深厚冲积层立井井筒冻结压力分布规律研究.pdf

中图分类号婴3 塾 学科分类号4 4 0 ．2 0 1 0 论文编号 安徽理工大学 博士学位论文 深厚冲积层立井井筒冻结压力分布规律研究 作者姓名呈茂艳 专业名称室全拉本殛王程 研究方向芷出塞全撞苤 导师姓名程挫塾拯 苤佳堑塾援 导师单位塞徵太堂 塞徵理王太堂 答辩委员会主席王建国熬援 论文答辩日期2 0 1 5 年5 月1 0 日 安徽理工大学研究生处 2 0 1 5 年6 月1 0日 万方数据 AD i s s e r t a t i o ni n ．S a f e t yT e c h o n o l o g ya n dE n g i n e e r i n g S t u d yo nf r e e z i n gp r e s s u r eo fd e e ps h a f ti nt h i c k a l l u v i u m C a n d i d a t e M aM a o y a n S u p e r v i s o r P r o f e s s o rC h e n gH u a ，P r o f e s s o rR o n g C h u a n x i n E n e r g ya n dS a f e t yE n g i n e e r i n gS c h o o l A n H u i U n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N o ．16 8 ，S h u n g e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，P ．R ．C H I N A 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徼墼三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名宜蓖拉日期皿年』月』日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解宝徽望王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徵望王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位 论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 宕六悔 签字日期矽Ⅸ年参月心日 锄排讹嘶 样嘲殍川日 万方数据 摘要 摘要 进入2 1 世纪以来，随着我国中东部浅层煤炭资源的枯竭，煤炭开发深度多达 8 0 0 m 以深，新建矿井具有井型大、穿越冲积地层深厚 4 5 0 m 及以下 等特点。 冻结压力是冻结法凿井的重要设计参数，决定冻结壁和井壁结构设计是否科学合 理，事关施工安全。由于国内、外对4 5 0 m 以下深厚冲积层立井冻结压力研究较 少，现行设计规范已无法满足冻结法凿井设计与施工要求，亟待研究解决。本文 以我国黄淮地区新建煤矿深立井为工程背景，采用理论、试验和现场实测及数值 模拟相结合的研究方法，系统研究影响深厚冲积层冻结法凿井的冻结压力诸多因 素，探讨深埋人工冻土本构关系，推导冻结压力计算公式。将数值分析、理论分 析与现场实测结果分析相互验证，揭示深井冻结压力分布规律。 首先，对取自深立井工程的土体进行常规土工、冻土热物理参数、冻土物理 力学性能试验，分析土体各参数变化规律，揭示冻土物理力学特性。研究表明 冻土的导热系数随温度降低而增大，而比热反之；粘土试样冻胀率范围在1 - 5 ％ 之间，并且随着冻结时间的增加，分别经历急剧增长、缓慢增长和相对稳定阶段； 深埋冻土与浅埋冻土的不同之处在于深埋冻土存在蠕变的加速阶段等。 其次，基于冻土蠕变试验结果，选择能较好地反映深埋冻土加速蠕变阶段的 改进的西原模型来表征深部冻土粘弹塑性流变特性。利用用户子程序U M A T 实现 A B A Q U S 软件的二次开发，把改进西原模型补充进A B A Q U S 软件的材料模型以 适应深土冻结过程的模拟，所编制的子程序得到三轴压缩试验的验证。对蠕变参 数进行了敏感性分析，结果表明冻土的蠕变发展与偏差应力、粘弹性粘滞系数和 粘塑性粘滞系数有密切关系。 基于A B A Q U S 软件的二次开发对深井冻结法凿井过程进行模拟，揭示土体 冻结过程中冻胀应力及外井壁冻结压力发展变化规律。数值计算表明，土体冻结 产生冻胀应力使冻结壁内应力远远大于初始地应力。冻结压力值随土体埋深、土 体冻胀率的增加而增大，降低冻结壁温度则有利于冻结壁的稳定。 依据周围土体、冻结壁、井壁相互作用机理，运用粘弹塑性理论分析得到考 虑冻胀效应的冻结压力解析解。理论计算公式能较好描述冻结压力的增长规律， 并且得到的冻结压力与各影响因素之间的关系与数值计算结果一致，同时得到了 冻结壁应力场的时空分布规律。 最后，针对不同土性分析研究实测冻结压力变化规律，运用灰色理论量化冻 结压力影响因素的影响，在无量纲化基础上建立冻结压力数学模型，回归出冻结 万方数据 安徽理工大学博士学位论文 压力和时间、土体埋深、冻结壁平均温度、冻结壁平均厚度及冻融半径的关系式。 将经验公式、数值计算和理论公式的计算结果与实测结果进行分析比较，验证了 理论公式、数值模拟结果和经验公式的合理性，可为类似深井外井壁设计提供参 考。 图【7 6 】表【2 6 】参[ 1 7 4 】 关键词深冻结井；冻土蠕变；冻胀；改进西原模型；冻结压力；灰关联分析 分类号T D 3 5 4 万方数据 A b s t r a c t S i n c et h eb e g i n n i n go ft h et w e n t y - f i r s tc e n t u r y , c o a lm i n i n ga tg r e a td e p t hi s n e e d e dt om e e tt h ec o a ld e m a n di nC h i n a ．G r e a td e p t hb r i n g sc o m p l e xg e o l o g i c a l p r o b l e m si nm i n ec o n s t r u c t i o n ．1 1 1 ed e s i g no f f r o z e nw a l la n ds h a f tl i n i n gi si m p o r t a n t i nm i n ec o n s t r u c t i o n , a n dt h er e a s o n a b l ee v a l u a t i o no ff r e e z i n gp r e s s u r ei st h ek e yt o t h es a f e t yo ft h es h a Rl i n i n g ．T h ee x i s t i n gd e s i g nt h e o r yw h i c hi sb a s e do nt h er e s e a r c h o fs h a l l o wm i n ec o n s t r u c t i o ni sn o ta p p l i c a b l et ot h ed e e pm i n e ．B a s e do nd a t ao f n e w l yc o n s t r u c t e dd e e pm i n e si nH u a n g H u a ia r e ai nC h i n a , f r e e z i n gp r e s s u r ea n di t s i n f l u e n c i n g f a c t o r s a r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h r o u g he x p e r i m e n t a le x p l o r i n g ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e o r e t i ca n a l y s i sa n di n - s i t um e a s u r e m e n t ． C o n v e n t i o n a lg e o t e c h n i c a lt e s ta n df r o z e ns o i lp h y s i c sm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e t e s t sh a v eb e e nc a r r i e do u tt oo b t a i ne n o u g hd a t af o rt h ef o l l o w i n gs t u d y ．T h er e s u l t s h a v eb e e na n a l y z e dt oh a v eag o o dk n o w l e d g ef o rt h ep h y s i c a lm e c h a n i c sp r o p e r t yo f t h ef r o z e ns o i li nt h i c ka l l u v i u m ．n l er e s u l t ss h o wt h a t t h ep h y s i c a lm e c h a n i c sp r o p e r t y p a r a m e t e r sv a r yw i t ht h et e m p e r a t u r eo ft h es o i l ，a n dt h e r ea r et h r e es t a g e sf o rt h e c r e e po ft h ef r o z e ns o i li nt h i c ka l l u v i u m ．B e c a u s et h et h i r ds t a g eo fc r e e pc h a r a c t e r c a nn o tb ei g n o r e d ，t h em o d i f i e dN i s h i h a r am o d e lh a sb e e nc h o s e nt od e s c r i b et h e p r o p e r t yo f t h ef r o z e ns o i li nt h i c ka l l u v i u m ． 1 1 1 em o d i f i e dN i s h i h a r am o d e li sn o ti n c l u d e di nt h ee x i s t i n gf i u i t ee l e m e n t s o f t w a r e ．I ti sn e e d e dt oa d di tt ot h em a t e r i a l so ft h ee x i s t i n gf i n i t ee l e m e n ts o R w a r e ． T h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eA B A Q U SW a sc h o s e nt oc a l T yo u tt h ef l o w i n gs t u d yt o c a l c u l a t et h ev i s c o e l a s t i cp l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h ef r o z e nw a l lo ft h ed e e ps h mi I l t h i c ka l l u v i u m ，a n dt h es o f t w a r es e c o n d a r yd e v e l o p m e n th a sb e e nc a r r i e do u tf o rt h e a b o v ep u r p o s e ．T h es u b r o u t i n eo ft h en o n l i n e a rv i s c o e l a s t i cp l a s t i ct h e o l o g i c a lm o d e l w a st e s t e db yt h et r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s tr e s u l t s ．T h ec a l c u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e v e l o p m e n to fc r e e pi sm a i n l yr e l a t e dt od e v i a t i o ns t r e s sa n dc o e f f i c i e n to fv i s c o s i t y ． B a s e do nt h er e s u l t so ft h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，t h ea c t u a lc o n d i t i o n so ft h e e x c a v a t i o no ft h ed e e ps h a Rw e r ec a l c u l a t e d ．R e s u l t ss h o wt h ef r o s th e a v es t r e s s i n c r e a s e si nt h es o i ld u r i n gt h ef r e e z i n gp r o c e s s ．T h ef r e e z i n gp r e s s u r ei sr e l a t e dw i t h t h ef a c t o r ss u c ha ss o i ld e p t h ，s o i lf r o s th e a v er a t i o ，t h et e m p e r a t u r eo ft h ef r o z e nw a l l ． n l el o w e rt e m p e r a t u r eo ft h e 丹o z e nw a l lb e n e f i mt h es t a b i l i z a t i o no ft h ef r o z e nw a l l ． ．．I I I ．． 万方数据 安徽理工大学博士学位论文 T h es o i ld e p t ha n dt h eh i g hf r o s th e a v er a t i oa r eq u i t et h er e v e r s e ． B a s e do nt h ev i s c o e l a s t i cp l a s t i ct h e o r ya n dt h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo ft h e s u r r o u n d i n ge a r t hm a s s ，t h ef r o z e nw a l la n dt h es h ml i n i n gi nu n l o a ds t a t e ，t h e e q u a t i o n sf o rt h ef r o z e nw a l ls t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tf i e l d sw e r ee s t a b l i s h e da n d t h e a n a l y t i c a ls o l u t i o no ff r e e z i n gp r e s s u r eo fd e e ps l 斌w e r ed e r i v e d ．T h er e s u l t ss h o w t h ec u r v e so ft h ef r e e z i n gp r e s s u r ef r o mt h et h e o r e t i c a lf o r m u l as i m i l a r 、析t l lt h o s e m e a s u r e di ns i t u ．B o t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h en u m e r i c a la n a l y s i sc o m et oa c o n c l u s i o na b o u tt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ef r e e z i n gp r e s s u r e ．M e a n w h i l es t r e s s f i e l d so f f r o z e nw a l lc a nb eo b t a i n e da c c o r d i n gf o rt i m e - s p a c ee f f e c t ． T e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o n so ff r e e z i n gp r e s s u r ea r es t a t i s t i c a l l ya n a l y z e d b a s e do nal a r g en u m b e ro fm e a s u r e dd a t ao fb o t hc l a ya n dc a l c a r e o u sc l a y ．G r e y r e l a t i o n a la n a l y s i sW a su s e dt of i n dt h ei m p o r t a n ti n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h ef r e e z i n g p r e s s u r e ，a n db a s e do nw h i c ht h ee m p i r i c a lf o r m u l aw a ss u p p o s e d ．T h es t u d ys h o w s t h e s u r r o u n d i n g r o c k s t r e n g t h a tt h em e a s u r e dl e v e la n dt h ec i r c u m f e r e n t i a l n o n u n i f o r m i t yo ft h ef r o z e nw a l lc a u s et h es p a t i a lv a r i a t i o n so ff r e e z i n gp r e s s u r e ．T h e s o i ld e p t h ，s o i lw a t e rc o n t e n t ，t h et h i c k n e s sa n dt e m p e r a t u r eo ft h ef r o z e nw a l la n dt h e t i m ep e r i o da r ea l lt h ei m p o r t a n ti n f l u e n c i n gf a c t o r sf o rb o t hc l a ya n dc a l c a r e o u sc l a y , b u tt h es o i lw a t e rc o n t e n ti sm o r ei m p o r t a n tt oc a l c a r e o u sc l a yt h a nc l a y ．C o m p a r i s o n o ft h ec u r v e so ft h ef r e e z i n gp r e s s u r ei n d i c a t e st h en u m e r i c a la n a l y s i si st h em o s t e f f e c t i v ew a yt oo b t a i nr e a s o n a b l er e s u l t so ft h ef r e e z i n gp r e s s u r e ． F i g u r e [ 7 6 ] t a b l e 【2 6 】r e f e r e n c e 【17 4 ] K e y W o r d s d e e pf r o z e ns h m ，c r e e p ，f r o s th e a v e ，m o d i f i e dN i s h i h a r am o d e l ，f r e e z i n g p r e s s u r e ，g r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s ．．I V ．． 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．1 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 人工冻结法的原理和应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．2 人工冻结法在深厚冲积层中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．1 ．3 人工冻结法应用中产生的问题及原因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．1 ．4 深井井壁冻结压力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．2 ．1 冻土蠕变⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．2 ．2 水分迁移和冻胀研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．2 ．3 冻结壁设计及冻结压力研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 1 ．3 需进一步解决的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 3 1 ．4 主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 深埋冻土物理力学性能试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．1 常规土工试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．1 ．1 试验内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．1 ．2 试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．2 冻土热物理参数试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．2 ．1 导热系数试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．2 ．2 比热试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．3 冻土物理性能试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．1 冻结温度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 0 2 ．3 ．2 冻土的冻胀率、冻胀力试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 2 ．4 冻土力学性能试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．4 ．1 冻土三轴剪切强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．4 ．2 三轴蠕变试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 2 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 万方数据 安徽理工大学博士学位论文 3 冻土流变模型及其在A B A Q U S 中的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．1 冻土流变模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．1 ．1 一维冻土流变模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．1 ．2 三维冻土流变模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．2 流变模型参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．2 ．1 数据拟合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．2 ．2 参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 3 ．3A B A Q U S 有限元软件及其U M A T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．1 ．1A B A Q U S 软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．1 ．2A B A Q U S 用户材料子程序 U M A T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 8 3 ．4 程序结构及编程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 3 ．4 ．1 子程序结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 3 ．4 ．2 子程序编程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 3 ．5 子程序U M A T 的验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 3 ．5 ．1 三轴蠕变试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 3 ．5 ．2 参数敏感性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 3 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 4 冻结法凿井井壁冻结压力有限元模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 4 ．1 井筒基本情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．2 冻结温度场模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．2 ．1 模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．2 ．2 计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．3 井筒开挖模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．3 ．1 冻结壁初始应力场⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 4 ．3 ．2 井筒开挖过程模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 4 ．4 井壁砌筑模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 4 ．4 ．1 基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 4 ．4 ．2 材料及其参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 4 ．4 ．3 冻结压力模拟及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 ．．v I ．． 万方数据 目录 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 冻结法凿井井壁冻结压力解析解求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．1 冻胀机制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．1 ．1 冰透镜体的形成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．1 ．2 水分迁移⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．2 冻结压力求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 5 ．2 ．1 计算假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 5 5 ．2 ．2 冻结壁应力场和位移场计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．2 ．3 冻结压力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 5 ．3 工程实例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 5 ．3 ．1 冻结压力分布规律探讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 5 ．3 ．2 冻结壁应力场和位移场的时空分布规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 5 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 6 冻结法凿井井壁冻结压力实测研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 6 ．1 监测水平和元件布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 6 ．1 ．1 监测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。81 6 ．1 ．2 元件布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8l 6 ．1 ．3 监测水平⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 6 ．2 冻结压力实测结果及其分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 6 ．2 ．1 冻结压力现场实测曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 6 ．2 ．2 冻结压力不均匀性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 7 6 ．2 ．3 冻结压力影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9 0 6 ．3 冻结压力影响因素的灰色关联分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 4 6 ．3 ．1 关联系数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 4 6 ．3 ．2 优势因素分析⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 4 6 ．4 冻结压力数学计算模型研究⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 5 6 ．4 ．1 无量纲化法原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 5 6 ．4 ．2 数学计算模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9 6 6 ．4 ．3 冻结压力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 7 ．ⅥI ． 万方数据 安徽理工大学博士学位论文 6 ．5 计算结果比较分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 0 0 6 ．6d 、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 1 7 结论及创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3 7 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3 7 ．2 主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 4 7 ．3 进一步工作设想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．j ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 0 6 附录A 灰关联系数表 粘土 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 4 附录B 灰关联系数表 钙质粘土 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 5 j g C 谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 作者简介及读博期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 4 ．ⅥⅡ- 万方数据 C o n t e n t s A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1S i g n i f i c e n c eo f r e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1n 圮p r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no f a r t i f i c i a lf r e e z i n gm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．2m a p p l i c a t i o no f t h ea r t i f i c i a lf r e e z i n gm e t h o di nd e 印a l l u v i u m ⋯⋯⋯3 1 ．1 ．3n 坨p r o b l e m si na r t i f i c i a lf r e e z i n gm e t h o da p p l i c a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 1 ．1 ．4F r e e z i n gp r e s s u r eo f d e e ps l l a R ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．2C u r r e n tr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．2 ．1C r e e po f f r o z e ns o i l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．2 ．2M o i s t u r em i g r a t i o na n df r o s th e a v e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．2 ．3n 圮r e s e a r c hs t a t eo ff r o z e nw a l ld e s i g na n df r e e z i n gp r e s s u r e ⋯⋯⋯⋯。1 2 1 ．3P r o b l e m st ob es o l v e d ．．⋯．．⋯．．⋯．．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．．⋯．⋯．⋯．．1 3 1 ．4R e s e a r c hc o n t e n t sa n do b j e c t i v e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2E x p e r i m e n t a ls t u d yo f p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f d e e pf r o z e ns o i l ．⋯．⋯．．1 6 2 ．1n 圮r o u t i n es o i lt e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．1 ．1C o n t e n ta n dm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．1 ．2R e s u l t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2T h e r m a lp h y s i c a lt e s to f f r o z e ns o i l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．2 ．1C o e f f i c i e n to f t h e r m a lc o n d u c t i v i t yt e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．2 ．2S p e c i f i ch e a tt e s t ⋯