深厚表土中冻结壁与井壁相互作用的数值分析

冻结壁对井壁的作用力构成了深厚表土中冻结井外层井壁的外载;其增长规律与冻结壁与井壁之间的聚苯乙烯泡沫板压缩性能密切相关。为研究深厚表土中冻结井外壁外载的取值方法,以华东某冻结凿井工程为背景,基于冻土的弹塑性及蠕变本构方程,开展了冻结凿井过程中冻结壁与井壁相互作用的数值分析。结果表明：冻结壁对井壁的流变作用力极为显著;泡沫板的存在及其压缩性,可显著降低冻结壁作用力,尤其是弹塑性及流变作用力P_epc的数值,并影响其增长速度及增长规律;随着泡沫板压缩性降低直至泡沫板取消,冻结壁作用力由低速、近似线性增长,变为高速、非线性增长,从而易对井壁的早期安全构成威胁。因此,冻结凿井工程设计与施工中,应针对冻结壁的流变变形特性,审慎地研究确定泡沫板的材质及厚度。     

深部井壁冻结条件下的受力分析

由于煤矿深井井壁的质量直接影响了整个矿井安全,因此,有必要对井筒的内外受力进行监测。采用现场温度监测和进行受力分析来考察井壁的安全性;通过计算和测试,发现井壁受到冻结压力后在井壁浇筑一开始的时候增长较快,大致上表现出直线型增压型,然后开始曲线的增压段。冻结压力的数值受井壁土层层厚的影响比较大,而且表现出了不规则性。     

外层井壁、冻结壁、泡沫板共同作用机理研究

基于粘弹性理论,建立一个适用于深厚冲积层的考虑冻结壁、外层井壁、泡沫板共同作用的粘弹性计算模型,模型中同时考虑了冻结壁的蠕变变形。导出了冻结壁黏弹性流变方程;并基于冻结壁、泡沫板和外层井壁之间的作用机理以及泡沫板压缩特性,推导出考虑泡沫板影响的辅助方程并应用于冻结壁黏弹性流变方程,从而得到冻结压力与井帮位移的关系式。     

某矿冻结外层井壁受力监测与分析

为检查某矿井冻结井筒外壁的安全性,对该矿井井筒外壁两个水平的冻结压力、钢筋应力以及混凝土应变进行了受力变形监测。通过对实测数据的理论分析,得出外层井壁应力应变均满足设计要求,井筒外壁安全可靠。     

开挖前多圈管冻结时冻结管受力变形的模拟试验研究

在多圈管冻结条件下冻结管受力变形规律的课题研究过程中,首先针对未开挖时冻结管的各向应力应变变化规律,以相似理论为基础开展物理模拟试验,得出结论：未开挖阶段的冻结管变形在冻结前期基本完成;黏土层中冻结管应变量比砂土层大;黏土层中冻结管最大拉应力为97.7 MPa,最大压应力为161.5 MPa,弯曲应力为轴向应力的1.7倍,最大弯曲应力达到冻结管屈服荷载的0.62倍,而砂土层中均很小。为改善冻结管的受力性能,减少开挖前冻结管储存的应变能,降低后期开挖时候冻结管的破坏率提供了实验依据。     

冻结施工立井井壁受力分析

本文阐述了冻结施工立井井壁在井筒施工期间、冻结壁解冻后和矿井投产后的受力情况。分析了冻结施工立井井壁在矿井投产后受到破坏的主要原因。提出了防止立井井壁破坏的途径。     

深厚冲积层冻结法凿井冻结压力监测

以国投新集口孜东煤矿风井施工为背景,通过振弦式传感器对井壁冻结压力以及井筒性能进行监测,得到深厚冲积层冻结压力的发展规律。监测结果表明,井壁受力状态良好,保证了井壁施工的安全、高效。     

新型单层冻结井壁水平极限承载特性试验研究

针对采用双层复合井壁的井筒掘进断面有效利用率大幅降低的情况,提出一种新型单层冻结井壁结构,为获得该种井壁结构的水平承载特性,采用相似模拟试验方法,研究3个井壁的水平极限承载特性和变形破坏特征,研究结果表明,井壁竖向、环向应变值、竖向位移与竖压一致性较好,不会出现机械滞后的问题;井壁所受竖压可视为均匀竖压;泊松比与混凝土强度无关,弹性模量与混凝土强度相关;竖向极大正位移与加载围压之前的最大竖向荷载呈正比关系;竖向极大位移与水平极值位移/水平极限荷载基本呈正比关系;在忽略竖压影响的情况下,径向位移与水平应力基本上呈正比关系;井壁破坏时内侧压应变远大于井壁外侧,内侧总压应变一般为-2000～-2500με,有时达到并超过-3000με;新型单层井壁极限承载力高于普通混凝土井壁。研究结果对完善新型单层井壁设计理论以及指导新型单层井壁快速、科学施工等均具有重要意义。     

人工地层冻结温度场试验台设计和研究

根据工程原型和冻结温度场相似准则 ,初步设计了冻结温度场物理模型试验台 ;并利用该试验台对双排管冻结温度场的温度分布规律进行了相似模拟研究 ,具有一定的参考价值     

深厚冲积层冻结压力工程实测及分析研究

冻结压力是造成井壁安全问题的重要因素。针对黄淮地区深厚冲积层冻结法凿井的技术难题,通过对黄淮地区多个井壁受力状况的实时监测,得出的数据表明:各井筒冻结压力的增长在时序上具有相似性,基本可划分为三个阶段;呈现不均匀性且与高度不一定成正比这与土层所含有的矿物成分有一定的关系。并通过计算机软件得出含有不同矿物成分的黏土层的冻结压力随高度和时间变化的回归公式。     

基于与围岩相互作用的冻结壁弹性设计理论

冻结壁设计理论是冻结法凿井技术的核心之一。传统的冻结壁厚度弹性设计公式在冻结壁与围岩的弹性模量之比小于 10 时有较大的误差。为了更合理地设计冻结壁,考虑了开挖卸载作用以及冻结壁与围岩的相互作用,建立了一个更符合实际的力学模型;推导出了其弹性解析解;分析了冻结壁与围岩的应力和位移变化规律;讨论了冻结壁厚度的设计方法;基于 Tresca 强度条件和 Mises 强度条件,分别建立了新的冻结壁厚度弹性设计公式。分析比较表明,新公式较传统的冻结壁厚度弹性设计公式更合理,更节省。     

摩尔-库仑强度准则计算冻结壁应力场和位移场

将冻结壁视为无限长轴对称厚壁圆筒,利用摩尔-库仑强度准则对冻结壁进行弹塑性分析,得到了平面应变状态下应力场和位移场分布特征,对充分发挥冻结壁承载力和深井冻结壁设计具有一定的参考意义。     

楼梯井改造成电梯井的结构做法及工程实例

介绍建筑物改造中将楼梯井改造成电梯井的两种方法。若原结构是钢筋混凝土框架(框剪)结构,电梯井一般采用钢筋混凝土框架结构,为增大电梯井的有效面积,框架结构柱可采用异型柱。若原结构是砌体结构,电梯井宜采用钢框架结构,梁柱采用H型钢,利用钢框架层间作固定电梯导轨支架的钢梁及电梯门洞顶的钢梁加强钢框架的整体刚度;原建筑层高较高或总高较高时,钢框架应设支撑。介绍了既有结构与电梯井结构的连接设计。同时介绍一种柱托换方法———复式托架拆柱方法。     

斜井液氮补强冻结温度场分布特征

 针对地下有流水时盐水帷幕冻结方法无法形成封闭冻结壁的情况,采用液氮低温快速冻结的方式对未封闭区域进行补强冻结,对施工过程中土体的温度场分布进行监测和分析,得出以下基本结论：冻结管出口氮气温度低于－100 ℃时,冻结管内处于氮气和液氮的混合状态,可以有效发挥液氮快速冻结的优势,而供液管上开孔的结构,会影响冻结管内不同位置液氮量的分布,从而影响冻结效果。由于地下水流动会带走部分冷量,冻结区域封闭前后,土体降温速度差别较大,并且地下水的流动会影响冻结壁温度场的分布规律。由于液氮气化温度低,所以冻结形成的冻结壁温度梯度大,均匀性较差;停止冻结后,冻结孔位置土体温度升高迅速,而远离冻结孔的土体升温缓慢,这样缩小了冻结壁内的温度梯度。研究结果表明,利用液氮快速冻结的特点,进行盐水帷幕冻结下的补强冻结,可以有效封堵地下流水,解决盐水冻结不能形成封闭冻结帷幕的难题。     

深基坑中冻土墙与内衬相互作用的数值模拟研究

针对应用冻结工法维护大型深基坑工程中冻土墙与内衬相互作用规律的研究难题，利用有限元数值模拟技术。分别建立弹塑性和蠕变模型来模拟基坑开挖卸载瞬时以及段高暴露后的冻土墙和内衬结构相互作用的规律。不考虑冻土蠕变特性的弹塑性模型的计算表明，开挖卸载后应力释放是冻土墙瞬时变形的主要因素。此时冻土墙位移分布同开挖段高关系不是十分明显。二者相互作用主要表现为内衬结构对冻土墙变形的约束作用；而开挖段高暴露后冻土蠕变是产生冻土墙后续变形的重要原因，此时冻土墙的位移和受力同开挖段高、暴露时间等施工工艺密切相关。在实际工程中，必须考虑冻土蠕变特性，优化施工工艺，实行小段高快速掘进，以控制蠕变位移的增长，减小冻土墙和内衬结构的受力。     

表土沉降阶段煤矿立井井壁破裂应力分析

煤矿立井井壁的破裂一直是一个未能很好解决的重大课题，主要原因是井壁设计时未充分考虑温度应力的影响，致使井壁的强度不能满足正常使用的要求。为此，分析了立井井壁温度应力的形成及其对井壁破裂的重要作用。从物理学中的热胀性原理及热传递理论入手，全面考虑了固体力学中的热弹性理论、材料力学中的静不定问题的求解方法以及土与弹性固体之间的相互作用原理，着重研究了作用于井筒外壁上的摩擦力分布规律，推出了求解温度应力的解析公式，并通过具体算例分析了立井井壁危险层面处的各应力成分。分析结果表明，危险层面上的竖向温度应力高达80％，环向温度应力高达70％，因而得出了“温度应力才是导致立井井壁破裂的最主要因素”的重要结论。所得结果不仅可用于煤矿立井井壁的设计，而且还可用于立井井壁破裂原因的分析及相应事故的鉴定。     

基于与围岩相互作用的冻结壁弹塑性设计理论

冻结壁设计理论是冻结法凿井技术的核心之一。传统的冻结壁厚度弹塑性设计公式在冻结壁与围岩的弹性模量之比小于10时有较大的误差。为了更合理地设计冻结壁,建立了考虑开挖卸载作用的冻结壁与围岩相互作用弹塑性力学模型,推导了应力与位移解析解,建立了新的弹塑性冻结壁厚度计算公式,分析了各因素对冻结壁厚度的影响规律。分析表明,新公式较传统的多姆克公式更合理,并建议选用Coulomb-Mohr屈服准则进行冻结壁厚度计算。     

深部土层失水变形时土与井壁相互作用试验与理论研究

介绍了用高压直剪仪和三轴伺服仪测定大埋深土与井壁相互作用试验方法 ,得到了土与井壁相互作用剪应力 -位移曲线、单位刚度系数和强度等参数。结合试验结果 ,分析了深部土层失水变形时 ,土与井壁接触带相互作用深部为塑性浅部为弹性的变形特点。建立了土与井壁相互作用理想弹塑性分析模型 ,得到了计算井壁附加竖直位移、应变和附加应力的解析公式 ,并讨论了其随深度和深部土层压缩量等因素变化的规律。最后给出计算实例 ,说明了理论研究的实用性     

煤矿立井冻结壁温度场演化规律数值模拟分析

为了研究煤矿立井冻结壁温度场发展规律,采用COMSOL Multiphysics 多物理场耦合程序,建立了立井冻结壁有限元分析模型,该模型考虑了冻结过程中相变潜热因素影响,模型与工程实际更为吻合。为验证模型的准确性,以某矿风井为研究对象,进行了170 d的冻结过程模拟,并与实测数据进行了对比分析,模拟结果与实测吻合度较好。依据模拟结果,可得出:①冻结过程中,测温孔温度呈负指数型下降,最终趋于恒定值;②冻结壁厚度初期增长幅度较大,而进入156 d增长趋势趋缓,最终趋于稳定,厚度达到8.2 m;③主面温度曲线以冻结管位置为中心呈V型发展,界面温度曲线则近似呈弧形发展。本模拟方法为冻结壁温度场研究提供了一种新的分析手段,相应研究成果对冻结法凿井准确把握井壁温度场演化具有较好参考价值。