目錄
前言
第1章 總論l
1.1凍結(jié)法鑿井應(yīng)用概況l
1.1.1國(guó)外l
1.1.2國(guó)內(nèi)2
1.2人工凍結(jié)溫度場(chǎng)5
1.3凍土力學(xué)性質(zhì)6
1.4水分遷移與凍脹9
1.5凍結(jié)壁力學(xué)特性11
1.6凍結(jié)法鑿井井壁結(jié)構(gòu)13
1.6.1鋼筋混凝土井壁14
1.6.2塑料夾層雙層鋼筋混凝土復(fù)合井壁15
1.6.3豎向可縮性復(fù)合井壁15
1.7我國(guó)深厚沖積層凍結(jié)法鑿井技術(shù)現(xiàn)狀16
1.7.1凍結(jié)方案與施工技術(shù)17
1.7.2凍結(jié)立井掘砌技術(shù)23
參考文獻(xiàn)25
第2章 深厚沖積層土質(zhì)物理特性31
2.1我國(guó)第四系松散層分布概況31
2.1.1青藏高原地區(qū)31
2.1.2西北地區(qū)31
2.1.3南方地區(qū)31
2.1.4東北地區(qū)31
2.1.5北方地區(qū)32
2.1.6華北地區(qū)32
2.2華北平原煤田深厚沖積層分布與特征36
2.3黃淮地區(qū)沖積層物理性質(zhì)37
2.3.1松散土的顆粒成分及分類37
2.3.2松散土的黏土礦物成分38
2.3.3密度與孔隙比38
2.3.4松散土層的含水量39
2.3.5膨脹性與崩解性42
2.4凍土的基本成分與形成43
2.4.1凍土的基本成分43
2.4.2凍土的形成46
2.5凍土的熱物理特性49
2.5.1土的凍結(jié)溫度49
2.5.2質(zhì)量比熱容和容積熱容量54
2.6人工凍土凍脹特性及主要影響因素59
2.6.1土分散性60
2.6.2土顆粒礦物成分60
2.6.3土含水量60
2.6.4溫度、干密度62
2.6.5凍結(jié)過(guò)程中的凍脹力64
參考文獻(xiàn)65
第3章 人工凍土力學(xué)特性66
3.1概述66
3.1.1凍土力學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)66
3.1.2凍土的流變特性67
3.1.3凍土流變機(jī)理69
3.2人工凍土單軸抗壓強(qiáng)度69
3.2.1凍土抗壓強(qiáng)度與溫度70
3.2.2凍土抗壓強(qiáng)度與加載方式72
3.2.3凍土抗壓強(qiáng)度與土性74
3.2.4凍土抗壓強(qiáng)度與含水量77
3.2.5凍土抗壓強(qiáng)度與干密度77
3.3人工凍土的彈性模量與泊松比79
3.3.1凍土的彈性模量79
3.3.2凍土泊松比80
3.4人工凍土三軸抗剪力學(xué)特性81
3.4.1人工凍土三軸抗剪強(qiáng)度81
3.4.2人工凍土三軸抗剪力學(xué)特性影響因素83
3.5人工凍土的蠕變特性88
3.5.1人工凍土蠕變?cè)囼?yàn)88
3.5.2人工凍土蠕變物理意義91
3.6人工凍土蠕變本構(gòu)關(guān)系92
3.6.1維亞洛夫本構(gòu)模型92
3.6.2西原本構(gòu)模型92
3.6.3改進(jìn)的西原模型93
3.6.4凍土的有限變形本構(gòu)關(guān)系模型100
3.6.5人工凍土蠕變模型的識(shí)別與參數(shù)反演105
參考文獻(xiàn)111
第4章 深厚沖積層人工凍結(jié)壁溫度場(chǎng)113
4.1凍結(jié)壁溫度場(chǎng)分析理論基礎(chǔ)114
4.1.1單管凍結(jié)的溫度場(chǎng)理論解114
4.1.2直線單排管凍結(jié)壁溫度場(chǎng)理論解114
4.1.3環(huán)形多排孔凍結(jié)溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型115
4.2人工凍結(jié)壁溫度場(chǎng)形成規(guī)律試驗(yàn)研究118
4.2.1凍結(jié)溫度場(chǎng)模型試驗(yàn)相似準(zhǔn)則118
4.2.2雙排管凍結(jié)溫度場(chǎng)物理模型試驗(yàn)119
4.2.3多排管凍結(jié)溫度場(chǎng)物理模型試驗(yàn)124
4.3多圈孔凍結(jié)壁溫度場(chǎng)數(shù)值分析138
4.3.1凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬概述138
4.3.2深厚沖積層凍結(jié)壁溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究141
4.3.3朱集西礦副井凍結(jié)工程實(shí)例分析151
4.4多圈孔凍結(jié)壁溫度場(chǎng)分布規(guī)律實(shí)測(cè)研究160
參考文獻(xiàn)164
第5章 深厚沖積層凍結(jié)壁強(qiáng)度與穩(wěn)定性研究166
5.1現(xiàn)有人工凍結(jié)壁設(shè)計(jì)理論168
5.1.1軸對(duì)稱平面力學(xué)模型計(jì)算方法168
5.1.2軸對(duì)稱空間問(wèn)題力學(xué)模型計(jì)算方法169
5.1.3數(shù)理統(tǒng)計(jì)法170
5.1.4根據(jù)測(cè)溫孔資料推算170
5.1.5現(xiàn)有凍結(jié)壁設(shè)計(jì)理論工程應(yīng)用的對(duì)比計(jì)算171
5.1.6計(jì)算結(jié)果分析173
5.2非均質(zhì)凍結(jié)壁的彈塑性穩(wěn)定性分析176
5.2.1計(jì)算模型及基本假設(shè)176
5.2.2凍結(jié)壁應(yīng)力求解177
5.2.3工程算例179
5.3凍結(jié)壁的黏彈塑性穩(wěn)定性分析181
5.3.1凍結(jié)壁的力學(xué)模型182
5.3.2凍結(jié)壁的黏彈塑性分析183
5.3.3凍結(jié)壁穩(wěn)定性計(jì)算186
5.4凍結(jié)壁有限變形有限元分析187
5.4.1凍土黏彈性有限變形有限元格式187
5.4.2凍結(jié)壁變形特性數(shù)值分析190
參考文獻(xiàn)202
第6章 凍結(jié)壁與外層井壁共同作用機(jī)理204
6.1基于維亞洛夫公式的凍結(jié)壁和井壁共同作用理論解205
6.1.1力學(xué)模型205
6.1.2外圍土體的彈性分析205
6.1.3凍結(jié)壁的黏彈性分析206
6.1.4外層井壁的彈性分析209
6.1.5凍結(jié)壓力的理論計(jì)算公式的評(píng)價(jià)211
6.2基于廣義開(kāi)爾文模型的凍結(jié)壁和井壁共同作用解析解213
6.2.1力學(xué)模型213
6.2.2計(jì)算假設(shè)213
6.2.3外層土體位移場(chǎng)計(jì)算213
6.2.4凍結(jié)壁位移場(chǎng)的黏彈性求解214
6.2.5外層井壁位移場(chǎng)的彈性求解217
6.2.6凍結(jié)壓力求解217
6.2.7工程實(shí)例分析218
6.3凍結(jié)壁與外層井壁共同作用有限元分析219
6.3.1凍土流變本構(gòu)模型及其在ABAQUS中的實(shí)現(xiàn)219
6.3.2計(jì)算模型及參數(shù)231
6.3.3凍結(jié)溫度場(chǎng)模擬233
6.3.4井筒開(kāi)挖模擬235
6.3.5井壁砌筑模擬237
參考文獻(xiàn)241
第7章 凍結(jié)井壁外荷載243
7.1凍結(jié)井壁外荷載分類244
7.2井壁自重244
7.3水平地壓244
7.3.1普氏地壓公式244
7.3.2秦氏地壓公式245
7.3.3索氏地壓公式（懸浮體地壓公式）246
7.3.4重液地壓公式246
7.3.5圓筒形擋土墻地壓公式246
7.3.6夾心墻地壓公式247
7.4水壓力247
7.5豎向附加力248
7.5.1疏水沉降地層中井壁附加力的理論分析248
7.5.2凍結(jié)壁解凍期井壁附加力的理論分析254
7.5.3井筒保護(hù)煤柱開(kāi)采下井壁附加力的理論分析264
7.6溫度應(yīng)力265
7.6.1井壁內(nèi)外溫差引起的自生溫度應(yīng)力265
7.6.2井壁降溫引起的約束溫度應(yīng)力266
7.7凍結(jié)壓力268
7.7.1凍結(jié)壓力的形成及影響因素268
7.7.2凍結(jié)壓力的經(jīng)驗(yàn)公式268
7.8其他荷載270
7.8.1不均勻壓力270
7.8.2外層井壁吊掛力271
7.8.3注漿壓力271
參考文獻(xiàn)271
第8章 深厚沖積層凍結(jié)壓力實(shí)測(cè)研究273
8.1概述273
8.2凍結(jié)壓力監(jiān)測(cè)273
8.2.1監(jiān)測(cè)水平273
8.2.2元件布置275
8.2.3凍結(jié)壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果及其分析275
8.2.4凍結(jié)壓力影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析286
8.2.5凍結(jié)壓力數(shù)學(xué)計(jì)算模型研究288
8.2.6計(jì)算結(jié)果比較分析292
參考文獻(xiàn)293
第9章 凍結(jié)井筒高強(qiáng)高性能鋼筋混凝土井壁研究與應(yīng)用295
9.1高強(qiáng)高性能鋼筋混凝土井壁試驗(yàn)研究296
9.1.1井壁模型設(shè)計(jì)296
9.1.2試驗(yàn)加載裝置298
9.1.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)量測(cè)299
9.1.4試驗(yàn)結(jié)果及其分析300
9.2井壁極限承載力的理論分析307
9.2.1本構(gòu)關(guān)系308
9.2.2強(qiáng)度準(zhǔn)則308
9.2.3理論分析309
9.3井壁承載力理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較312
9.4井壁混凝土強(qiáng)度準(zhǔn)則研究312
9.4.1典型混凝土強(qiáng)度準(zhǔn)則313
9.4.2井壁結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度準(zhǔn)則313
9.5凍結(jié)井筒高強(qiáng)高性能鋼筋混凝土井壁工程應(yīng)用研究316
9.5.1工程概況316
9.5.2井筒工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征316
9.5.3井壁結(jié)構(gòu)形式選擇318
9.5.4控制層位井壁厚度估算319
9.5.5高強(qiáng)高性能鋼筋混凝土井壁設(shè)計(jì)優(yōu)化320
9.5.6凍結(jié)井筒高強(qiáng)高性能混凝土的配制與工程應(yīng)用325
參考文獻(xiàn)333
第10章 凍結(jié)井簡(jiǎn)高強(qiáng)鋼筋混凝土預(yù)制弧板井壁研究335
10.1高強(qiáng)鋼筋混凝土預(yù)制弧板井壁接頭形式及墊層材料研究335
10.1.1高強(qiáng)鋼筋混凝土預(yù)制弧板井壁接頭形式335
10.1.2高強(qiáng)鋼筋混凝土預(yù)制弧板井壁接頭墊層材料336
10.2高強(qiáng)鋼筋混凝土預(yù)制弧板外壁試驗(yàn)研究337
10.2.1高強(qiáng)鋼筋混凝土預(yù)制弧板外壁單體構(gòu)件試驗(yàn)337
10.2.2高強(qiáng)鋼筋混凝土預(yù)制弧板井壁整體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)341
10.3預(yù)制弧板井壁接頭力學(xué)特性研究346
10.3.1預(yù)制弧板井壁接頭力學(xué)特性試驗(yàn)研究346
10.3.2預(yù)制弧板井壁接頭力學(xué)特性理論分析364
10.3.3預(yù)制弧板井壁力學(xué)特性數(shù)值分析368
參考文獻(xiàn)379
第11章 凍結(jié)井豎向可縮性井壁結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用380
11.1可縮性井壁結(jié)構(gòu)工作原理和結(jié)構(gòu)形式383
11.1.1可縮性井壁結(jié)構(gòu)工作原理383
11.1.2可縮性井壁接頭結(jié)構(gòu)形式384
11.2可縮性井壁設(shè)計(jì)原則及方法386
11.2.1可縮性井壁設(shè)計(jì)原則386
11.2.2可縮性井壁接頭簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法386
11.3疏水沉降地層條件下可縮性井壁的作用機(jī)理研究387
11.3.1有限元計(jì)算模型387
11.3.2地層疏水固結(jié)的等效處理388
11.3.3工況模擬389
11.3.4豎向剛性井壁與地層共同作用分析389
11.3.5豎向可縮性井壁與地層共同作用分析390
11.4可縮性井壁接頭力學(xué)特性模型試驗(yàn)研究392
11.4.1模型試驗(yàn)方案392
11.4.2模型試驗(yàn)相似準(zhǔn)則393
11.4.3井壁接頭模型尺寸394
11.4.4模型試驗(yàn)測(cè)試方法394
11.4.5豎向加載試驗(yàn)結(jié)果與分析394
11.4.6側(cè)向加載試驗(yàn)結(jié)果與分析396
11.4.7三軸加載試驗(yàn)結(jié)果與分析398
11.5可縮性井壁接頭力學(xué)特性數(shù)值模擬研究400
11.5.1數(shù)值計(jì)算模型400
11.5.2荷載及邊界條件401
11.5.3豎向承載力分析結(jié)果401
11.5.4水平承載力分析結(jié)果402
11.5.5數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比403
11.6可縮性井壁接頭豎向穩(wěn)定性數(shù)鋪擬釀404
11.6.1穩(wěn)定性分析的概念404
11.6.2穩(wěn)定性分析的類型404
11.6.3可縮性井壁接頭的特征值屈曲分析405
11.6.4豎向可縮性井壁接頭的非線性屈曲分析406
11.7可縮性井壁接頭的現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)408
11.7.1井壁接頭地面焊接408
11.7.2井壁接頭井下施工410
11.7.3施工安全技術(shù)措施412
11.7.4井壁接頭施工效果413
11.8可縮性井壁的推廣應(yīng)用413
參考文獻(xiàn)414
第12章 深厚沖積層凍結(jié)法鑿井典型工程應(yīng)用415
12.1丁集礦凍結(jié)法鑿井工程415
12.1.1工程概況415
12.1.2工程地質(zhì)與水文地質(zhì)415
12.1.3凍結(jié)方案416
12.1.4凍結(jié)孔施工418
12.1.5凍結(jié)制冷控制419
12.1.6井壁結(jié)構(gòu)方案427
12.1.7凍結(jié)段掘砌施工428
12.1.8井壁內(nèi)外力監(jiān)測(cè)430
12.2口孜東礦凍結(jié)法餅工程441
12.2.1工程概況441
12.2.2工程地質(zhì)與水文地質(zhì)441
12.2.3凍結(jié)方案442
12.24凍結(jié)孔施工445
12.2.5凍結(jié)制冷控制445
12.2.6井壁結(jié)構(gòu)方案450
12.2.7凍結(jié)段掘砌施工451
12.2.8井壁內(nèi)外力監(jiān)測(cè)456
參考文獻(xiàn)471
附表472