淮南刘庄煤矿主井人工冻融土地基的计算及数学模型研究

摘要

人工冻结法由于其加固土体强度大、封水性好、适应性强等优点，已在普通工法难以实施的各种工程中得到了广泛的应用。淮南刘庄煤矿主井井塔工程采用了人工冻结法施工凿井，继而人工解冻后施工桩基础，地基土在经过冻结和人工解冻过程后，其各项物理力学性质、温度场和应力场均发生了较大改变。本文应用室内试验，现场实测，理论分析，数值模拟相结合的方法系统分析了人工冻融土温度、应力、承载力等方面。主要研究成果包括： （1）通过室内试验，分析了人工冻融土的物理力学性质差异； （2）结合各种规范公式，计算了单桩、群桩的承载力，负摩阻力及桩基沉降，验算和评价了桩基稳定性； （3）利用热传导方程建立了人工冻融土温度场的数学模型，同时利用有限元原理建立瞬态热学模型进行数值模拟，并进行回冻分析； （4）利用水热耦合迁移原理建立了人工冻融土冻胀融沉的数学模型，并利用回归原理建立了人工冻融土的冻胀和融沉的回归方程； （5）利用土体的本构方程以及土体的破坏准则建立了人工冻融土应力场的数学模型，利用桩土体系的荷载传递原理建立了人工冻融土桩基承载力的数学模型，利用有限差分原理建立考虑接触面的桩土相互作用的模型进行了数值模拟； （6）分析各种土体的参数对桩基的应力场及极限承载力的影响。并对模拟、计算结果和现场实测进行了对比，验证了数值模拟的可行性，为今后在类似工程中的应用提供了参考依据。

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致谢

第一章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容和研究方法

第二章 人工冻融土工程性质研究

2.1 淮南刘庄煤矿主井工程概述

2.2 冻胀和融沉机理

2.3 人工冻融土与原状土的物理力学性质的研究

第三章 主井井塔人工冻融土桩基承载力及沉降计算

3.1 主井井塔桩基设计

3.2 承载力计算

3.2.1 单桩坚向承载力的计算

3.2.2 群桩基础承载力的计算

3.2.3 单桩水平承载力的计算

3.3 基础的沉降计算

3.4 桩身承载力及压屈验算

3.5 负摩阻力对桩基承载力的影响

3.6 场地抗震性评价

3.7 桩基稳定性评价

第四章 温度场数学模型的研究

4.1 数值分析的理论基础

4.2 热学模型的有限元分析

4.2.1 三维热传导方程

4.2.2 边界条件和初始条件

4.2.3 变分原理

4.2.4 离散方程

4.3 冻融土温度场的数学模型

4.3.1 基本假设

4.3.2 冻土温度场的解析解

4.3.3 冻融土温度场的解析解

4.4 计算与分析

4.4.1 温度场有限元建模

4.4.2 人工冻融土温度场计算结果分析

4.4.3 回冻分析

第五章 人工冻融土中水热耦合迁移的数学模型

5.1 水热耦合迁移的数学模型

5.1.1 基本假设

5.1.2 数学模型

5.2 人工冻融土冻胀和融沉特性

5.2.1 人工冻融土的冻胀特性

5.2.2 人工冻融土的融沉特性

5.3 人工冻融工冻胀和融沉的回归方程

5.3.1 线性回归方程原理简介

5.3.2 冻胀和融沉回归方程

第六章 应力场数学模型的研究

6.1 三维应力与应变基本方程

6.2 冻融土应力场的数学模型

6.2.1 基本假设

6.2.2 冻融土应力应变一般方程

6.3 模型破坏准则

6.3.1 摩尔-库仑模型(Coulomb-Mohr)

6.3.2 德鲁克-普拉格模型(Drucker-Prager)

6.4 桩基极限承载力的数学模型

6.4.1 桩土体系的荷载传递机理

6.4.2 桩的受力分析

6.4.3 单桩极限承载力数学模型的建立

6.5 计算与分析

6.5.1 有限差分法原理

6.5.2 应力场建模

6.5.3 井壁应力分析

6.5.4 接触面应力分析

6.5.5 桩基应力应变分析

6.5.6 单桩极限承载力数值模拟计算与分析

6.5.7 桩周土体参数的影响

6.5.8 数值分析结果验算

第七章 结论与建议

7.1 本文研究的主要成果

7.2 继续研究的方向

参考文献