深厚冲积层冻结法凿井冻结压力时空效应表征

In order to research the basic theory of temporal and spatial effect of the frozen pressure in deep aluvium freezing shaft sinking, this paper reserches the thermodynamics property of deep clay layer according to the procedure of “high pressure consolidation-freezing” before tests, and analyses the impact of the factors such as temperature, moisture on the frozen soil frost heave coefficient, instantaneous strength and long-term strength, gives out a finite deformation constitutive relation of freezing soil considering frost heave deformation..Based on the deep alluvium mathematic model for coupled heat, moisture and stress field, the characteristics of temperature field formation and moisture field distribution and stress and strain properties of frozen soil are analyzed. On the basis of the interaction between the outer shaft lining and the frozen soil wall, the formula of the frozen pressure on the outer shaft lining is induced. And by physical model experiment, to correct the theory and numerical analysis results, discover how the freezing pressure of deep alluvium changed with depth and times. At last, finding out the freezing presure temporal and spatial effect of deep alluvium freezing wall act on outer shaft wall and the design expression, this paper affords a reliable theory foundation for the freezing shaft lining’s structural design.

针对深厚冲积层冻结法凿井冻结压力时空效应基础理论问题，采用理论分析、数值仿真、物理模拟等方法，研究深部粘土"高压固结、再冻结"热物理力学特性，分析温度、含水率等因素对冻土冻胀系数、冻土瞬时强度和长期强度的影响，建立考虑冻胀变形的冻土有限变形本构关系；基于深厚冲积层水、热、力三场耦合数学模型，数值分析冻结壁温度场形成规律、水分场分布和应力与变形特性等；采用理论分析方法，依据冻结壁与井壁共同作用的热力耦合理论模型，推导冻结压力解析表达式；通过物理模型试验，修正理论和数值分析结果，揭示深厚冲积层冻结压力随埋深和时间变化规律。从而获得深厚冲积层冻结壁作用于外层井壁的冻结压力时空效应表征及其设计计算公式，为冻结法凿井井壁结构设计提供可靠的理论依据。

针对深厚冲积层冻结法凿井冻结压力时空效应基础理论问题，通过优化传统的RBF神经网络，把变异系数引入模糊中心值和权值学习策略中，建立了深厚冲积层井壁冻结压力预测模型；结合深厚冲积层井壁冻结压力和钢筋混凝土井壁极限承载力模糊随机分析，得到了深厚冲积层高强钢筋混凝土外层井壁的模糊随机极限状态方程，应用改进后的中心点法推导出外层井壁结构模糊随机可靠性的解析区间，并提出了各主要变量对模糊随机可靠性的灵敏度区间模型；使用模糊蚁群算法对常用冻土蠕变模型的柔量参数进行随机反演，综合精度和复杂度，建立了双指标综合选优目标函数，最后给出了不同应力下的最优冻土蠕变模型。基于符合深井冻土蠕变特性的改进西原模型，利用ABAQUS软件的用户子程序接口，实现了该模型的UMAT开发，考虑土体冻结过程中的热-力耦合作用获得井筒开挖前土体冻胀应力分布规律，在此基础上，计算分析了深部冻结井的掘砌过程，考虑冻结壁与井壁共同作用，获得了作用于外层井壁的冻结压力发展变化规律，计算结果表明：土体埋深、冻结壁温度、土体冻胀率等因素均影响冻结压力的大小，在其他条件不变的情况下，当埋深由400 m增加到500m时，冻结压力增加21%；当冻结壁平均温度由-16℃降低至-18℃时，冻结压力减小10%；当土体冻胀率由2%增加到3%时，冻结压力增加3.8%。采用理论分析方法，根据冻结温度场与冻土物理力学参数的线性关系，将冻结壁等效为材料性质沿着半径变化的功能梯度材料，考虑冻结壁与周围土体的共同作用以及冻土的流变特性，推导出非均质冻结壁的应力计算公式及其承载力计算公式；并在冻土单轴蠕变试验基础上，采用广义开尔文流变模型，以及弹性－黏弹性对应原理，建立了冻结壁位移场黏弹性方程。通过物理模型试验，对理论和数值分析结果进行了修正。上述研究成果为深厚冲积层冻结法施工的冻结壁和井壁结构设计提供了可靠的理论依据。