本文選題：凍脹試驗　切入點：多圈管凍結　出處：《安徽理工大學》2013年博士論文

【摘要】：目前以兩淮地區(qū)為代表的新建礦井穿越的表土層厚度不斷加大,為保證井筒掘砌的順利進行,普遍采用三圈甚至四圈管凍結來增加凍結壁的厚度以抵抗較大的地壓。當前國內外對深厚地層土體基本凍脹特性及多圈管凍結過程凍結壁內部特征參數變化規(guī)律掌握尚不夠全面,需進一步開展相關方面基礎研究。 本文針對目前國內缺乏多功能、邊界可以多變的凍脹試驗裝置,研制了一臺功能完善,集溫度、水分、壓力控制于一體的微機控制多功能凍融壓縮試驗系統(tǒng),通過設定相關外邊界條件,能夠達到試驗外邊界與凍結法鑿井現(xiàn)場外邊界條件一致�；谠撛囼炏到y(tǒng),進行了大載荷作用下土體凍脹力(率)的測試,得出外載荷對凍脹力(率)影響最敏感區(qū)間；凍結鋒面遷移高度h與凍結時間t呈良好的對數函數關系。通過單、雙向凍結模式下凍脹力試驗,得出兩種凍結模式下凍脹力隨冷源溫度變化均可用指數函數來描述,雙向凍結較單向凍結凍脹力增幅與冷端溫度之間呈良好的二次函數關系,且凍結鋒面遷移速率近乎是單向凍結的兩倍左右。同時改變試驗常規(guī)凍脹測試方法,通過試驗儀器位移閉環(huán)控制,在預留不同凍脹空間下進行凍脹力量測,間接獲得了土體凍脹力與凍脹率呈二次拋物線函數下降趨勢關系,當土體凍脹空間大于最大凍脹率42%時,凍脹力下降速率加快。通過試驗,更好掌握了深厚表土地層土體凍脹基本特性。 針對多圈管凍結過程凍結壁內部溫度場、應力場、水分場規(guī)律掌握尚不夠全面問題,在室內調整內、中、外圈凍結孔布置圈徑以及凍結孔間距,進行了兩次共六個區(qū)域多圈管凍結模型試驗,獲得了大量凍結壁內部溫度、水分、應力場變化數據。同時結合ADINA有限元軟件對不同凍結方案進行溫度場模擬比較分析,描述了多圈管凍結過程凍結壁厚度、平均溫度等參數變化特征,得出在凍結管無偏斜條件下,凍結孔環(huán)向間距平均增大(減小)O.1m,凍結壁交圈時間相應增大(減小)4d；兩圈孔布置間距增大(減小)1m,孔間土體交圈時間相應增大(減小)8-10d；外圈孔圈徑(直徑)增加1.0m,凍結壁有效厚度增加0.3-0.4m；內圈孔圈徑(直徑)增大1.0m,井幫溫度增高1.3～1.7℃等規(guī)律。應力場分析結果表明,凍脹力沿徑向方向分布不均,主要積聚在外圈孔內側各凍結管附近,凍結孔布置圈徑對環(huán)向凍脹力影響小于對徑向凍脹力影響,而凍結孔間距對環(huán)向凍脹力影響大于對徑向凍脹力影響,凍結孔間距增大(減小)0.1m,凍脹力減小(增大)10%左右。在凍結壁形成過程,水分遷移劇烈,主要發(fā)生在測點溫度處于5℃左右降至結冰溫度階段,不同位置土體含水率差值達到11.25%,引起徑向方向凍結壁強度分布不均。利用有限元計算軟件還考慮了凍結管偏斜對凍結壁特征參數的影響,得出凍結管偏斜對凍結壁有效厚度影響較小,但對凍結壁平均溫度及井幫溫度均有較大影響,且極易在內、外圈孔之間形成封閉的未凍水倉,對凍結壁整體穩(wěn)定性產生影響。 本文基于多圈管凍結背景,開發(fā)了一套適用于深厚沖積層人工多圈管凍結壁溫度場的分析及信息可視化計算軟件,并應用至淮南某礦凍結進風井現(xiàn)場實際工程中,對關鍵層位溫度場、應力場、水分場進行測試分析。將現(xiàn)場測試結果與數值計算、模型試驗結果進行對比,得出三種不同分析方式所獲得的凍結壁內部特征參數變化規(guī)律相一致。 基于室內基礎試驗、模型試驗、數值模擬、現(xiàn)場測試等手段所獲得的結果,得出在凍結過程中凍結壁沿徑向方向溫度、含水率、應力是不斷變化的,引起凍結壁沿徑向方向強度不一,因此在凍結壁設計時應注意凍結壁屬于非均質材料這一特性。同時提出多圈凍結孔布置方案相關建議,指出凍結設計時應充分發(fā)揮其凍結壁厚度、平均溫度和井幫溫度的共同作用。本文掌握了多圈管凍結壁內部特征參數變化規(guī)律,為深井凍結壁設計提供參考。
[Abstract]:At present , the thickness of the surface layer of the newly - built mine crossing in the two - Huai region is continuously increased , so as to ensure the smooth running of the shaft excavation , three or even four - turn tube freezing is adopted to increase the thickness of the frozen wall to resist the large ground pressure .

In this paper , a microcomputer - controlled multi - function freeze - thaw compression test system with perfect function , temperature , moisture and pressure is developed in this paper . By setting relevant external boundary conditions , the external boundary conditions of the external boundary and freezing method can be achieved . Based on the test system , the test of the frost heaving force ( rate ) of the soil under heavy load is carried out , and the most sensitive interval is obtained .
In this paper , the relation of freezing and heaving force with cold source temperature in two freezing modes is described by using the exponential function of freezing and heaving force under two freezing modes . The frozen heaving force and the frost heaving rate of the frozen front surface are almost twice the one - way freezing .

In order to solve the problem of temperature field , stress field and water field law of freezing wall in freezing process of multi - coil pipe , the temperature , moisture and stress field change data of freezing wall were obtained .
The spacing of the two turns of holes increases ( decreases ) 1m , and the time of interhole soil crossing increases ( decreases ) 8 - 10d ;
the diameter of the outer ring hole is increased by 1.0 m , and the effective thickness of the freezing wall is increased by 0.3 - 0.4m ;
The results of stress field show that the effect of freezing tube deflection on the frozen wall characteristic parameters is less than that of the frozen wall . The effect of freezing hole spacing on the frozen wall characteristic parameter is more than about 11.25 % .

Based on the background of multi - loop pipe freezing , a set of analysis and information visualization software for freezing wall temperature field of artificial multi - loop pipe in deep alluvium is developed .

Based on the results obtained by indoor basic experiment , model test , numerical simulation and on - site test , it is concluded that freezing wall is not uniform in radial direction due to the changing of temperature , water content and stress in the radial direction of frozen wall during the freezing process .

【學位授予單位】：安徽理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P642.14

【參考文獻】

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本文編號：1708134