深厚冲积层冻结立井外层井壁结构模糊随机可靠性研究

摘要

1998年以来，随着我国煤炭浅部资源的开发殆尽，井筒深度不断增加，我国中东部地区穿越450m深厚冲积层的冻结深立井增多，外层井壁在施工和运营过程中的安全事故时有发生，其稳定可靠性问题已成为国内建井界关注的热点之一。与浅立井相比，深冻结井筒穿过地层的水文条件与地质环境更加复杂，其冻土力学特性、冻结壁温度与厚度、冻结压力、井壁承载力等显示出强烈的不确定性。论文将深厚冲积地层与冻结井筒视为模糊随机力场，采用理论分析、实验室试验、数值模拟、现场实测相结合的方法，深入研究深冻结立井外层井壁结构的可靠性，对提高井筒设计的科学性，确保施工与运行安全，具有重要的理论意义和应用价值。
　　通过深埋人工冻土的单轴抗压和蠕变试验，揭示温度、应力等级对冻土蠕变的影响规律。基于此，利用最优解信息素模糊化系数改进传统的蚁群算法，以期提高搜索效率，避免局部最优;采用模糊蚁群算法随机反演常用蠕变模型的柔量参数;结合精度和复杂度，建立双指标综合选优目标函数，确定指标的模糊权重，最后评价出三种不同应力条件下的深埋人工冻土最优蠕变模型。
　　分析两淮矿区深厚冲积层井壁冻结压力现场监测结果，将冻结压力分布视为不均匀模糊随机力场，引入变异系数表征其不均匀性;运用模糊随机理论和实测数据，首次提出了黏土层和钙质黏土层井壁冻结压力的模糊随机表达式，并得到工程实例验证。
　　根据大量深厚冲积层钢筋混凝土井壁模型极限承载力试验结果，选择混凝土抗压强度、厚径比、配筋率和极限承载力四项参数为评价指标，采用改进后的灰色关联分析法对钢筋混凝土井壁结构进行模糊加权综合选优。基于两淮矿区高强钢筋混凝土井壁结构参数的样本数据集，分析结构材料、几何参数和计算模式的不确定分布情况，得到相应的模糊随机分布规律;利用三角型隶属函数形成模糊截集，建立高强钢筋混凝土井壁极限承载力的模糊随机模型，实例证明该模型更加真实有效。
　　结合深厚冲积层井壁冻结压力和高强钢筋混凝土井壁极限承载力模糊随机分析，得到深厚冲积层高强钢筋混凝土外层井壁的模糊随机极限状态方程，应用改进后的中心点法推导出外层井壁结构模糊随机可靠性的解析解，并提出各变量对模糊随机可靠性的灵敏度区间模型。工程算例表明:模糊随机可靠性以区间值表征井筒的可靠程度，较常规可靠性的定值表现方法更具合理性。
　　对钢筋混凝土材料的本构关系和失效准则进行模糊随机处理，给出井壁结构状态的模糊随机失效函数，设定输入输出模糊随机变量，建立钢筋混凝土外层井壁结构的模糊随机有限元分析模型。利用ANSYS中的PDS模块对实际工况进行外层井壁结构的可靠性数值计算，得到95％置信水平的模糊随机有限元可靠性，其区间值与模糊随机可靠性解析值接近。模糊随机灵敏度分析发现外层井壁结构可靠性的主要影响因素依次为:井壁冻结压力、混凝土抗压强度和厚径比。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 不确定性理论及发展

1．2．2 冻土蠕变研究现状

1．2．3 井壁冻结压力研究现状

1．2．4 井壁极限承载力研究现状

1．2．5 可靠性理论研究现状

1．3 存在的问题

1．4 主要研究内容与方法

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方法

1．4．3 技术路线

2 冻结黏土蠕变模型的模糊随机辨识与综合选优

2．1 常规土工试验

2．1．1 试验内容

2．1．2 试验结果

2．2 冻结黏土单轴试验分析

2．2．1 试件及试验装置

2．2．2 单轴抗压试验

2．2．3 单轴蠕变试验

2．3 蚁群算法模糊改进

2．3．1 传统蚁群算法

2．3．2 模糊蚁群算法

2．4 冻结黏土蠕变模型的模糊随机辨识

2．4．1 蠕变柔量和柔量参数

2．4．2 模糊蚁群算法反演参数

2．5 蠕变模型综合选优

2．5．1 目标函数的改进

2．5．2 模型综合评价

2．6 模糊蚁群算法效率分析

2．7 本章小结

3 深厚冲积层井壁冻结压力模糊随机分析

3．1 两淮矿区地质地貌

3．2 井壁冻结压力现场监测

3．2．1 产生机理

3．2．2 监测传感器布置

3．2．3 监测水平

3．2．4 监测结果

3．3 井壁冻结压力的不均匀性分析

3．3．1 不均匀分布

3．3．2 不均匀系数及改进

3．3．3 不均匀系数对比

3．4 井壁冻结压力的影响因素

3．5 井壁冻结压力的模糊随机分析

3．5．1 随机性分析

3．5．2 模糊性分析

3．5．3 模糊随机分析

3．6 工程算例

3．6．1 工程验算

3．6．2 结果分析

3．7 本章小结

4 钢筋混凝土井壁极限承载力模糊随机分析

4．1 井壁模型极限承载力试验

4．1．1 井壁模型

4．1．2 加载装置及试验方法

4．1．3 试验结果

4．2 灰色关联分析及改进

4．2．1 传统的灰色关联分析

4．2．2 灰色关联分析的改进

4．3 井壁结构参数灰色关联分析

4．4 井壁结构模糊综合选优

4．4．1 指标的模糊权重

4．4．2 模糊综合选优

4．5 井壁极限承载力的模糊随机分布

4．5．1 结构材料的模糊随机分布

4．5．2 几何参数的模糊随机分布

4．5．3 计算模式的模糊随机分布

4．5．4 极限承载力的模糊随机分布

4．6 井壁极限承载力的模糊随机模型

4．7 工程算例

4．8 本章小结

5 深厚冲积层钢筋混凝土外层井壁模糊随机可靠性分析

5．1 结构可靠性理论

5．1．1 可靠性分析步骤

5．1．2 功能函数与极限状态方程

5．1．3 失效概率和可靠概率

5．1．4 可靠性指标

5．2 可靠性的计算方法

5．3 模糊随机可靠性

5．4 钢筋混凝土外层井壁模糊随机可靠性分析

5．4．1 中心点法的模糊随机改进

5．4．2 改进的算法流程

5．4．3 模糊随机可靠性解析解

5．5 模糊随机可靠性灵敏度分析

5．5．1 模糊随机可靠性灵敏度

5：5．2 模糊随机灵敏度区间

5．6 工程算例

5．7 本章小结

6 深厚冲积层钢筋混凝土外层井壁模糊随机有限元可靠性分析

6．1 模糊随机有限元

6．1．1 随机有限元

6．1．2 模糊随机有限元

6．1．3 模糊区间方程组求解

6．2 ANSYS模糊随机有限元可靠性

6．2．1 ANSYS特点分析

6．2．2 ANSYS概率设计系统

6．2．3 失效函数的模糊化

6．3 钢筋混凝土外层井壁结构模糊随机有限元模型

6．3．1 工况介绍

6．3．2 外层井壁结构有限元模型

6．3．3 材料本构关系模糊化

6．3．4 结构失效函数模糊化

6．4 钢筋混凝土外层井壁模糊随机有限元可靠性数值计算

6．4．1 模糊随机输入变量

6．4．2 输入变量的样本分布

6．4．3 输出变量的样本分布

6．4．4 模糊随机有限元可靠性

6．4．5 模糊随机有限元灵敏度分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 工作展望

参考文献

致谢

作者简介及读博期间主要科研成果