表土段冻结壁解冻过程中斜井井壁受力规律研究

摘要

冻结法凿井工程中，斜井井壁在冻结壁解冻过程中的受力情况，历来是斜井建设工程的一个研究盲点。而伴随着冻结壁解冻，斜井井壁受温度场、水分场、力场等多场作用，受力工况复杂。开展此阶段研究工作，对斜井井壁设计、施工大有裨益。基于此，本文采用数值模拟与模型试验相结合的方法，对表土段冻结壁解冻过程中斜井井壁的受力规律进行了研究。
　　在数值模拟计算中，首先结合试验装置建立了平面有限元模型，对液压囊加载系统的可靠性进行了验证计算。并在此基础上，对可能影响加载系统的相关参数进行了单因素分析。最后，利用顺序耦合的方法，对温度场、应力场进行耦合作用分析，得到了斜井井壁在冻结壁解冻过程中的受力规律。研究表明，采用液压囊、水压共同加载以达到封闭空间内三轴加载效果的试验方案是可行的。加载过程中，加压钢板厚度与土体水平侧压力系数取值对加载效果的影响比较大。冻结壁在解冻过程中，井壁内、外缘关键点的受力基本上都呈现逐渐增大的趋势。其中，井壁顶拱内缘中心受到的拉应力最大，仰拱内缘中心发生的径向位移最大，此两点受力在井壁各关键点中处于最不利状态。在井壁结构设计、施工过程中，应予以着重考虑。
　　在模型试验中，首先通过数值计算，确定了钢质模型井壁的尺寸。并利用该模型井壁进行了静水压加载试验、纯地压加载试验、地压与孔隙水压联合作用试验以及冻结壁解冻过程中的井壁受力模拟试验。研究发现，静水压力试验中，模型井壁两端有无圆形钢头对试验中井壁的受力影响微乎其微，实测出的井壁环向应变与数值模拟计算的结果基本上完全吻合。纯地压加载试验中，仰拱内缘中心的环向应变与顶拱内缘中心的环向应变均随着Y方向荷载pY的增加而线性增大；pY大小一定时，X方向荷载p X越大，仰拱内缘中心和顶拱内缘中心的环向应变越小。地压与孔隙水压联合作用试验中，仰拱内缘中心的环向应变随着孔隙水压的增加而增大，顶拱内缘中心的环向应变随着孔隙水压的增加而减小。冻结壁解冻阶段加载试验中，模型井壁中的温度应力抑制了顶拱内缘中心与仰拱内缘中心在冻结壁解冻过程中受到的孔隙水压拉应力作用，顶拱与仰拱中心环向应变随着冻结壁温度的上升而逐渐减小，这与数值模拟计算得到的结果不相一致。
　　最后，给出了通过开展数值模拟与模型试验研究得到的主要结论，并针对研究过程中出现的不足提出了改善性建议。
　　该论文有图95幅，表13个，参考文献56篇。

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变量注释表

1绪论

1.1问题的提出(Problem Statement)

1.2研究现状(Research Status)

1.3研究目的与意义(Research Purpose and Significance)

1.4研究内容(Research Content)

1.5研究方法(Research Methods)

1.6技术路线(Technical Routes)

2数值模拟研究

2.1概述(Introduction)

2.2数值计算软件(Numerical Calculation Software)

2.3试验装置可靠性模拟研究(Research on Numerical Simulation of Test Device Reliability)

2.4温度场数值模拟研究(Numerical Simulation of Temperature Field)

2.5冻结壁解冻过程中斜井井壁受力规律研究(Research on the Stress Law of Inclined Shaft Lining during Frozen Wall Thawing Process)

2.6本章小结(Chapter Summary)

3模型试验研究

3.1概述(Introduction)

3.2试验系统简介(Testing System Introduction)

3.3相似准则推导与模化设计(Similarity Criterion and Modeling Design)

3.4模型井壁尺寸的确定(Determination of Shaft Lining Numerical Model Size)

3.5模型试验测试方案(Scheme of Model Experiment)

3.6试验过程(Experiment Process)

3.7本章小结(Chapter Summary)

4结论与展望

4.1结论(Conclusions)

4.2展望(Prospect)

参考文献

作者简历

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