：“兩壁一鉆”問題是立井井筒凍結(jié)法施工的核心技術(shù)問題,其中深厚表土中的凍結(jié)壁問題,特別是凍結(jié)壁的設(shè)計又是其中的難點。深厚表土凍結(jié)壁設(shè)計過程中,凍結(jié)壁的溫度場和變形場是影響凍結(jié)法成敗的關(guān)鍵因素。采用傳統(tǒng)凍結(jié)孔同心圓布置方式的凍結(jié)技術(shù),在滿足設(shè)計和施工要求的條件下,形成的凍結(jié)壁存在冷量消耗大、受力不合理等問題�；诖�,本文提出了一種凍結(jié)孔分圈插花均勻布置技術(shù),能夠提高凍結(jié)壁均勻性,即“均勻凍結(jié)壁”。該技術(shù)主要是通過改變傳統(tǒng)的同心圓布孔方式,將內(nèi)圈孔和中圈孔由一圈分成兩圈(采用分圈插花狀布孔,將傳統(tǒng)的凍結(jié)孔由三圈變?yōu)槲迦?,這樣在內(nèi)外圈凍結(jié)孔之間形成更加均勻的低溫條帶(核心區(qū))。由于凍結(jié)壁核心區(qū)溫度更加均勻,且平均溫度更低,使得核心區(qū)凍結(jié)壁在外部水土壓力作用下井幫位移更小,凍結(jié)壁變得更加安全。本文圍繞分圈插花布孔凍結(jié)技術(shù)形成的均勻凍結(jié)壁相關(guān)問題開展深入研究。通過室內(nèi)試驗、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等多種研究手段,以萬福煤礦為工程背景和試驗基地,研究深厚表土井筒凍結(jié)的關(guān)鍵題——均勻凍結(jié)壁的設(shè)計與實踐,分析深厚表土的凍土熱力學(xué)特性、均勻凍結(jié)壁溫度場時空演化特征以及均勻凍結(jié)壁的變形規(guī)律,在此基礎(chǔ)上總結(jié)歸納提出均勻凍結(jié)壁的設(shè)計理論與方法。以萬福煤礦為基地,開展了原狀土和重塑土的單軸壓縮試驗、三軸抗壓強度試驗、單軸蠕變試驗、凍脹試驗以及導(dǎo)熱系數(shù)、比熱試驗等,獲得了萬福礦深厚表土的強度、變形模量、泊松比、蠕變速率、凍脹率等力學(xué)參數(shù)和比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等熱物理參數(shù),為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)的力學(xué)與熱物理特性參數(shù)。采用COMSOL Multiphysics軟件分別對傳統(tǒng)凍結(jié)壁與均勻凍結(jié)壁溫度場的時空演化特征進行模擬,分析發(fā)現(xiàn)均勻凍結(jié)壁的內(nèi)圈和外圈凍結(jié)孔之間存在相對更加均勻的低溫條帶,在凍結(jié)中前期具有更低的凍結(jié)壁平均溫度。在此基礎(chǔ)上提出了“核心區(qū)凍結(jié)壁”(內(nèi)圈和外圈之間的凍結(jié)壁)的概念,進而通過單因素分析、正交分析獲得了多個參數(shù)的對均勻凍結(jié)溫度場的影響,并確定了顯著影響因素。通過多因素回歸分析,獲得了均勻凍結(jié)溫度場凍結(jié)壁的有效厚度、凍結(jié)壁平均溫度、核心區(qū)凍結(jié)壁厚度和核心區(qū)平均溫度的經(jīng)驗公式。采用ANSYS軟件分別對均勻凍結(jié)壁、傳統(tǒng)凍結(jié)壁和均一溫度凍結(jié)壁進行受力變形特征模擬,分析發(fā)現(xiàn)用凍結(jié)壁厚度和平均溫度進行凍結(jié)壁分析的傳統(tǒng)方法有一定誤差的,同時指出減小凍結(jié)壁變形和位移的核心在于提高核心區(qū)凍結(jié)壁的強度。此外,利用單因素分析、正交分析,揭示了深厚表土均勻凍結(jié)開挖過程中凍結(jié)壁的變形規(guī)律,得到了以核心區(qū)凍結(jié)壁厚度和核心區(qū)凍結(jié)壁平均溫度為參數(shù)的凍結(jié)壁最大徑向位移回歸公式。綜合歸納上述理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果,闡述了均勻凍結(jié)壁的概念、機理和實現(xiàn)途徑,提出了均勻凍結(jié)壁的設(shè)計方法,并基于MATLAB平臺開發(fā)了一款深厚表土均勻凍結(jié)壁設(shè)計軟件,實現(xiàn)了均勻凍結(jié)壁的高效設(shè)計。最后,以采用均勻凍結(jié)壁設(shè)計和施工的萬福煤礦主井和采用傳統(tǒng)凍結(jié)壁設(shè)計和施工的龍固煤礦副井為現(xiàn)場試驗基地,對萬福煤礦主井及龍固煤礦副井的凍結(jié)效果進行現(xiàn)場實時監(jiān)測與分析。對比分析發(fā)現(xiàn)分圈插花均勻布孔和傳統(tǒng)同心圓布孔所形成的凍結(jié)壁溫度場發(fā)展演化規(guī)律有較大不同。此外,結(jié)合凍結(jié)壁的受力變形監(jiān)測數(shù)據(jù),證明采用均勻凍結(jié)壁設(shè)計和施工的萬福主井的凍結(jié)效果優(yōu)于采用傳統(tǒng)凍結(jié)壁設(shè)計和施工的龍固煤礦副井凍結(jié)效果,驗證了均勻凍結(jié)壁的適用性和優(yōu)越性。本論文研究成果豐富了深厚表土井筒凍結(jié)理論和技術(shù),提高了深厚表土層中凍結(jié)壁的理論與設(shè)計水平,可以用來指導(dǎo)深厚表土井筒凍結(jié)設(shè)計和施工,同時對華東地區(qū)未來深厚表土凍結(jié)井筒工程建設(shè)具有理論和技術(shù)指導(dǎo)價值。
【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】：2018
【分類號】：TD265.3
【圖文】：

逑徑＾８９）。根據(jù)取樣深度的要求，在現(xiàn)場鉆孔，鉆到設(shè)計深度，以滿足取樣的標(biāo)準(zhǔn)逡逑要求。取樣后，進行現(xiàn)場檢驗和處理，并進行密封和貼標(biāo)，如圖２．５和圖２．６所示，逡逑包裝并運回實驗室進行試驗。逡逑（２）重塑土樣的采集逡逑重塑土樣是指原狀土經(jīng)烘干、碾碎，再按照原狀土的密度和含水率重新制成逡逑的外形仿原狀土的一種試驗用土，其物理性質(zhì)如膠結(jié)、強度和結(jié)構(gòu)都發(fā)生了變化。逡逑重塑土樣按照《人工凍土物理力學(xué)性能試驗，第１部分：人工凍土試驗取樣及試逡逑樣制備方法》（ＭＴ／Ｔ邋５９３．１）進行采集、包裝、運輸和加工。當(dāng)工程開挖到相應(yīng)土逡逑層時，選擇原狀土樣，用有代表性的土壤樣品測定天然含水量和密度，把土樣品逡逑剁碎，在１０５－１１０１：溫度下烘干并放入干燥器中冷卻至室溫，用２ｍｍ標(biāo)準(zhǔn)篩孔對逡逑土壤樣品進行粉碎和篩選。在試驗過程中，按設(shè)計要求配制水含量，密封，放入逡逑保濕劑２４小時以上，用于樣品制備。逡逑Ｍｉｌ逡逑Ｉ邋ｍ逡逑ＩＨＢＢＩ逡逑圖２．５邋土樣的簡單加工邐圖２．６邋土樣編號標(biāo)簽逡逑Ｆｉｇ．２．５邋Ｓｉｍｐｌｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ邋ｏｆ邋ｓｏｉｌ邋ｓａｍｐｌｅｓ邐Ｆｉｇ．２．６邋Ｓｏｉｌ邋ｓａｍｐｌｅ邋ｎｕｍｂｅｒ邋ｌａｂｅｌ逡逑（二）主要試驗設(shè)備逡逑（ｉ）恒溫設(shè)備逡逑１）邋ＸＴ５４０２系列高低溫試驗箱逡逑恒溫裝置采用動態(tài)恒溫控制系統(tǒng)

邐下部Ｊｃ器接口邐擋板風(fēng)扇逡逑圖２．７液氮高低溫試驗箱示意圖逡逑Ｆｉｇ．２．７邋Ｌｉｑｕｉｄ邋ｎｉｔｒｏｇｅｎ邋ｈｉｇｈ邋ａｎｄ邋ｌｏｗ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｔｅｓｔ邋ｃｈａｍｂｅｒ邋ｄｉａｇｒａｍ逡逑（２）試驗加載設(shè)備逡逑１）邐ＭＴＳ邋—８１５全數(shù)字型液壓伺服試驗機逡逑本文部分人工凍土的單軸壓縮試驗選用了邋ＭＴＳ—８１５全數(shù)字型液壓伺服試驗逡逑機，如圖２．８所示。逡逑＾邋——逡逑』＿ｆＬ逡逑圖２．８邋ＭＴＳ—８１５全數(shù)字型液壓伺服試驗機逡逑Ｆｉｇ．２．８邋ＭＴＳ８１５邋ｄｉｇｉｔａｌ邋ｈｙｄｒａｕｌｉｃ邋ｔｅｓｔｉｎｇ邋ｍａｃｈｉｎｅ逡逑２）邐ＴＡＴＷ－２０００／５００巖土動靜態(tài)三軸試驗機逡逑本文低溫人工凍土的單軸壓縮試驗采用了中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)國家重逡逑１８逡逑

（２）試驗加載設(shè)備逡逑１）邐ＭＴＳ邋—８１５全數(shù)字型液壓伺服試驗機逡逑本文部分人工凍土的單軸壓縮試驗選用了邋ＭＴＳ—８１５全數(shù)字型液壓伺服試驗逡逑機，如圖２．８所示。逡逑＾邋——逡逑』＿ｆＬ逡逑

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本文編號：2802638