热力耦合作用下冻结壁温度场与冻胀力分布规律研究

摘要

针对淮南矿区某矿过厚膨胀性粘土层工程问题，采用室内实验、理论分析、数值计算和现场实测的方法对膨胀性粘土层的冻结温度场分布和冻胀力显现规律进行了系统研究。
　　(1)开展了膨胀性粘土层的热物理力学实验，结果反映出深部膨胀性粘土的冻结温度为-2.9℃左右，其强度、弹性模量等力学参数随冻结温度下降呈线性增长。
　　(2)通过冻结温度场数值计算分析表明:冻结152天时，粘土层冻结壁平均温度为-14.42℃，比同时期砂土层高1.44℃;冻结236天时，粘土层冻结壁平均温度为-17.78℃，比同时期砂土层低1.47℃。粘土层冻结壁厚度小于细砂层冻结壁厚度。
　　(3)通过热力耦合计算分析表明:冻胀力在积极冻结期90天内，粘土层冻胀力约为砂土层的1.3倍。进入维护冻结236天后，粘土层三圈冻结管围成的冻结壁内冻胀力均大于4.8MPa，是同时期细砂层的1.5倍;-440m膨胀粘土层冻胀后的受力存在显著的不均匀性，最大冻胀力主要位于东南侧和西北偏北侧。
　　(4)通过现场测试获得了冻结压力分布规律，冻结压力前10天增长较快，到60天时，-347m层位最大压力值达到3.50MPa，平均压力值达到1.80MPa;-387m层位最大压力值达到4.25MPa，平均压力值达到2.20MPa，基本趋于稳定;最大压力值为静水压力的1.0～1.1倍左右。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的提出

1．2 国内外研究概况

1．2．1 国外研究成果

1．2．2 国内研究成果

1．3 主要内容和方法

1．4 研究技术路线

2．深部膨胀性粘土冻结特性实验研究

2．1 试验方法

2．1．1 比热容试验

2．1．2 冻胀性试验

2．1．3 单轴应力应变试验方法

2．1．4 单轴抗压强度

2．1．5 冻土蠕变试验

2．2 某矿膨胀性粘土冻结实验

2．2．1 冻结温度与时间关系

2．2．2 导热系数与温度的关系

2．2．3 冻土的比热容

2．2．4 冻胀与时间关系

2．2．5 单轴应力应变关系

2．2．6 弹性模量与温度的关系

2．2．7 泊松比与温度的关系

2．2．8 单轴抗压强度与温度的关系

2．3 冻土单轴蠕变试验

2．4 小结

3 深部膨胀性粘土层冻结温度场与冻胀力形成规律

3．1 膨胀性粘土层的冻胀效应

3．1．1 膨胀性粘土层的冻胀根源

3．1．2 膨胀性粘土冻胀的产生

3．2 冻结温度场及冻胀力主要影响因素

3．2．1 含水率影响

3．2．2 粘土的冻结温度

3．2．3 土的分散性

3．2．4 粘土的冻结时间

3．2．5 冻结中粘土层冻胀力的分析

3．3 膨胀性粘土层冻结温度场发展规律

3．3．1 工程背景

3．3．2 模型及计算参数

3．3．3 冻结温度场分布特征

3．4 热力耦合作用下膨胀性粘土层冻胀力数值分析

3．4．1 冻胀力求解的有限元格式

3．4．2 计算参数及方法

3．4．3 冻胀力发展规律

3．5 小结

4．深部膨胀性粘土层冻结压力显现特征

4．1 工程概况

4．2 冻结压力监测

4．3 小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果