特厚表土层中冻结壁与井壁的流变相互作用规律研究

冻结壁与井壁的安全是特厚表土层中冻结法凿井成败的关键。冻结壁与井壁之间的流变相互作用决定了冻结管、冻结壁与井壁的变形与安全。冻结法凿井的特殊工况下，深部人工冻土的基本力学特性与流变特性是影响冻结壁与井壁流变相互作用的最关键因素。课题针对深部冻土形成历史与特殊工况，首先基于"先长时高压固结、后冻结、再卸载"的新试验模式，针对不同固结龄期的冻粘土，开展其卸载路径下的强度、变形及蠕变试验，获得其蠕变本构与参数；而后考虑泡沫板的影响，开展冻结壁与井壁流变相互作用规律的理论解析分析与数值计算研究；最后通过大型相似模型试验，对研究成果进行验证与修正。通过本课题的研究，将能获得冻结壁流变变形、冻结壁对井壁作用力的增长规律，为特厚表土层中冻结壁基于流变变形控制原则开展设计、井壁设计荷载取值、井壁混凝土早期强度控制及安全性分析提供科学的理论依据，进而完善特厚表土层中冻结法凿井的设计方法与理论。

冻结壁与井壁的流变相互作用决定了冻结壁、井壁、冻结管的变形与安全，最终决定着冻结法凿井的成败。冻结凿井工程中，深部冻土具有漫长的固结历史与特殊工况，其基本力学特性及流变特性是影响冻结壁与井壁相互作用的关键因素。.首先，采用深部重塑黏土，基于“长时高压K0固结——侧向卸载（恒轴压）”模式，开展了黏土的卸载力学特性试验，并基于“长时高压K0固结——冻结——侧向卸载（恒轴压）”模式，开展了冻结黏土的三轴剪切强度及蠕变试验研究。研究结果表明：固结时间、固结应力对黏土固结过程的K0值具有重要影响；K0值随固结时间延长逐渐下降并趋于稳定；由于高压作用下黏土易压实，致使孔隙水压力更难消散，因而K0值随固结应力增加总体呈增大趋势。固结时间、固结应力对于黏土、冻结黏土的卸载剪切强度、土样破坏特征都有显著影响。固结应力越大，试样的卸载剪切强度越大；固结时间越长，试样的卸载剪切强度越大，脆性破坏性状越明显；试样的弹性模量也具有类似规律。冻结黏土在卸载应力路径下的蠕变特征显著；随着蠕变应力增大，冻土蠕变速率增大。通过研究，掌握了固结应力、固结时间等因素对黏土、冻结黏土的三轴剪切强度、变形特性、蠕变特性的影响规律。.其次，基于均质黏弹性冻结壁模型，考虑泡沫板的压缩特性，推导出了冻结壁变形压力的表达式。研究表明：泡沫板的存在显著地延缓了冻结壁变形压力的增长；对于稳定蠕变型冻结壁，还将有效地减小冻结壁变形压力的最终值；但对于非稳定蠕变型冻结壁，冻结壁变形压力的最终值基本不受泡沫板影响，将趋于和冻结壁水平外载相等。.而后，开展了冻结壁与井壁流变相互作用的数值模拟研究。结果表明：在没有壁间泡沫板的条件下，井壁浇筑后112h，冻结壁的变形压力将达水平地压的86.14%；泡沫板有助于冻结壁变形的释放，降低了冻结壁变形压力的增长；泡沫板弹性模量分别为0.421、2.4MPa时，相同时刻的冻结壁变形压力仅分别达到水平地压的33.1%、57.7%。.最后，开展了厚表土层中冻结壁与井壁相互作用的相似模型试验，研究获得了冻结壁井壁变形规律，以及冻结壁对井壁作用力的增长规律。.本项目研究掌握了长时高压K0固结黏土及冻结黏土的卸载强度与变形特性，获得了冻结壁流变变形、冻结壁对井壁作用力的增长规律，对于厚表土中冻结壁、井壁的设计及安全分析具有重要指导意义。.