深厚冲积层冻结法凿井多圈管冻结模型试验

xx理工大学2011年10月21日国家十一五支撑计划子课题国家自然科学基金多圈管冻结模型试验研究汇报人：1绪论冻结法是煤矿井筒穿越深厚冲积层行之有效的施工工法。1.1课题的背景1、表土覆盖400m以上的冻结井筒。

目前，我国冻结法凿井的理论与技术，较为成熟的冻结深度在450m以内。当冻结深度超过450m时，冻结法至少存在了三个问题：1.1课题的背景（1）冻结壁的设计无规范可依。（2）对深表土地层多圈管冻结下冻结壁的形成特性及其力学特性的认识尚不充分。确保冻结壁的强度和稳定性，首先需要掌握冻结壁的形成及其发展性状、掌握冻结壁材料的力学特性及其本构模型等。（3）冻结融化后、壁后注浆时机的确定和参数选取。1绪论冻结壁设计是冻结法凿井的核心，关系到工程的成败与经济成本，全面掌握冻结壁冻融规律，对冻结法凿井设计和井壁注浆提供科学指导。课题目标是通过相似模型试验、实测和理论分析，掌握多圈管冻融和冻结壁在三场耦合作用下的形成特性，并在此条件下分析、计算深井冻结壁的力学特性和确定壁后注浆参数。1.2课题研究意义1绪论一、研究方案及内容1.1试验研究深部冻土物理、力学性能试验；多圈管冻结壁形成模型模型试验。1.2现场实测研究冻融温度场的发展规律、冻结壁内部冻胀应力和位移的变化。1.3理论研究推导人工冻土本构模型、冻土导热系数反演、根据模型试验提出水热力耦合计算模型；综合模型试验、实测结果和数值模拟，提出井壁合理注浆时机。1.3课题研究内容及技术路线1绪论1.3课题研究内容及技术路线二、技术路线1绪论2多圈管冻结冻融过程多物理场耦合力学基础2.1基本假定2.2多物理场耦合控制微分方程2.3卸载条件冻土双屈服面本构模型2.4小结2.2基本假定土体均匀连续，为各向同性的粘弹塑性材料；认为土体是饱和的多孔介质材料，且为均质和各向同性；水分迁移主要温度梯度引起的，无溶质迁移；在饱和土中除冻结管提供的热源外，不存其它热源或热汇；土体和冰晶均不可压缩；忽略未冻含水量的影响(实际土中的未冻含水量很少)。为了便于进行冻结温度场、水分场以及冻结应力场的理论分析，课题采用如下基本假定：2多场耦合力学基础2.2耦合微分方程温度场方程：水分迁移方程：冻融土介质：满足平衡方程、几何方程、本构方程和边界条件等。2多场耦合力学基础2.3冻土本构模型2.3.1卸载条件冻土的三轴蠕变试验使试样在无侧限变形条件下进行固结；对固结后的试样进行迅速冻结到试验温度并恒温24小时以上；对固结并冻结后的试样进行径向卸载的三轴蠕变试验。图2.11卸载冻土蠕变曲线2多场耦合力学基础2.3冻土本构模型2.3.2试验结果分析图2.12冻土典型蠕变包络线图2.13冻土曲线冻土的剪切屈服面可以选D-P屈服函数。冻土的体积应变较大，占整个蠕变变形的20％左右。2多场耦合力学基础2.3冻土本构模型2.3.3卸载过程双屈服面蠕变本构方程（1）剪切屈服面：（2）体积屈服面：（3）冻土双屈服面流变本构方程

2多场耦合力学基础2.3冻土本构模型2.3.3卸载过程双屈服面蠕变本构方程（4）冻土双屈服面流变本构模型验证

冻土在卸载状态下的蠕变试验和模拟值吻合较好,数值模拟和蠕变实测值误差最大为4％，表明用双屈服面屈服准则描述冻土蠕变本构是合理的。蠕变体积应变实测和理论值比较2多场耦合力学基础4多圈管冻结壁形成及融化模型试验研究4.1概述4.2模型试验相似准则4.3模型试验4.4试验结果4.5试验分析

4.1相似准则温度场相似准则傅立叶准则：柯索维奇准则：

温度准则：几何准则：水分场和应力场通过量纲法确定。4冻融模型试验研究

通过相似准则的推导，可以得出冻结壁模型试验和原型的相似关系。序号物理量相似比（n）1内摩擦角、空隙比、泊松比、冻结温度、含水量12应力、位移、弹性模量1:n3冻结时间缩比1:n24冻土扩展速度1:n24.1相似准则4冻融模型试验研究

4.2.1模型设计采用三种冻结方案,模拟冻结壁形成和融化过程的水热力耦合过程。项目模型1模型2模型3外圈孔/mφ2.67φ2.57φ2.50中圈孔/mφ2.00φ1.86φ1.76内圈孔/mφ1.50φ1.30φ1.30外圈孔间距/m0.2660.2420.226中圈孔间距/m0.1840.1720.162内圈孔间距/m0.3660.3420.326冻结管规格/mmφ10×7盐水温度/℃-324.2模型试验4冻融模型试验研究

4.2.2元件布置4.2模型试验4冻融模型试验研究

4.2.3模型试验系统模型试验台数据采集系统4.2模型试验4冻融模型试验研究

压力盒埋设水分传感器埋设温度感器埋设4.2.3模型试验系统4多圈管冻结壁形成及融化模型试验研究4.2模型试验4.2强.4模型试洪验4多圈管冻彼结壁形成虏及融化模繁型试验研菊究4.2模型试验冻结过程融化过程4.2.翼4模型试广验4多圈管冻技结壁形成详及融化模初型试验研狐究4.2模型试趋验水化热壳模拟4.3.心1模型试再验结果-测点冻融塑温度冻融过填程测点品温度随塌时间变佛化4.3模型试勇验结果4冻融模嚷型试验层研究4.3言.1模型试金验结果-测点冻短融温度冻融过程之测点温度凭随时间变爪化4.3模型试验辞结果4冻融模替型试验去研究4.3.吐1模型试验恳结果-测点冻草融温度4多圈管冻佳结壁形成余及融化模室型试验研纪究4.2模型试批验冻融过程铸测点温度踪蝶随时间变县化4.3.冰1模型试验罪结果-冻融温度惭场主面分眼布主面温度床随时间分圈布4.3模型试验板结果4冻融模型眨试验研究4.3.喜1模型试杯验结果-冻融温蜓度场主键面分布主面温鸡度随时兽间分布4.3模型试验才结果4冻融模重型试验贞研究4.3岗.1模型试娃验结果-冻融温度虏场主面分路布主面温度受随时间分被布4.3模型试验损结果4冻融模型潮试验研究4.3颠.1模型试渡验结果-冻融温迫度场界振面分布界面温阁度随时避间分布4.3模型试验遇结果4冻融模型摸试验研究4.3.叠2模型试验牙结果-冻结压力匆分布测点冻结男压力随时幼间分布4.3模型试验旋结果4冻融模利型试验柳研究4.3.蓬2模型试鼓验结果-冻结压力贝分布冻结压贵力沿径叛向随时骑间分布作用在缎井壁上植冻结压庆力随时贸间分布4.3模型试梨验结果4冻融模型盏试验研究4.3到.3模型试针验结果-水分迁移样分布测点含糊水量随蔑时间分多布4.3模型试深验结果4冻融模型泽试验研究4.3.英2模型试验业结果-水分迁移身分布测点含水勇量随时间坡分布4.3模型试验约结果4冻融模含型试验译研究4.3蹦.2模型试痛验结果-水分迁移崇分布测点含水图量随时间击分布4.3模型试店验结果4冻融模型轰试验研究4.4.蛛1模型试位验结果-冻结壁参仓数参数模型一模型二模型三相似比678交圈时间（h）252322冻结壁厚度（m）0.750.790.83冻结壁平均温度（℃）-13.0-13.8-15.2冻结时间（h）108108108融化时间（h）180192210地层初始温度（℃）8.58.58.5融冻时间比1.671.771.944.4模型试汗验结果胁分析4冻融模型呆试验研究4.4.秃2模型试验贺结果-融冻时间著与冻结壁洗平均温度疾的关系4.4模型试验浊结果分析4冻融模群型试验商研究5冻融过程搅现场实测先后在顾桥南戚区进风家井、谢党桥矿、历潘一东难等8个井筒开展了商冻结壁划内外部绍水平地鹊压和冻镰融温度佳场的工玩程实测宴。目的：研项究冻结壁间形成和融裕化过程中术，获得冻川结壁温度场发展变率化规律颂；内外怪部水平压极力的变化筹，获取冻胀力增长与沃变化规逼律。对浪井壁设且计的外蚊荷载取鹅值和井碌壁注浆打最佳时驶机提供旦参考。5.1概况5.2销.1顾南矿测阵点布置Fig冠The变dist嘉ribu坟tion熊map球of狐test及hol旷e5冻融过蝇程现场公实测5.2测点布置5.2.事2测试元真件FigPres犁sureboxandporewat掘erpres姿sure姨gau夜geinst拾alla欧tioninlab随ora楚tor末y5冻融过程职现场实测5.2测点布置5.2顾.3测试元件裤及安装钢筋计撑及现场岂安装图5冻融过米程现场雷实测5.2测点布置5.3匹.1测试结果-顾南Therel摧ati岗ons茎hipoflev铅elpres瞒sureandfre规ezi让ngtime5冻融过程震现场实测5.3实测结折果及分翻析5.3.抖1测试结芦果-顾南孔隙水沉压力压葱力变化谨曲线265m测孔温度得随时间变扫化5冻融过条程现场味实测5.3实测结谱果及分真析5.3猪.2测试结零果-谢桥矿-255求m水平冻结秋壁温度变具化曲线-25高5m水平西盘侧井壁救内部温尘度变化称曲线5冻融过暮程现场船实测5.3实测结丑果及分贼析5.3株.2测试结果-谢桥矿-29瓶6m水平土灯压力监艰测数据形及曲线-29端6m水平竖玻向应力鞭监测数冠据及曲萄线5冻融过陆程现场龟实测5.3实测结火果及分码析5.3.顽3测试结蛋果-谢桥矿箕沫斗井冻结温度森随时间的戏变化5冻融过程锣现场实测5.3实测结马果及分待析5.3解.4工程实争测研究土结论-冻结压总力1）冻结壁栽内、外部系水平地压醉变化分为恩以下阶段欺：初始地压阶段交圈期井的急剧增长阶段冻实后的缓变或逗趋稳阶段掘砌工作放面逼近时末的急剧变化阶段掘砌工作施面远离后震的恢复及鸡趋稳阶段5冻融过程添现场实测5.3实测结果妙及分析5.3.芬4工程实闻测研究亲结论-冻结压少力2）冻结壁吸形成过程习中内外部着将产生显吐著的冻胀桐力；井筒耐掘砌过程树中，冻胀类力将发生纱不同程度欢的超前释考放。3）冻结壁西径向残余龄冻胀力与之最大冻胀振力之比：你内部为0～0.0衔2，外部销径向为0.45者~0.6。4）冻结壁在的水平外缠载并非初斜始水平地惠压，而应染考虑径向李水平冻胀跑力的叠加给效应。5）冻结壁剃内外部冻弦胀力的积于聚与释放网将对冻结宅壁与冻结测管的受力仍与变形产鹿生显著影咳响。5冻融过程铃现场实测5.3实测结晶果及分枪析5.3.贺4工程实驶测研究渗结论-温度通过现场缩慧实测、模汗型试验和痕数值模拟凳获得了多旱圈管冻融呀温度分布吧特征，孔某隙水压力缘瑞分布规律菌和冻胀发挡展规律;通过模型啦试验获得心融化温度免场非线性最数学模型女，并建立封融化过程绩的温度、设流体和固浓体耦合方层程;对于土坐质相同嚼而言，槽一般埋帝深浅的煮先形成称冻结壁蚊而后融狭化，埋叮深深的田土层后繁冻结先萄融化，渠且冻融享时间比源值大约茄：1.3怨-2.异0；位于相同难层位的粗待粒土比细拌粒土融化草快。5冻融过广程现场慰实测5.3实测结果祝及分析6冻土导锯热系数伶反演6.1冻融温度知场反分析贼理论模型温度场削方程：温度场伙反演目震标函数衰：温度场反支演模型方盯程：6冻土导热咸系数反演6.2导热系数森反演结果图6.5冻土导梳热系数患与温度截的关系用线性打函数拟挽合：一般对员于砂土贝：a=0.滔19-0阿.22b=1壁.68矩-1.馋75一般对币于粘土牢：a=0.百18-0刘.20b=1.疼65-1妨.72计算模鹊型边界条顷件7冻融多物催理场耦合乞研究7.1计算模犁型7.2.壶1温度场模禁拟结果等温线特倍征t=29伙h冻结40h主面温度胸分布7冻融多贷物理场序耦合研姑究7.2数值模拟抽结果冻结10h水分迁移锅性状冻结24h相邻冻呀结管水脂分迁移铅图7冻融多垮物理场桶耦合研巨究7.2数值模拟院结果7.2.份2水分场模凉拟结果冻结22h主面水责分迁移时速度冻结50小时的龙主面水牺分迁移烘量7冻融多灭物理场抽耦合研足究7.2数值模范拟结果7.2种.2水分场序模拟结弦果冻结20h主面有效奥应力分布中圈孔总习有效应力凶随时间变中化7冻融多物救理场耦合筝研究7.2数值模拟册结果7.2.静3应力场模报拟结果内圈冻结疫管之间温卷度比较中圈冻像结管之若间温度协比较7冻融多物威理场耦合葱研究7.3数值与模忌型试验比蓬较7.3抓.1冻融温轻度场比氧较CD1含水量氏比较7冻融多浪物理场殃耦合研鉴究7.3数值与模泄型试验比莫较7.3.用2水分场比慈较CD3含水量于比较CD3冻结压力疑比较7冻融多物闲理场耦合跨研究7.3数值与伶模型试晓验比较7.3.斑3应力场比降较CD6冻结压毙力比较顾南265柏m主面温隔度分布图曲线顾南265撑m界面温链度分布店曲线7冻融多物佳理场耦合蒙研究7.4顾南矿教冻融温接度场模躁拟冻结过程甜模拟顾南265银m测孔温抹度与数旷值模拟后比较7冻融多物雕理场耦合葛研究7.4顾南矿冻当融温度场里模拟冻融过店程模拟8冻结井来壁注浆体参数及计优化设流计矿井名称井筒名称井筒直径（m）冻结壁厚度（m）交圈时间（d）冻结总工期（d）注浆距停机时间（d）注浆距停机时间/冻结时间注浆效果顾桥矿南区进风井8.66.4652232130.96注浆前4~6方/h水，注浆后2~4方/h水，效果不佳。回风井7.24.3532142060.96注浆前2方/h左右水，注浆后1方/h水左右。谢桥矿改扩建工程中央风井7.55.1511973191.62井筒到底注浆，注浆前3.7方水/h，注浆后1.7方/h。二副井8.25.3801862831.52井筒到底注浆，注浆前1.8方水/h，注浆后0.5方/h。8冻结井架壁注浆赔参数及田优化设勾计矿井名称井筒名称井筒直径（m）冻结壁厚度（m）交圈时间（d）冻结总工期（d）注浆距停机时间（d）注浆距停机时间/冻结时间注浆效果箕斗井7.66.1502361340.57井筒施工至680m水平注浆，注浆前1方水/h左右，注浆后0.3方/h。潘一东区主井7.63.8421733021.75井筒到底后注浆，注浆前4~6方水/h，注浆后1方/h左右。副井8.64.1651852841.54井筒到底后注浆，注浆前3.6方水/h，注浆后0.8方/h左右。风井8.04.3681391641.18井筒施工至791m处注浆，注浆前9.1方水/h，注浆后0.2方/h。8冻结井壁劫注浆参数态及优化设藏计从表9.1可以看出宁谢桥矿二走副井，潘箭一东区副茫井、风井出三个井筒弄注浆效果衬较好，而俩顾桥矿南踢区进风井昨、回风井集两个井筒丧注浆效果萌偏差，分悄析其原因姜为冻结壁召并未大部忌分融化。可建议邀现场注但浆时间倚选择为日注浆距恭停机时技间/冻结时鲜间取1.2~尊1.6。9主要结形论人工冻结放地层三场爆耦合基本疫理论研究原：考虑冻瓣土形成法过程水棒发生相事变问题即，即考诉虑岩土趣在冻结敢过程中恋水结鞭冰所吸务收的潜忧热。因筐此，温暮度场微益分方程集中耦合惧了水分鼻变量。认为人价工冻结翅地层中黑的水分盈迁移动叠力是由均温度梯贤度变化竞引起的宋。因此大，水分御场中耦接合了温详度变量壁，这给战水分场化数值计嫩算带来够方便，稠且容易惠在有限醉元程序苦中实现喷数值模脚拟。双屈服面帅人工冻土纲蠕变本构勿模型能更袜好的描述养深井冻土螺第Ⅲ阶段蠕变派特性，可顶以更好的构解决深井阳冻土及其嚷结构物的疾变形计算寨。利用D-P材料的敏屈服准揉则推导脸出应用取于数值拨计算的糠柔度矩乳阵，开弓发了相找关的本剧构计算玻程序，录并成功敬地嵌入投非线性鸣有限元宣程序ADI济NA中。9主要结论多场耦选合模型奸试验研亩究：模型试非验中冻单土扩展葡速度4.1～5.5的mm/迎h，原型冻熊土扩展速鸣度为16.5～22.顾8mm册/d。内圈冻洋结管以姨内和外恢圈冻结刻管以外哈区域，朵土体的闭含水量卖比冻结家前增加极，约为倒：6～10％；内绸、中圈着和中、脉外圈之勺间区域趴，土体闯冻结后火的含水夫量比冻经结前减缩慧小，约只为6～10％。而靠绝近冻结管形位置土体午的含水量胶比冻结前胶增加，约惕为8～11％。得出了中类圈冻结管悠位置的冻狱结应力最绣大，约为0.8榜MPa；而内圈桐管的内侧昌和外圈冻躁结管的外洲侧冻结应辅力相对较想小，为0.2M饮Pa以下，奶且发展居速度相厨对缓慢厘。试验获得侮了冻结壁妻的冻结和家融化时间酱比值可以冈用一次函交数来拟合葛，该值介腥于1.6占-2.钱0之间，且尤与环境温灵度、土层像性质、冻览结壁厚度桂和平均温淡度有关。9主要结转论多场耦读合模型炊试验研虾究：模型试验粪中冻土扩队展速度4.1～5.5委mm/杂h，原型冻吴土扩展速太度为16.5～22.念8mm枣/d。内圈冻渡结管以轰内和外撇圈冻结卧管以外奔区域，总土体的扎含水量逮比冻结浩前增加桨，约为仍：6～10％；内四、中圈洁和中、笋外圈之断间区域充，土体嘉冻结后科的含水恶量比冻徐结前减红小，约捏为6～10％。而峡靠近冻席结管位叛置土体玻的含水鲜量比冻吸结前增跨加，约款为8～11％。得出了中碍圈冻结管避位置的冻坟结应力最惩大，约为0.8喊MPa；而内圈晓管的内侧扎和外圈冻甚结管的外响侧冻结应挽力相对较吼小，为0.2M错Pa以下，且触发展速度牙相对缓慢作。试验获得站了冻结壁底的冻结和场融化时间素比值可以铜用一次函猛数来拟合牌，该值介肠于1.6-翼2.0之间，饺且与环诱境温度魄