本文關(guān)鍵詞：深厚沖積層凍結(jié)立井外層井壁結(jié)構(gòu)模糊隨機(jī)可靠性研究

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【摘要】：1998年以來,隨著我國煤炭淺部資源的開發(fā)殆盡,井筒深度不斷增加,我國中東部地區(qū)穿越450m深厚沖積層的凍結(jié)深立井增多,外層井壁在施工和運(yùn)營過程中的安全事故時(shí)有發(fā)生,其穩(wěn)定可靠性問題已成為國內(nèi)建井界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。與淺立井相比,深凍結(jié)井筒穿過地層的水文條件與地質(zhì)環(huán)境更加復(fù)雜,其凍土力學(xué)特性、凍結(jié)壁溫度與厚度、凍結(jié)壓力、井壁承載力等顯示出強(qiáng)烈的不確定性。論文將深厚沖積地層與凍結(jié)井筒視為模糊隨機(jī)力場,采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法,深入研究深凍結(jié)立井外層井壁結(jié)構(gòu)的可靠性,對提高井筒設(shè)計(jì)的科學(xué)性,確保施工與運(yùn)行安全,具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。通過深埋人工凍土的單軸抗壓和蠕變試驗(yàn),揭示溫度、應(yīng)力等級對凍土蠕變的影響規(guī)律�；诖�,利用最優(yōu)解信息素模糊化系數(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)的蟻群算法,以期提高搜索效率,避免局部最優(yōu)；采用模糊蟻群算法隨機(jī)反演常用蠕變模型的柔量參數(shù)；結(jié)合精度和復(fù)雜度,建立雙指標(biāo)綜合選優(yōu)目標(biāo)函數(shù),確定指標(biāo)的模糊權(quán)重,最后評價(jià)出三種不同應(yīng)力條件下的深埋人工凍土最優(yōu)蠕變模型。分析兩淮礦區(qū)深厚沖積層井壁凍結(jié)壓力現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果,將凍結(jié)壓力分布視為不均勻模糊隨機(jī)力場,引入變異系數(shù)表征其不均勻性；運(yùn)用模糊隨機(jī)理論和實(shí)測數(shù)據(jù),首次提出了黏土層和鈣質(zhì)黏土層井壁凍結(jié)壓力的模糊隨機(jī)表達(dá)式,并得到工程實(shí)例驗(yàn)證。根據(jù)大量深厚沖積層鋼筋混凝土井壁模型極限承載力試驗(yàn)結(jié)果,選擇混凝土抗壓強(qiáng)度、厚徑比、配筋率和極限承載力四項(xiàng)參數(shù)為評價(jià)指標(biāo),采用改進(jìn)后的灰色關(guān)聯(lián)分析法對鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模糊加權(quán)綜合選優(yōu)�；趦苫吹V區(qū)高強(qiáng)鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)參數(shù)的樣本數(shù)據(jù)集,分析結(jié)構(gòu)材料、幾何參數(shù)和計(jì)算模式的不確定分布情況,得到相應(yīng)的模糊隨機(jī)分布規(guī)律；利用三角型隸屬函數(shù)形成模糊截集,建立高強(qiáng)鋼筋混凝土井壁極限承載力的模糊隨機(jī)模型,實(shí)例證明該模型更加真實(shí)有效。結(jié)合深厚沖積層井壁凍結(jié)壓力和高強(qiáng)鋼筋混凝土井壁極限承載力模糊隨機(jī)分析,得到深厚沖積層高強(qiáng)鋼筋混凝土外層井壁的模糊隨機(jī)極限狀態(tài)方程,應(yīng)用改進(jìn)后的中心點(diǎn)法推導(dǎo)出外層井壁結(jié)構(gòu)模糊隨機(jī)可靠性的解析解,并提出各變量對模糊隨機(jī)可靠性的靈敏度區(qū)間模型。工程算例表明：模糊隨機(jī)可靠性以區(qū)間值表征井筒的可靠程度,較常規(guī)可靠性的定值表現(xiàn)方法更具合理性。對鋼筋混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系和失效準(zhǔn)則進(jìn)行模糊隨機(jī)處理,給出井壁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的模糊隨機(jī)失效函數(shù),設(shè)定輸入輸出模糊隨機(jī)變量,建立鋼筋混凝土外層井壁結(jié)構(gòu)的模糊隨機(jī)有限元分析模型。利用ANSYS中的PDS模塊對實(shí)際工況進(jìn)行外層井壁結(jié)構(gòu)的可靠性數(shù)值計(jì)算,得到95%置信水平的模糊隨機(jī)有限元可靠性,其區(qū)間值與模糊隨機(jī)可靠性解析值接近。模糊隨機(jī)靈敏度分析發(fā)現(xiàn)外層井壁結(jié)構(gòu)可靠性的主要影響因素依次為：井壁凍結(jié)壓力、混凝土抗壓強(qiáng)度和厚徑比。
【關(guān)鍵詞】：模糊隨機(jī) 可靠性 凍結(jié)壓力 極限承載力 井壁結(jié)構(gòu) 蠕變模型 有限元分析
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD265.3
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-19
• 1 緒論19-31
• 1.1 研究背景和意義19-20
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20-27
• 1.2.1 不確定性理論及發(fā)展20-23
• 1.2.2 凍土蠕變研究現(xiàn)狀23-24
• 1.2.3 井壁凍結(jié)壓力研究現(xiàn)狀24-25
• 1.2.4 井壁極限承載力研究現(xiàn)狀25-26
• 1.2.5 可靠性理論研究現(xiàn)狀26-27
• 1.3 存在的問題27-28
• 1.4 主要研究內(nèi)容與方法28-31
• 1.4.1 研究內(nèi)容28-29
• 1.4.2 研究方法29-30
• 1.4.3 技術(shù)路線30-31
• 2 凍結(jié)黏土蠕變模型的模糊隨機(jī)辨識與綜合選優(yōu)31-48
• 2.1 常規(guī)土工試驗(yàn)31-32
• 2.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容31
• 2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果31-32
• 2.2 凍結(jié)黏土單軸試驗(yàn)分析32-37
• 2.2.1 試件及試驗(yàn)裝置32-33
• 2.2.2 單軸抗壓試驗(yàn)33-35
• 2.2.3 單軸蠕變試驗(yàn)35-37
• 2.3 蟻群算法模糊改進(jìn)37-40
• 2.3.1 傳統(tǒng)蟻群算法37-38
• 2.3.2 模糊蟻群算法38-40
• 2.4 凍結(jié)黏土蠕變模型的模糊隨機(jī)辨識40-44
• 2.4.1 蠕變?nèi)崃亢腿崃繀?shù)40-43
• 2.4.2 模糊蟻群算法反演參數(shù)43-44
• 2.5 蠕變模型綜合選優(yōu)44-46
• 2.5.1 目標(biāo)函數(shù)的改進(jìn)44
• 2.5.2 模型綜合評價(jià)44-46
• 2.6 模糊蟻群算法效率分析46
• 2.7 本章小結(jié)46-48
• 3 深厚沖積層井壁凍結(jié)壓力模糊隨機(jī)分析48-73
• 3.1 兩淮礦區(qū)地質(zhì)地貌48-49
• 3.2 井壁凍結(jié)壓力現(xiàn)場監(jiān)測49-54
• 3.2.1 產(chǎn)生機(jī)理49-50
• 3.2.2 監(jiān)測傳感器布置50
• 3.2.3 監(jiān)測水平50-52
• 3.2.4 監(jiān)測結(jié)果52-54
• 3.3 井壁凍結(jié)壓力的不均勻性分析54-57
• 3.3.1 不均勻分布54-55
• 3.3.2 不均勻系數(shù)及改進(jìn)55-56
• 3.3.3 不均勻系數(shù)對比56-57
• 3.4 井壁凍結(jié)壓力的影響因素57-61
• 3.5 井壁凍結(jié)壓力的模糊隨機(jī)分析61-69
• 3.5.1 隨機(jī)性分析61
• 3.5.2 模糊性分析61-62
• 3.5.3 模糊隨機(jī)分析62-69
• 3.6 工程算例69-71
• 3.6.1 工程驗(yàn)算69-70
• 3.6.2 結(jié)果分析70-71
• 3.7 本章小結(jié)71-73
• 4 鋼筋混凝土井壁極限承載力模糊隨機(jī)分析73-93
• 4.1 井壁模型極限承載力試驗(yàn)73-77
• 4.1.1 井壁模型73-74
• 4.1.2 加載裝置及試驗(yàn)方法74-75
• 4.1.3 試驗(yàn)結(jié)果75-77
• 4.2 灰色關(guān)聯(lián)分析及改進(jìn)77-79
• 4.2.1 傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)分析77-78
• 4.2.2 灰色關(guān)聯(lián)分析的改進(jìn)78-79
• 4.3 井壁結(jié)構(gòu)參數(shù)灰色關(guān)聯(lián)分析79-80
• 4.4 井壁結(jié)構(gòu)模糊綜合選優(yōu)80-83
• 4.4.1 指標(biāo)的模糊權(quán)重81
• 4.4.2 模糊綜合選優(yōu)81-83
• 4.5 井壁極限承載力的模糊隨機(jī)分布83-88
• 4.5.1 結(jié)構(gòu)材料的模糊隨機(jī)分布83-84
• 4.5.2 幾何參數(shù)的模糊隨機(jī)分布84-86
• 4.5.3 計(jì)算模式的模糊隨機(jī)分布86-87
• 4.5.4 極限承載力的模糊隨機(jī)分布87-88
• 4.6 井壁極限承載力的模糊隨機(jī)模型88-91
• 4.7 工程算例91-92
• 4.8 本章小結(jié)92-93
• 5 深厚沖積層鋼筋混凝土外層井壁模糊隨機(jī)可靠性分析93-114
• 5.1 結(jié)構(gòu)可靠性理論93-96
• 5.1.1 可靠性分析步驟93
• 5.1.2 功能函數(shù)與極限狀態(tài)方程93-94
• 5.1.3 失效概率和可靠概率94-95
• 5.1.4 可靠性指標(biāo)95-96
• 5.2 可靠性的計(jì)算方法96-98
• 5.3 模糊隨機(jī)可靠性98-100
• 5.4 鋼筋混凝土外層井壁模糊隨機(jī)可靠性分析100-106
• 5.4.1 中心點(diǎn)法的模糊隨機(jī)改進(jìn)100-101
• 5.4.2 改進(jìn)的算法流程101-103
• 5.4.3 模糊隨機(jī)可靠性解析解103-106
• 5.5 模糊隨機(jī)可靠性靈敏度分析106-111
• 5.5.1 模糊隨機(jī)可靠性靈敏度106-107
• 5.5.2 模糊隨機(jī)靈敏度區(qū)間107-111
• 5.6 工程算例111-112
• 5.7 本章小結(jié)112-114
• 6 深厚沖積層鋼筋混凝土外層井壁模糊隨機(jī)有限元可靠性分析114-133
• 6.1 模糊隨機(jī)有限元114-118
• 6.1.1 隨機(jī)有限元114-115
• 6.1.2 模糊隨機(jī)有限元115-117
• 6.1.3 模糊區(qū)間方程組求解117-118
• 6.2 ANSYS模糊隨機(jī)有限元可靠性118-121
• 6.2.1 ANSYS特點(diǎn)分析118
• 6.2.2 ANSYS概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)118-119
• 6.2.3 失效函數(shù)的模糊化119-121
• 6.3 鋼筋混凝土外層井壁結(jié)構(gòu)模糊隨機(jī)有限元模型121-124
• 6.3.1 工況介紹121-122
• 6.3.2 外層井壁結(jié)構(gòu)有限元模型122
• 6.3.3 材料本構(gòu)關(guān)系模糊化122-124
• 6.3.4 結(jié)構(gòu)失效函數(shù)模糊化124
• 6.4 鋼筋混凝土外層井壁模糊隨機(jī)有限元可靠性數(shù)值計(jì)算124-132
• 6.4.1 模糊隨機(jī)輸入變量124-125
• 6.4.2 輸入變量的樣本分布125-127
• 6.4.3 輸出變量的樣本分布127-129
• 6.4.4 模糊隨機(jī)有限元可靠性129-130
• 6.4.5 模糊隨機(jī)有限元靈敏度分析130-132
• 6.5 本章小結(jié)132-133
• 7 結(jié)論與展望133-136
• 7.1 主要結(jié)論133-134
• 7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)134-135
• 7.3 工作展望135-136
• 參考文獻(xiàn)136-145
• 致謝145-146
• 作者簡介及讀博期間主要科研成果146
• 作者簡介146
• 攻讀博士期間發(fā)表的論文146
• 主要參與的科研項(xiàng)目146

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本文編號：614261