本文選題：凍脹試驗(yàn)　切入點(diǎn)：多圈管凍結(jié)　出處：《安徽理工大學(xué)》2013年博士論文

【摘要】：目前以兩淮地區(qū)為代表的新建礦井穿越的表土層厚度不斷加大,為保證井筒掘砌的順利進(jìn)行,普遍采用三圈甚至四圈管凍結(jié)來(lái)增加凍結(jié)壁的厚度以抵抗較大的地壓。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)深厚地層土體基本凍脹特性及多圈管凍結(jié)過(guò)程凍結(jié)壁內(nèi)部特征參數(shù)變化規(guī)律掌握尚不夠全面,需進(jìn)一步開展相關(guān)方面基礎(chǔ)研究。 本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)缺乏多功能、邊界可以多變的凍脹試驗(yàn)裝置,研制了一臺(tái)功能完善,集溫度、水分、壓力控制于一體的微機(jī)控制多功能凍融壓縮試驗(yàn)系統(tǒng),通過(guò)設(shè)定相關(guān)外邊界條件,能夠達(dá)到試驗(yàn)外邊界與凍結(jié)法鑿井現(xiàn)場(chǎng)外邊界條件一致�；谠撛囼�(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行了大載荷作用下土體凍脹力(率)的測(cè)試,得出外載荷對(duì)凍脹力(率)影響最敏感區(qū)間；凍結(jié)鋒面遷移高度h與凍結(jié)時(shí)間t呈良好的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。通過(guò)單、雙向凍結(jié)模式下凍脹力試驗(yàn),得出兩種凍結(jié)模式下凍脹力隨冷源溫度變化均可用指數(shù)函數(shù)來(lái)描述,雙向凍結(jié)較單向凍結(jié)凍脹力增幅與冷端溫度之間呈良好的二次函數(shù)關(guān)系,且凍結(jié)鋒面遷移速率近乎是單向凍結(jié)的兩倍左右。同時(shí)改變?cè)囼?yàn)常規(guī)凍脹測(cè)試方法,通過(guò)試驗(yàn)儀器位移閉環(huán)控制,在預(yù)留不同凍脹空間下進(jìn)行凍脹力量測(cè),間接獲得了土體凍脹力與凍脹率呈二次拋物線函數(shù)下降趨勢(shì)關(guān)系,當(dāng)土體凍脹空間大于最大凍脹率42%時(shí),凍脹力下降速率加快。通過(guò)試驗(yàn),更好掌握了深厚表土地層土體凍脹基本特性。 針對(duì)多圈管凍結(jié)過(guò)程凍結(jié)壁內(nèi)部溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、水分場(chǎng)規(guī)律掌握尚不夠全面問題,在室內(nèi)調(diào)整內(nèi)、中、外圈凍結(jié)孔布置圈徑以及凍結(jié)孔間距,進(jìn)行了兩次共六個(gè)區(qū)域多圈管凍結(jié)模型試驗(yàn),獲得了大量?jī)鼋Y(jié)壁內(nèi)部溫度、水分、應(yīng)力場(chǎng)變化數(shù)據(jù)。同時(shí)結(jié)合ADINA有限元軟件對(duì)不同凍結(jié)方案進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬比較分析,描述了多圈管凍結(jié)過(guò)程凍結(jié)壁厚度、平均溫度等參數(shù)變化特征,得出在凍結(jié)管無(wú)偏斜條件下,凍結(jié)孔環(huán)向間距平均增大(減小)O.1m,凍結(jié)壁交圈時(shí)間相應(yīng)增大(減小)4d；兩圈孔布置間距增大(減小)1m,孔間土體交圈時(shí)間相應(yīng)增大(減小)8-10d；外圈孔圈徑(直徑)增加1.0m,凍結(jié)壁有效厚度增加0.3-0.4m；內(nèi)圈孔圈徑(直徑)增大1.0m,井幫溫度增高1.3～1.7℃等規(guī)律。應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果表明,凍脹力沿徑向方向分布不均,主要積聚在外圈孔內(nèi)側(cè)各凍結(jié)管附近,凍結(jié)孔布置圈徑對(duì)環(huán)向凍脹力影響小于對(duì)徑向凍脹力影響,而凍結(jié)孔間距對(duì)環(huán)向凍脹力影響大于對(duì)徑向凍脹力影響,凍結(jié)孔間距增大(減小)0.1m,凍脹力減小(增大)10%左右。在凍結(jié)壁形成過(guò)程,水分遷移劇烈,主要發(fā)生在測(cè)點(diǎn)溫度處于5℃左右降至結(jié)冰溫度階段,不同位置土體含水率差值達(dá)到11.25%,引起徑向方向凍結(jié)壁強(qiáng)度分布不均。利用有限元計(jì)算軟件還考慮了凍結(jié)管偏斜對(duì)凍結(jié)壁特征參數(shù)的影響,得出凍結(jié)管偏斜對(duì)凍結(jié)壁有效厚度影響較小,但對(duì)凍結(jié)壁平均溫度及井幫溫度均有較大影響,且極易在內(nèi)、外圈孔之間形成封閉的未凍水倉(cāng),對(duì)凍結(jié)壁整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。 本文基于多圈管凍結(jié)背景,開發(fā)了一套適用于深厚沖積層人工多圈管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)的分析及信息可視化計(jì)算軟件,并應(yīng)用至淮南某礦凍結(jié)進(jìn)風(fēng)井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程中,對(duì)關(guān)鍵層位溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、水分場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試分析。將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得出三種不同分析方式所獲得的凍結(jié)壁內(nèi)部特征參數(shù)變化規(guī)律相一致。 基于室內(nèi)基礎(chǔ)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等手段所獲得的結(jié)果,得出在凍結(jié)過(guò)程中凍結(jié)壁沿徑向方向溫度、含水率、應(yīng)力是不斷變化的,引起凍結(jié)壁沿徑向方向強(qiáng)度不一,因此在凍結(jié)壁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意凍結(jié)壁屬于非均質(zhì)材料這一特性。同時(shí)提出多圈凍結(jié)孔布置方案相關(guān)建議,指出凍結(jié)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮其凍結(jié)壁厚度、平均溫度和井幫溫度的共同作用。本文掌握了多圈管凍結(jié)壁內(nèi)部特征參數(shù)變化規(guī)律,為深井凍結(jié)壁設(shè)計(jì)提供參考。
[Abstract]:At present , the thickness of the surface layer of the newly - built mine crossing in the two - Huai region is continuously increased , so as to ensure the smooth running of the shaft excavation , three or even four - turn tube freezing is adopted to increase the thickness of the frozen wall to resist the large ground pressure .

In this paper , a microcomputer - controlled multi - function freeze - thaw compression test system with perfect function , temperature , moisture and pressure is developed in this paper . By setting relevant external boundary conditions , the external boundary conditions of the external boundary and freezing method can be achieved . Based on the test system , the test of the frost heaving force ( rate ) of the soil under heavy load is carried out , and the most sensitive interval is obtained .
In this paper , the relation of freezing and heaving force with cold source temperature in two freezing modes is described by using the exponential function of freezing and heaving force under two freezing modes . The frozen heaving force and the frost heaving rate of the frozen front surface are almost twice the one - way freezing .

In order to solve the problem of temperature field , stress field and water field law of freezing wall in freezing process of multi - coil pipe , the temperature , moisture and stress field change data of freezing wall were obtained .
The spacing of the two turns of holes increases ( decreases ) 1m , and the time of interhole soil crossing increases ( decreases ) 8 - 10d ;
the diameter of the outer ring hole is increased by 1.0 m , and the effective thickness of the freezing wall is increased by 0.3 - 0.4m ;
The results of stress field show that the effect of freezing tube deflection on the frozen wall characteristic parameters is less than that of the frozen wall . The effect of freezing hole spacing on the frozen wall characteristic parameter is more than about 11.25 % .

Based on the background of multi - loop pipe freezing , a set of analysis and information visualization software for freezing wall temperature field of artificial multi - loop pipe in deep alluvium is developed .

Based on the results obtained by indoor basic experiment , model test , numerical simulation and on - site test , it is concluded that freezing wall is not uniform in radial direction due to the changing of temperature , water content and stress in the radial direction of frozen wall during the freezing process .

【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：P642.14

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1708134