多排管直线冻土墙平均温度的等效梯形计算方法

为了确定多排管冻土帷幕的平均温度，进而确定冻土的力学参数和冻土帷幕的承载能力，为冻土帷幕的安全状态作出评价，介绍了基于巴霍尔金解析解的双排管冻土帷幕平均温度模型，并对该方法进行了适当的简化.以此为基础，采用拼接计算的方法, 推导得出在多排管冻结下计算直线形冻土帷幕平均温度的一种等效梯形方法.     

直线排管冻结冻土帷幕平均温度通用公式

考虑到“成冰”公式过于保守以及平均温度理论解的计算公式较为复杂的特点,根据排管布置下冻土帷幕温度场平均温度等效截面法解的形式,利用数值拟合的方法得到了适用于单排、双排以及3排布管形式下冻土帷幕平均温度通用经验公式。在实际工程中常见的冻结管平面布置参数变化范围内,对该通用公式计算结果相对于依据解析解数值积分计算结果的误差进行的全面的分析。结果表明,该通用公式计算结果与精确解的绝对误差能够控制在±1 ℃以内,相比于“成冰”公式得到了明显的改善。同时,简便统一的计算形式更便于工程实际应用。     

3排管冻结梯形-抛物弓叠合等效温度场模型和平均温度

由于3排管冻结温度场的复杂性，不便于对冻土帷幕温度场进行简便描述。故以现有的3排管冻结温度场的势函数叠加法解析解为理论基础，根据温度场的周期性，选择主面与界面之间的合适位置作为等效截面，以等效截面的温度场等效整体温度场。以平均温度为检验标准，简化等效截面的温度场曲线，得出方便应用的梯形抛物弓叠合等效温度场模型。基于等效温度场模型确定平均温度计算方法，得出免于积分运算的平均温度简便计算公式。该公式计算精度满足工程要求，表明等效温度场及其平均温度计算方法具有良好的实用性。     

直线形单排管冻土帷幕平均温度计算

在人工地层冻结工程中,平均温度是评价冻土帷幕状态,进行冻土帷幕力学性能分析的基本参数,本文研究单排管冻结形成的冻土帷幕的平均温度计算。基于单排管冻结稳态温度场解析解,直接对温度场表达式进行积分运算,运用分部积分法和积分中值定理,得到了单排管冻结平均温度计算公式,根据工程中的实际参数取值进行了公式的简化。考虑到温度场解析解在冻结管区域的不适用,采用相同的积分策略求解冻结管区域对平均温度计算的影响,进行了平均温度计算公式的修正。使用A NSYS进行了单排管冻结的热学稳态数值模拟与平均温度计算公式的结果进行比对,考察管间距l=0. 4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 m,相对厚度ξ/l=0. 5,0.6,0. 7,0. 8,1.0,1.5共6种冻结发展状态,根据试验报告进行土质参数取值,冻结参数为工程中常用取值。对比计算结果显示,公式计算与数值计算的结果较为吻合。当相对厚度大于0.5时,随着冻土厚度的发展(相对厚度的增大),理论计算结果与数值计算结果的差值迅速减小到0.5以内,当相对厚度大于0.6时,差值小于0.2℃当相对厚度为1及以上时,差值小于0.1℃。通过数值模拟验证了平均温度计算公式的准确性,也说明公式简化和修正的合理性,公式计算的误差满足工程应用的要求。     

单排管冻结巴霍尔金温度场控制参数敏感度分析

施工中常采用巴霍尔金公式根据现场实测的测温点温度数据,结合冻结孔布置方案来反算冻土帷幕厚度。为了使反算结果更加准确,针对巴霍尔金公式中的测温点位置、测温点温度及冻结管外表面温度3个参数对冻土帷幕厚度反算值影响的敏感度进行分析。结果表明：3个参数对冻土帷幕厚度的测算均有较大影响;测温点位置布置在冻土帷幕边界附近时能得到比较准确的计算结果;测温点温度的测量误差越大计算结果的误差也越大;冻结管外表面温度产生较大波动也会导致计算结果产生较大波动。     

深井双排冻结孔布置圈径优化分析

以某矿主井井筒冻结工程为例,介绍了采用ANSYS有限元数值模拟方法,系统分析双排冻结孔布置圈径对粘土层冻结壁厚度和平均温度的影响情况,对类似冻结工程有一定的参考价值。     

斜井冻结壁温度场分布规律研究

基于含水流砂地层竖向直排冻结条件下冻结壁的形成和发展过程,将温度场时空分布情况进行了合理简化,根据单孔稳态导热方程和叠加原理,推导了竖向直排三管冻结壁温度分布计算公式,并推广到直排和多排冻结壁温度场分布计算,可计算不同冻结锋面位置时冻结壁内任意区域的温度值和整个冻结壁的平均温度,进而分析冻结壁的温度和强度变化情况。计算结果表明:主面温度值与冻结管中心的距离呈近似线性关系,而轴面温度场呈下凹形抛物线分布,顶点为轴面与主面交汇处;由计算结果可判断内部界面位置的土体强度较弱且发展较慢,应作为预防冻结壁软弱破坏的重点区域;理论计算结果与对应位置的现场实测数据吻合较好。     

冻结壁位移计算及冻结施工优化设计

针对两淮地区深冻结井中冻结壁位移过大，造成冻结管断裂的问题，建立数学模型模拟分析冻结壁壁面移分布规律，找出停止掘进时冻结壁壁面移与其影响因素－－段高h，冻结壁厚度B，工作面冻实情况，冻结壁平均温度T，冻结壁暴露时间r，地压P之间的关系，提出了实际掘进过程中冻结壁壁面位移的分段常段高叠加计算方法，在此基础上，得出了冻结壁设计取决于冻结壁面位移时的冻结施工优化设计步骤。     

基于弹性基础梁理论的冻结壁和冻结管变形与受力分析

冻结段掘砌过程中，冻结管的变形受力位移取决于冻结壁的变形，而施工段附近，冻结壁的变形受力不符合通常按平面问题处理的厚壁筒理论要求。提出了分析施工段附近冻结壁的弹性基础梁力学模型，分析推导出基于弹性基础梁的冻结壁变形位移计算表达式，并通过实例计算与实测结果分析对比，较全面地考虑了冻结壁及中部未冻土的力学性质、冻结壁的几何尺寸、掘砌施工段高、无支承段高、泡沫塑料可缩层、混凝土井壁的支承作用等因素，较好地反映了施工段附近冻结壁的受力和变形情况，并把冻结壁变形和冻结管的弯曲联系起来，为研究冻结管的变形和破坏提出新的计算方法和途径。     

环形双圈管冻结稳态温度场广义解析解

对于环形布管冻结稳态温度场的解,目前仅有单圈管冻结条件下的解析解,对于双圈管冻结尚无解答。首先建立环形双圈管冻结稳态温度场的模型。然后,应用保角变换将广义环形双圈管(冻结圈内部未冻实)模型变换为直线型排布的模型,依据调和方程边界可分离性,将直线型排布模型分解为2个特殊单排管冻结问题,从而得到广义环形双圈管的温度场解析解。最后,应用ANSYS进行了热力学数值模拟计算和物理模型实验结果以验证解析解。结果表明:在冻土帷幕充分交圈后,数值模拟结果和解析解结果基本一致,与实测温度的吻合度也很高。     

竖向直排人工冻结施工土体温度及冻胀力

针对直排竖向全长冻结管布置方式,进行了冻结壁形成过程、温度分布、冻结锋面移动规律研究,根据冻胀力计算原理,基于符合工程实际的合理简化,推导出竖向直排冻结壁情况下的温度分布和冻胀力计算公式,给出了冻结壁周边任意位置的土体冻胀力估计值。对双树子煤矿斜井冻结工程进行了理论预测,理论计算与现场实测结果吻合较好,验证了本文理论公式的科学性和可行性。     

冻结管差异温度强化冻结试验与数值分析

针对立井冻结工程中存在的局部难冻结地层,为对其强化冻结,提出了冻结管差异温度强化冻结方案。为验证差异温度的强化冻结效果,进行了单管冻结试验,同时基于有限体积法(FVM)原理,进行了强化冻结段-35℃、-40℃和-45℃三种条件下的单排管三维数值分析,并研究了冻结管上、下不同温度段的冻结温度场分布规律及冻结壁特征。结果表明:冻结管内可实现差异温度冻结,冻结管强化冻结段可显著增加冻结壁厚度、降低冻结壁平均温度并强化地层的冷能耗散,使局部地层受到强化冻结。     

人工冻土圆环及圆拱的稳定计算

对于埋深不大， 在均布径向压力作用下的圆环或圆拱冻结壁， 如果单纯由强度条件计算其厚度时， 往往是薄壁的， 因而必须对其稳定性作验算． 考虑到冻土的应变－ 应力的非线性关系， 应用稳定理论的切向模量法对该问题进行了分析， 得到满足稳定条件的冻结壁厚度计算方程．     

查干淖尔矿风井冻结温度场分析

采用ANSYS软件对查干淖尔矿风井冻结法施工的冻结温度场进行数值模拟,根据测温孔测得的温度数据,对冻土热物理参数进行了参数反演,获得了符合工程实际情况的冻土热物理参数,基于反演得到的最优参数,预测分析了井筒开挖层位的冻结壁平均温度、冻结壁平均厚度、井帮温度、冻结交圈时间等设计参数,为井筒的施工提供了科学的指导作用。     

考虑与周围土体相互作用的非均质冻结壁力学特性分析

为了合理分析复杂地层冻结壁的受力特性,考虑由冻结温度场引起的冻结壁物理力学参数的不均匀性,根据冻结温度场的分布规律,将冻结壁视为材料性质随着半径呈抛物线变化的非均质材料,通过引入应力传递系数ξn来反映开挖卸载作用,建立了冻结壁与周围土体相互作用的力学模型;根据该模型分别推导了冻结壁在弹性状态下、弹塑性状态下的应力解析解及其承受外荷载的计算公式。计算结果表明:考虑与周围土体相互作用的冻结壁比没有考虑相互作用的冻结壁承载力大;而非均质冻结壁的承载力较均质冻结壁偏小。实际上,冻结壁是一个与周围土体相互作用的非均匀体,因此,提出的考虑与周围土体相互作用的非均质冻结壁力学模型,符合实际工况,可为冻结壁设计提供借鉴。