斜井冻结法凿井过程中冻结壁与井壁的受力与变形规律研究

摘要

为了满足我国西部含水地层中斜井冻结法凿井的需要,本文通过数值模拟和现场实测相结合的方法,开展了表土段斜井冻结法凿井过程中冻结壁和井壁的受力与变形规律研究。
　　首先,分别建立冻土为弹塑性、黏弹塑性介质下竖直孔和倾斜孔冻结模型,研究井筒开挖宽度、冻结壁顶板厚度、底板厚度、侧帮厚度、井壁弹模和厚度及模型埋深对井帮变形和井壁受力变形的影响规律。平面模型中考虑了反力系数的影响,三维模型中考虑了空帮距离的影响。数值计算研究表明:井筒开挖宽度、模型埋深对井帮变形和井壁应力位移影响非常显著,各关键点的受力变形规律呈加速型增长;井壁弹模对井壁影响整体较小;井壁厚度对井壁底板G点径向位移影响最为显著,拱顶J点次之,对井壁底板与侧墙连接处C、E和H点环向应力影响最为显著,B点影响较为显著;冻结壁顶板、底板和侧帮厚度变化对井帮开挖变形影响较为显著,对井壁受力变形影响较小;空帮距离对井帮和井壁受力与变形影响非常显著,各关键点的受力与变形规律呈衰减型变化。
　　对比两种冻结方案计算结果,倾斜孔与竖直孔冻结相比,井帮底帮F点变形差值最大,拱顶A点次之,侧帮B点最小;井壁底板G点径向位移差值最大,拱顶J点次之;井壁底板G、F点环向应力差值最大,侧墙上部I、B点次之。对比不同冻土介质计算结果,黏弹塑性模型中A、B和F点井帮开挖变形要大于弹塑性模型;冻结壁尺寸一致时,弹塑性模型中的井帮变形变化量要小于黏弹塑性模型;冻结壁尺寸不同时,冻结壁厚度越大,考虑冻土蠕变时井帮的变形变化量小于不考虑冻土蠕变结果。
　　其次,开展了斜井冻结段掘砌现场实测研究,获得了竖直孔冻结现场施工条件下的井帮变形和井壁应力应变变化规律。实测研究表明:在合理的工序下,井帮收敛变形整体呈衰减型,且井壁受到的压力较小,若井帮空帮时间和空间较长,本工程中空帮大于40m后,井帮变形呈加速型增长,井壁受到的压力以及井壁的应力应变均显著增长;井壁浇筑后,水化热致使壁后冻土在一定范围内融化,冻土融化一方面导致井帮土体强度降低,增加井帮对井筒的变形作用,另一方面,导致土体结构性降低,井筒轴向受拉伸作用;截止监测结束,F点混凝土环向拉应变增加了约1200με,钢筋环向拉应力增加了约100MPa,据此可认为平直段底板设计方案欠佳。同时,开展了数值模拟和现场实测的对比研究,发现井帮变形和井壁环向应变变化规律相近,且数值相差较小。
　　综上所述,斜井冻结法凿井过程中冻结壁和井壁的受力与变形受各因素均有不同程度影响,尤其是井筒开挖宽度、模型埋深、井壁厚度及空帮距离;合理的空帮距离和时间可以有效降低井帮的变形和压力;井壁底板应采用仰拱形式。

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图清单(List of Figures)

表清单(List of Tables)

变量注释表(List of Variables)

1绪论

1.1问题的提出(Problem Statement)

1.2国内外研究现状(Overseas and Domestic Research Status)

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

1.4研究内容和技术路线(Research Methods and Technical Routes)

2数值模拟研究

2.1概述(Introduction)

2.2斜井施工过程数值模拟方法及ANSYS实现(Numerical Simula-tion Method of Inclined Shaft Construction and the Realization of ANSYS)

2.3斜井掘砌施工数值模型(Numerical Model of Inclined Shaft Construction)

2.4斜井冻结掘砌过程平面模拟(Plane Model Simulation of Inclined Shaft Freezing Digging and Supporting)

2.5斜井冻结掘砌过程三维模拟(3D Model Simulation of Inclined Shaft Freezing Digging and Supporting)

2.6本章小结(Summary)

3现场实测研究

3.1概述(Introduction)

3.2现场实测方案(Field Measurement Program)

3.3现场实施方案(Field Implementation Program)

3.4实测结果分析(Analysis on the Measurement Results)

3.5数值模拟与现场实测对比(The Comparison of Numerical Simulation and Field Measurement)

3.6本章小结(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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