立井開鑿是開發(fā)深厚土層下固體礦物資源所面臨的首道技術(shù)難關(guān)。凍結(jié)法是深厚土層中最主要的鑿井方法。因人工凍結(jié)深厚飽和含水砂層所產(chǎn)生的凍脹力已導(dǎo)致十余起井壁破裂、凍結(jié)管斷裂等重大工程災(zāi)害,但缺乏系統(tǒng)、深入的研究。為獲得凍脹力的變化規(guī)律和數(shù)值,本文綜合采用理論分析、數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)方法,開展了多圈管凍結(jié)條件下飽和含水砂層內(nèi)水-熱-力三場耦合作用規(guī)律研究。首先,分析了實(shí)際多圈管凍結(jié)過程中凍結(jié)區(qū)和未凍結(jié)區(qū)的水-熱-力耦合作用特點(diǎn),建立了多層圓筒水、熱、力耦合作用基本模型;導(dǎo)出了基于水-熱-力耦合作用的多圈管凍結(jié)條件下飽和含水砂層中孔隙水壓和凍脹力的積分型計(jì)算公式;在軸對(duì)稱平面應(yīng)變條件下,針對(duì)基本模型,采用理論分析方法,分別獲得了凍結(jié)純水和凍結(jié)含水飽和砂土過程中凍脹力和水壓的演化規(guī)律,以及各參數(shù)的影響規(guī)律。其次,針對(duì)多層圓筒水-熱-力耦合作用基本模型,編制了能模擬多圈管凍結(jié)飽和含水砂層過程中水-熱-力耦合作用的ANSYS二次開發(fā)程序;利用ANSYS有限元計(jì)算軟件包,通過大量數(shù)值計(jì)算,分別獲得了凍結(jié)純水和凍結(jié)飽和含水砂層過程中溫度、水壓和凍脹力的變化規(guī)律和數(shù)值。第三,針對(duì)多層圓筒水-熱-力耦合作用基... 

【文章來源】：中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：192 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

單圈管凍結(jié)地層示意圖

凍結(jié)管外表面的溫度邊界條件，以及凍結(jié)鋒面上的熱平衡條件。對(duì)于這樣一個(gè)數(shù)學(xué)模型，從理論上求解非常困難，一般情況下利用數(shù)值計(jì)算即可獲得較高精度的解。周曉敏等[25]研究了單圈管凍結(jié)溫度場，得到了主面和界面的溫度場發(fā)展規(guī)律，見圖 1-2 和圖1-3[25]。圖 1-1 單圈管凍結(jié)地層示意圖Figure 1-1 Schematic Map of Frozen Ground with Single Ring Pipe

得到了主面和界面的溫度場發(fā)展規(guī)律，見圖 1-2 和圖1-3[25]。圖 1-1 單圈管凍結(jié)地層示意圖Figure 1-1 Schematic Map of Frozen Ground with Single Ring Pipe圖 1-2 主面溫度場發(fā)展曲線Figure 1-2 Development Curve of TemperatureField at Main Surface of Ground Freezing圖 1-3 界面溫度場發(fā)展曲線Figure 1-3 Development Curve of TemperatureField at Interface Surface of Ground Freezing隨著深度增加，單圈管凍結(jié)地層形成的凍結(jié)壁厚度及其平均溫度不能滿足抵抗更高水土壓力的要求。為此，采用兩圈、三圈甚至四圈管凍結(jié)地層以得到厚度更大、平均溫度更低（強(qiáng)度更高）的凍結(jié)壁。多圈管凍結(jié)溫度場無法求出解析解，只能通過數(shù)值計(jì)算、物理模擬與現(xiàn)場實(shí)測三種方法開展研究。常見的雙圈管凍結(jié)溫度場的變化曲線見圖


本文編號(hào)：3231978