冻结管断裂因素分析及防破裂措施

本文结合立井冻结法施工中的冻结管断裂问题 ,依据固体力学的基本理论 ,建立了冻结管的力学模型 ,进行了较为准确的受力分析 ,找出了冻结管发生断裂的主要原因 ,对工程设计及施工现场具有较大的指导意义。     

冻结管破坏应力分析

冻结法施工中 ,冻结管受到冲击压力、冻结压力、温度应力 ,弯曲应力及摩擦力的作用 ,根据爆轰产生的应力 ,圆筒温度场和静力学平衡方程进行冻结管受力计算 ,分析了冻结管最可能发生破裂的理论位置     

粘弹塑性冻结壁计算理论研究

通过简单应力状态下冻土蠕变试验的研究,得出两淮地区冻土蠕变可以采用维亚洛夫经验本构模型来描述;由应力强度和应变强度等弹塑性力学概念,建立复杂应力状态下冻土的粘弹性蠕变本构方程,并且采用粘弹塑性理论推导了粘弹区和塑粘区冻结壁的扩展规律,论文公式能对冻结壁应力场和位移场进行粘弹塑性分析,为冻结法凿井工程设计提供参考。     

卸载状态下深埋黏土层冻结壁与周围土体共同作用理论研究

根据Mises屈服准则、冻土的流变理论及偏张量虎克定律,推导出了卸载状态下考虑冻结壁-周围土体共同作用的非线性黏弹塑性冻结壁的应力场和位移场的解析表达式,并得到了冻结壁外载和接触应力的计算公式以及确定黏塑性区大小的方程。结合工程实例,分析了冻结壁外荷载、接触应力、黏塑区、径向位移的发展规律,得到：① 冻结壁承受的土体压力小于土体的原始水平应力;② 地压较大时冻结壁开始产生黏塑区和黏塑区扩展到外部边界的时间极短;③ 黏塑区范围越大,径向位移随时间的变化越剧烈,黏塑性变形是导致冻结管断裂的主要原因。该模型能更好地反映冻结壁力学性质的本质。     

冻结器内纵向测温判定冻结壁出水位置技术

为了准确判断伊犁一矿副井冻结工程冻结壁出水位置,对主冻结孔的冻结器内纵向进行测温,根据冻结孔停冻后单根冻土柱导热规律,建立了瞬时停冻后冻土圆柱内冻结温度场分布的数学计算模型;通过冻结器内纵向测温数据,获得了新疆伊犁一矿副井主冻结孔各冻结器内纵向温度分布规律,借助Maple数学计算软件对伊犁一矿副井主冻结孔各冻结器内纵向温度数据进行了分析,从而准确判定了冻结壁出水位置,为冻结壁出水事故处理提供了科学依据。     

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。     

冻土爆破冻结管受力计算

冻土爆破中冻结管受到冲击压力，冻结压力和温度应力的作用，根据爆轰波产生的总应力和圆筒温度理论进行冻结管受务计算，建立了冻结管的强度并列举符合。     

基于纳米SiO2改良的橡胶冻黏土性能试验研究

为研究橡胶改良冻土的力学性能,提高废弃橡胶利用率,通过掺入1%和3%的SiO_2对橡胶改良冻土性能进行再改良。采用WDT-100D型冻土压力试验机,针对不同纳米SiO_2和不同橡胶掺量的冻土进行轴向抗压强度试验,得到了不同冻结温度水平下改良冻土的破坏形态、力学参数及应力应变关系曲线,确定了纳米SiO_2和橡胶掺量对冻结黏土力学性能和破坏特征的影响规律。结果表明:掺入10%的橡胶对冻结黏土的抗压强度、弹性模量提升效果较好,橡胶掺量过多时提升效果较差;在橡胶改良土体中掺入纳米SiO_2可以进一步提升改良冻土的韧性、轴向抗压强度,进一步减小土体的受压破坏程度,提升橡胶利用率。     

考虑井帮收敛的深井冻结壁塑性设计研究

合理的冻结壁设计是冻结法成功的前提。为了研究井帮位移收敛量对冻结壁厚度设计的影响，采用柱形孔收缩理论，推导出塑性冻结壁和弹塑性未冻地层力学模型的应力、位移完全形式解，建立冻结壁厚度塑性计算公式；采用两种计算公式和数值模拟方法研究工程案例，并验证新公式的正确性；分析了水平地压、冻土的黏聚力与内摩擦角、未冻土的弹性模量与泊松比、未冻土的黏聚力与内摩擦角等参数对井帮变形和冻结壁厚度的影响规律。结果表明：对于完全塑性冻结壁、弹性地层力学模型，考虑井帮位移收敛影响与否，800 m深处冻结壁厚度相差约8.6%,井帮变形量约0.17;在预测千米表土立井井帮变形方面，新计算式具有一定的理论意义与实用价值。     

深厚表土层非均质冻结壁黏弹性分析

建立了符合深厚表土层多圈管冻结凿井的非均质冻结壁力学模型。基于黏弹性理论和Newton-Cotes数值积分法,推导了非均质冻结壁应力场和位移半解析表达式,并对非均质和均质冻结壁进行验算。结果表明,非均质和均质冻结壁径向应力分布规律基本一致,径向应力绝对值由内到外非线性增加;均质冻结壁环向应力绝对值由内到外非线性减小,非均质冻结壁环向应力在内外圈冻结管圈径处会形成明显突变点;非均质和均质冻结壁径向位移由内到外均非线性衰减;井帮径向蠕变位移速率随时间增加呈先快后慢趋势,并逐渐趋于稳定;同一时刻相同位置处,非均质冻结壁径向蠕变位移比均质冻结壁大。     

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。     

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。     

冻结管断裂处理及冻结测温研究

介绍了绑双楼西风井冻结管断裂原因和处理方法，分析了套管处理后冻结壁温度场发展规律，实践证明，以此推断得新开挖条件和时间是可行的。     

基于BOTDA的冻结管力学性能试验

通过采用BOTDA分布式光纤测试技术与点式测试技术联合实验测试,进行了不同荷载级别下的冻结管的力学性能试验。分析了在各级别荷载下冻结管的变形特性,得出了在荷载作用下冻结管中部是应变和挠度最大的位置,随着荷载的增加呈现出线性变化;沿管长方向应变大致是两侧对称分布,挠度则呈现出抛物线的变化趋势,结果表明BOTDA分布式光纤测试技术较点式测试技术具有优越性,可以实现连续测量,其测试结果更具有代表性,是冻结管力学性能测试的一种新的试验方法。     

液氮冻结管内沸腾段分布特征的试验研究

为获得液氮冻结管内沸腾段的分布特征,采用在供液管上开孔的冻结管结构,进行了现场冻结试验,通过布置在冻结管内的测温管,测试了液氮冻结过程中冻结管内的温度,获得了冻结管内沸腾段的分布特征,得出以下基本结论：采用供液管上开孔的冻结管结构,冻结管内出现液氮沸腾状态时,冻结管出口氮气温度较传统液氮冻结的出口温度低。随着液氮灌注量的增加,在供液管开孔段上部位置首先出现液氮沸腾段,并逐渐向下延伸,直至下部冻结管全部进入沸腾段,而上部未开孔的范围内较难获得液氮沸腾状态。由于不同位置液氮气化量的差异,造成液氮沸腾段内形成的冻结壁均匀性较差。研究结果表明,调节供液管上的开孔范围和液氮供应量,可以有效控制冻结管内沸腾段分布范围,提高液氮利用效率,发挥液氮快速冻结的优势。     

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。     

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。     

管内盐水流动状态对单管冻结温度场影响规律分析

为获得冻结工程中冻结管内盐水流动状态对温度场的影响规律,分析了冻结管内盐水流动特点与流动状态;基于相似理论,导出了考虑管内盐水流动时单管冻结温度场无量纲数学模型及相应的准则表达式,将众多影响因素简化为5个无量纲准则,大大降低了研究的难度;利用综合数值计算与模拟试验,研究并获得了无量纲盐水温度Ty、雷诺准则Re、傅里叶准则Fo、普朗特准则Pr和格拉晓夫准则Gr对温度场的影响规律,分析获得了冻结壁形成厚度b和冻结管热流密度q与以上5个准则的对应关系;得出管内盐水的流动状态变化对冻结壁的厚度b及热流密度q的影响范围可达30%以上。根据不同冻结阶段温度场的发展特点,提出冻结工程中雷诺准则数Re的推荐值。     

东荣三矿风井透水涌砂分析与处理

双鸭山矿业集团公司东荣三矿东风井于1994年1月8日掘进深219m时,冻结管断裂,漏失盐水融化冻结壁,造成透水、涌砂淹井。该矿把测温孔改为冻结孔进行强化冻结,经过90d的强化冻结,透水"窗口"闭合,达到了设计强度,将事故损失降到最低点。     

深厚土层冻结过程的水热力耦合分析

煤炭开发已成深部开采,围压和孔隙水压力的急剧增大使得浅层冻土的研究成果不适用于深层冻土。针对高围压和高孔隙水压力对冻土冻结过程的影响这一关键问题,基于传热学、渗流理论及结构力学相关理论,建立温度场、水分场和应力场耦合问题的数学模型,对深厚土层冻结过程中温度变化、水分迁移速度、冻结应力及冻胀变形进行分析。分析表明高围压对冻胀有抑制作用,但在冻土内部可产生很大的应力积累,对深厚冲积层冻结施工危害极大。