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踪蝶盒埋铅设水分尖传感露器埋祥设温度默感器趣埋设4.祥2.宋3模型漫试验四系统4多圈屡管冻窃结壁载形成齿及融低化模孙型试润验研蜘究4.捧2模型峰试验4.全2.突4模型默试验4多圈化管冻预结壁转形成极及融晒化模片型试故验研锐究4.辰2模型黎试验冻结辣过程融化仙过程4.道2.糕4模型冰试验4多圈蔽管冻眼结壁译形成字及融脚化模亩型试馆验研斜究4.读2模型壁试验水化满热模京拟4.直3.效1模型救试验晒结果-测点电冻融吴温度冻融寨过程钓测点编温度袜随时拐间变垒化4.升3模型规试验啦结果4冻融群模型廉试验话研究4.柴3.位1模型筒试验衬结果-测点究冻融锹温度冻融另过程起测点血温度说随时炒间变灿化4.莫3模型案试验纷结果4冻融茂模型习试验拒研究4.掌3.惩1模型选试验偏结果-测点敌冻融流温度4多圈委管冻陆结壁厌形成酒及融袜化模奖型试涛验研采究4.刷2模型枪试验冻融侵过程回测点旦温度槐随时葬间变紫化4.拿3.赠1模型雷试验歇结果-冻融枯温度衬场主西面分或布主面廊温度弦随时隙间分区布4.古3模型及试验聋结果4冻融辫模型腊试验虫研究4.拍3.黎1模型添试验逼结果-冻融揪温度屈场主虏面分建布主面柜温度戒随时难间分魄布4.学3模型尼试验仍结果4冻融洪模型锣试验稼研究4.赌3.隙1模型剂试验这结果-冻融宅温度皱场主孔面分鸦布主面削温度队随时树间分后布4.阵3模型下试验篮结果4冻融篮模型乘试验婚研究4.怒3.宴1模型莫试验编结果-冻融增温度坝场界网面分歇布界面抱温度勉随时汁间分孝布4.闪3模型糖试验张结果4冻融处模型送试验挨研究4.厘3.拴2模型爪试验臂结果-冻结务压力卧分布测点豆冻结孤压力适随时毯间分吩布4.诉3模型箱试验泛结果4冻融云模型拆试验普研究4.训3.笨2模型燥试验僵结果-冻结居压力老分布冻结峰压力室沿径卷向随回时间岔分布作用农在井怕壁上金冻结徐压力代随时涛间分壳布4.睁3模型统试验道结果4冻融坐模型捉试验隔研究4.辜3.询3模型揉试验鼻结果-水分衡迁移利分布测点技含水求量随爪时间覆分布4.荡3模型扶试验乐结果4冻融陪模型拆试验惩研究4.平3.丹2模型注试验乳结果-水分畜迁移偶分布测点批含水穗量随蹲时间徒分布4.昂3模型唱试验不结果4冻融风模型萍试验迫研究4.奋3.黎2模型尼试验跪结果-水分蜜迁移惕分布测点静含水净量随拿时间择分布4.项3模型蜘试验钥结果4冻融巩模型运试验哨研究4.愿4.摄1模型麻试验槐结果-冻结抬壁参松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.橡4模型窄试验稼结果绳分析4冻融茅模型飘试验凶研究4.壳4.挽2模型赔试验板结果-融冻求时间另与冻汇结壁惰平均牢温度尼的关漂系4.俗4模型静试验标结果曾分析4冻融烦模型参试验苏研究5冻融卫过程典现场拥实测先后咱在顾桥斯南区摄进风哪井、漆谢桥某矿、链潘一渴东等8个井近筒开展秘了冻掀结壁殖内外框部水览平地疤压和课冻融梯温度洪场的喜工程浴实测荐。目的踢：研阶究冻扛结壁妹形成略和融病化过野程中狱，获胆得冻陈结壁温度氏场发展路变化缴规律诵；内隶外部水平活压力的变佳化，窑获取冻胀啦力增长竞与变嗽化规陈律。叨对井弯壁设纳计的猪外荷验载取发值和福井壁均注浆级最佳劲时机垄提供禽参考介。5.惨1概锤况5.液2.煤1顾南夫矿测捎点布净置Fi图g革Th芹e束di侨st绢ri富bu宾ti踩on炮m帝ap伪o嗓f撇te若st辩h穿ol名e5冻融哪过程乳现场帮实测5.字2测点辰布置5.角2.产2测试破元件Fi草gPr圣es漆su灾rebo某xan洒dpo委rewa晕te艳rpr猛es术su蚀re车g干au发gein盒st数al隔la鼠ti住oninla鄙bo模ra尘to管ry5冻融红过程功现场脖实测5.为2测点晃布置5.件2.甜3测试络元件刑及安宴装钢筋匆计及术现场驳安装碰图5冻融钞过程夕现场者实测5.势2测点降布置5.五3.绪1测试复结果-顾南Th脖ere以la路ti觉on仓sh幕ipofle误ve捏lpr亮es榜su钱rean陈dfr懂ee膛zi傅ngti宝me5冻融蒸过程悬现场掏实测5.梦3实测正结果夹及分蚁析5.次3.箩1测试爸结果-顾南孔隙阶水压切力压欣力变羽化曲阿线26合5m测孔毫温度煤随时寒间变期化5冻融毕过程放现场抓实测5.粘3实测誓结果趣及分敬析5.称3.殃2测试颂结果-谢桥资矿-2奋55觉m水平悼冻结休壁温特度变陪化曲盖线-2狼55书m水平朱西侧团井壁就内部遥温度私变化荡曲线5冻融匙过程便现场拼实测5.抚3实测众结果歇及分筐析5.名3.垄2测试晃结果-谢桥下矿-2似96不m水平贞土压沃力监贡测数材据及谜曲线-2尾96欣m水平搬竖向擦应力猾监测糟数据待及曲矩线5冻融洽过程策现场鲜实测5.柿3实测替结果乐及分触析5.臂3.选3测试炎结果-谢桥惑矿箕规斗井冻结滚温度签随时础间的什变化5冻融鹿过程映现场请实测5.冒3实测圣结果沃及分华析5.乔3.震4工程头实测宪研究僻结论-冻结炮压力1）冻氧结壁唐内、个外部摊水平务地压旬变化代分为浊以下酿阶段凡：初始蹈地压阶段交圈陶期的急剧岂增长阶段冻实滥后的缓变壤或趋膝稳阶段掘砌压工作趴面逼勇近时扣的急剧印变化阶段掘砌疾工作促面远猛离后州的恢复片及趋尚稳阶段5冻融樱过程苦现场分实测5.越3实测格结果蜂及分纳析5.际3.坦4工程斯实测董研究牺结论-冻结罚压力2）冻邮结壁势形成盖过程藏中内宰外部锄将产桑生显咱著的拍冻胀鸦力；完井筒挂掘砌厨过程闪中，加冻胀逢力将艘发生驻不同捷程度镰的超肯前释趟放。3）冻蹄结壁炎径向耗残余孤冻胀谊力与寇最大乒冻胀呼力之心比：役内部脑为0～0.轻02，外牺部径荒向为0.奶45呆~0良.6。4）冻饰结壁头的水痒平外简载并旱非初胶始水子平地匙压，资而应敏考虑忧径向固水平恰冻胀孩力的桌叠加些效应猎。5）冻长结壁曲内外秤部冻暂胀力消的积介聚与说释放时将对古冻结萄壁与浅冻结死管的暗受力姿与变叼形产故生显其著影宜响。5冻融侍过程某现场摇实测5.针3实测阵结果留及分冒析5.拘3.飞4工程卸实测资研究帐结论-温度通过则现场玻实测伞、模杠型试垂验和划数值耽模拟逼获得油了多虹圈管拦冻融界温度厉分布长特征醋，孔冲隙水溜压力银分布稀规律尘和冻裂胀发刺展规龙律;通过默模型皆试验穷获得识融化辩温度跃场非根线性坝数学新模型筹，并犹建立岸融化嫁过程巴的温太度、兰流体替和固贿体耦密合方常程;对于榆土质冒相同泄而言春，一均般埋婶深浅妖的先榴形成裹冻结络壁而妄后融卧化，手埋深言深的这土层彼后冻睁结先钞融化扛，且井冻融糕时间脊比值盗大约塑：1.阶3-洗2.苍0；位于饰相同破层位冲的粗慈粒土洞比细聚粒土厚融化提快。5冻融满过程桑现场不实测5.另3实测炕结果彩及分庆析6冻土踢导热剥系数股反演6.如1冻融缠温度迷场反严分析窑理论扯模型温度奴场方姿程：温度礼场反避演目绩标函蓄数：温度悔场反哥演模沃型方屋程：6冻土鸟导热夸系数狭反演6.象2导热涝系数痛反演亡结果图6.荷5冻土遥导热钥系数挺与温亭度的晋关系用线喇性函懒数拟盟合：一般长对于有砂土肚：a=劲0.逆19量-0仁.2只2b=重1.饭68退-1刑.7骗5一般渗对于郑粘土专：a=远0.满18弹-0泻.2骡0b=擦1.陶65是-1榨.7死2计算股模型边界圆条件7冻融跪多物趋理场伞耦合籍研究7.渔1计算烂模型7.盗2.蚕1温度速场模便拟结祝果等温穿线特刚征t=史29绳h冻结40箱h主面婶温度躬分布7冻融刷多物督理场配耦合筛研究7.租2数值迟模拟潜结果冻结10饼h水分币迁移滥性状冻结24氧h相邻泻冻结滨管水细分迁再移图7冻融泽多物绞理场井耦合带研究7.势2数值航模拟济结果7.掠2.赢2水分壶场模后拟结趋果冻结22故h主面蒜水分锋迁移脏速度冻结50小时赞的主未面水各分迁劝移量7冻融息多物龟理场牺耦合洪研究7.稠2数值钉模拟坑结果7.旦2.损2水分妈场模磨拟结部果冻结20霉h主面皇有效长应力胞分布中圈敌孔总牺有效纲应力辣随时屿间变抗化7冻融圆多物茧理场房诚耦合肤研究7.除2数值规模拟讯结果7.界2.历3应力过场模钟拟结浆果内圈凑冻结蛋管之狠间温凝度比昨较中圈姥冻结删管之稳间温效度比怜较7冻融捞多物飞理场愿耦合广研究7.催3数值朱与模贿型试锈验比缓较7.还3.值1冻融郊温度者场比损较CD洋1含水泡量比薪较7冻融授多物篮理场斥耦合社研究7.北3数值奥与模弄型试垃验比鸟较7.抽3.立2水分铅场比岂较CD乒3含水蔬量比虎较CD繁3冻结晶压力袖比较7冻融饰多物磨理场甜耦合陶研究7.扩3数值坡与模棵型试怪验比慢较7.砖3.重3应力客场比默较CD替6冻结次压力坚比较顾南26饭5m主面量温度鹿分布杀曲线顾南26涨5m界面仇温度六分布姥曲线7冻融眠多物须理场慨耦合跳研究7.吉4顾南倦矿冻格融温柄度场浆模拟冻结莲过程持模拟顾南26工5m测孔承温度依与数伤值模宫拟比弟较7冻融泊多物彻理场康耦合蜡研究7.件4顾南架矿冻俱融温坡度场佣模拟冻融像过程望模拟8冻结盆井壁崖注浆今参数歌及优碍化设嗓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冻结终井壁屋注浆谦参数糖及优穿化设涂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冻结秃井壁女注浆调参数声及优所化设侵计从表9.嫂1可以越看出辛谢桥禾矿二由副井品，潘餐一东摇区副苗井、骡风井却三个蹄井筒命注浆畅效果吨较好扮，而可顾桥迟矿南鄙区进敢风井青、回父风井拆两个呈井筒边注浆纠效果芒偏差晃，分涉析其点原因象为冻困结壁菌并未棒大部族分融在化。可建骡议现贫场注功浆时乡丰间选油择为倾注浆贱距停女机时仙间/冻结而时间堡取1.米2~枯1.监6。9主要覆结论人工烦冻结略地层宽三场异耦合剂基本喂理论萄研究爸：考虑仇冻土址形成深过程巷水发瓜生相所变问础题，午即考厕虑岩欣土在斑冻结暗过程搬中水悦结凝冰所爹吸收魔的潜猾热。稻因此烂，温膝度场弃微分牧方程腿中耦狂合了唇水分叉变量毯。认为不人工零冻结阅地层附中的狐水分捷迁移功动力捧是由凡温度悟梯度箱变化舅引起烂的。侮因此缴，水勤分场逝中耦花合了漫温度豪变量蒜，这够给水错分场访数值较计算兽带来仪方便宿，且旅容易翅在有白限元虑程序当中实蛛现数乖值模视拟。双屈痒服面绒人工干冻土帽蠕变浑本构在模型猾能更射好的丙描述线深井高冻土驶第Ⅲ阶段塘蠕变密特性见，可借以更屯好的杨解决歌深井讨冻土以及其死结构灰物的下变形骨计算贸。利用D-全P材料道的屈宗服准心则推碌导出备应用念于数非值计禽算的嫌柔度向矩阵女，开症发了捕相关峰的本架构计这算程筑序，绒并成份功地槽嵌入午非线绘性有讲限元烘程序AD石IN往A中。9主要捏结论多场当耦合减模型络试验闲研究流：模型业试验恨中冻唉土扩失展速殖度4.栗1～5.呼5m鼻m/涌h，原揪型冻舒土扩顷展速最度为16吓.5～22帖.8充mm宴/d。内圈助冻结镰管以尼内和闷外圈爬冻结惑管以碗外区脖域，膝土体或的含寒水量屿比冻废结前守增加华，约榴为：6～10％；香内、既中圈威和中圆、外庄圈之主间区植域，擦土体隆冻结君后的储含水吨量比字冻结哄前减商小，暂约为6～10％。才而靠妇近冻睡结管槐位置搅土体擦的含火水量雷比冻贪结前垄增加良，约摘为8～11％。得出诉了中旗圈冻亚结管浸位置缓的冻榴结应站力最乐大，卧约为0.忧8M良Pa；而袜内圈奖管的字内侧趁和外魄圈冻首结管落的外印侧冻挣结应正力相知对较政小，包为0.唤2M洁Pa以下迎，且看发展奋速度该相对臂缓慢渡。试验科获得昌了冻齿结壁内的冻维结和碧融化判时间茫比值蔬可以包用一烛次函枣数来吃拟合忍，该刚值介武于1.贫6-严2.舞0之间罩，且菠与环侨境温阿度、汽土层挤性质轧、冻禽结壁栋厚度捕和平樱均温监度有年关。9主要凭结论多场蓝耦合较模型匹试验幅研究孟：模型总试验粒中冻尚土扩仁展速怎度4.聚1～5.复5m妥m/侄h，原恼型冻现土扩抵展速并度为16型.5～22华.8留mm态/d。内圈予冻结搏管以贝内和歉外圈拾冻结袭管以槽外区朴域，美土体化的含炼水量继比冻梨结前烟增加停，约胜为：6～10％；悲内、著中圈火和中位、外逐圈之嘱间区演域，土土体滤冻结钱后的马含水骂量比令冻结帅前减纲小，诞约为6～10％。苦而靠创近冻凶结管虹位置旬土体础的含轮水量既比冻移结前巩增加猪，约搂为8～11％。得出逆了中筛圈冻巴结管影位置毛的冻铲结应训力最辟大，滋约为0.转8M碗Pa；而晚内圈撑管的宁内侧四和外哈圈冻扔结管剖的外战侧冻券结应渠力相五对较津小，梯为0.拴2M厘Pa以下今，且堤发展偿速度董相对叮缓慢嚼。试验色获得粗了冻处结壁廉的冻真结和东融化健时间常比值额可以桌用一提次函躲数来烫拟合无，该苦值介券于1.锯6-侮2.裳0之间盘，且污与环徒境温枣度、阀土层崖性质栗、冻月结壁钓厚度途和平叨均温理度有唯关。9主要河结论实测刷了顾忌桥矿机南区感井筒花、潘保一东傻矿井稀筒和若谢桥脊矿改椒扩建