人工多圈管冻结壁形成过程的水热力耦合研究

冻结壁强度和稳定性是深井冻结法凿井的核心问题，确定冻结壁的强度和稳定性又要基于掌握冻结壁形成过程中的水热力耦合研究，与单圈管相比多圈管冻结壁形成规律复杂，尤其是相邻两圈管之间地层的水分迁移特性、冻胀应力场的形成与作用规律及其对冻结壁力学性能的影响。课题拟通过模型试验、现场实测、理论分析和数值模拟的方法研究获得：（1）土体在冻结过程中的热物理参数、力学参数的变化规律；（2）水分场对冻结温度场和冻胀应力场的影响规律；（3）冻胀应力场对水分场和冻结温度场的影响规律；（4）多圈管冻结壁形成过程中，温度场、水分场和冻胀应力场的分布规律及相互作用机理，基于试验结果提出水热力耦合数学模型；（5）基于飞箭有限元开发平台，研发水热力耦合数值模拟软件；（6）提出多圈管冻结方案优化设计方法及冻胀力控制措施。.课题研究对推进冻结法技术进步有重要的理论意义，对优化多圈管冻结方案和冻胀应力控制具有重大工程实践意义。

采用固结、低温冻结和径向卸载的三轴剪切试验方法，模拟深部人工冻黏土冻结井筒开挖卸荷力学过程。通过试验获得：当偏应力不大时人工冻土应力–应变呈直线，当偏应力水平较大时应力–应变呈明显的非线性，表明人工冻黏土为塑性岩土材料；高围压卸载人工冻土满足改进的Zienkiewicz-Pande抛物线型屈服准则，低围压卸载应力下人工冻土剪切屈服面可以选Mohr-Coulomb屈服函数。.人工冻黏土三轴卸载蠕变试验结果表明：当偏应力水平较低时只发生第Ⅰ和第Ⅱ阶段的蠕变变形，且蠕变变形占总变形量的70％以上；当偏应力水平高于某一临界值时出现蠕变第Ⅲ阶段，冻土发生较大的塑性流动，一般历时3～5小时试件破坏，且蠕变变形量占总变形量的80％以上；且发生第Ⅲ阶段临界应力值可以用改进的Zienkiewicz-Pande抛物线型屈服准则来描述。.基于人工冻土三轴蠕变和剪切试验结果，应用黏弹塑性力学、热力学和岩土损伤力学原理，推导获得人工冻黏土黏塑塑性损伤变量及损伤演化规律，采用改进的Zienkiewicz-Pande抛物线型屈服准则替代线性牛顿体，获得了卸载应力路径下的人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型，并推导出用于数值计算黏弹性和黏塑性损伤耦合柔度矩阵。在Compaq Visual Fortran6.6A环境下编写了人工冻土蠕变损伤耦合本构有限元程序；通过用户子程序方法嵌入到非线性有限元软件ADINA中。通过数值模拟和试验获得人工冻土在卸载应力路径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4.8％，表明用改进的Zienkiewicz-Pande抛物线屈服面屈服准则构造的非线性牛顿体表示的黏弹塑损伤耦合本构模型来描述人工冻土蠕变本构是合理的。.对深厚冲积层冻结法凿井过程中的温度场、井壁内力和井筒开挖过程的位移场进行现场实测，并获得了相应的变化规律。根据工程条件确定冻结壁空间温度场，采用人工冻土黏弹塑损伤耦合本构模型，同时考虑冻结井筒开挖动态施工力学过程，利用ADINA非线性有限元分析软件进行深井冻结壁温度场、应力场和位移场耦合分析，得到冻结井筒开挖过程中工作面位移分布和应力场分布规律，并且和实测规律一致。.基于统计损伤理论的人工冻土蠕变本构模型，克服了元件模型只能描述线性蠕变特性的缺陷，且本构模型通过简单试验获取计算参数，模型具有参数少，易于确定等优点。