多圈管冻结过程中含水砂层内水热力耦合作用规律研究

发布时间：2021-06-16 00:13

　　立井开凿是开发深厚土层下固体矿物资源所面临的首道技术难关。冻结法是深厚土层中最主要的凿井方法。因人工冻结深厚饱和含水砂层所产生的冻胀力已导致十余起井壁破裂、冻结管断裂等重大工程灾害,但缺乏系统、深入的研究。为获得冻胀力的变化规律和数值,本文综合采用理论分析、数值模拟和物理试验方法,开展了多圈管冻结条件下饱和含水砂层内水-热-力三场耦合作用规律研究。首先,分析了实际多圈管冻结过程中冻结区和未冻结区的水-热-力耦合作用特点,建立了多层圆筒水、热、力耦合作用基本模型;导出了基于水-热-力耦合作用的多圈管冻结条件下饱和含水砂层中孔隙水压和冻胀力的积分型计算公式;在轴对称平面应变条件下,针对基本模型,采用理论分析方法,分别获得了冻结纯水和冻结含水饱和砂土过程中冻胀力和水压的演化规律,以及各参数的影响规律。其次,针对多层圆筒水-热-力耦合作用基本模型,编制了能模拟多圈管冻结饱和含水砂层过程中水-热-力耦合作用的ANSYS二次开发程序;利用ANSYS有限元计算软件包,通过大量数值计算,分别获得了冻结纯水和冻结饱和含水砂层过程中温度、水压和冻胀力的变化规律和数值。第三,针对多层圆筒水-热-力耦合作用基... 

【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：192 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

单圈管冻结地层示意图

冻结管外表面的温度边界条件，以及冻结锋面上的热平衡条件。对于这样一个数学模型，从理论上求解非常困难，一般情况下利用数值计算即可获得较高精度的解。周晓敏等[25]研究了单圈管冻结温度场，得到了主面和界面的温度场发展规律，见图 1-2 和图1-3[25]。图 1-1 单圈管冻结地层示意图Figure 1-1 Schematic Map of Frozen Ground with Single Ring Pipe

得到了主面和界面的温度场发展规律，见图 1-2 和图1-3[25]。图 1-1 单圈管冻结地层示意图Figure 1-1 Schematic Map of Frozen Ground with Single Ring Pipe图 1-2 主面温度场发展曲线Figure 1-2 Development Curve of TemperatureField at Main Surface of Ground Freezing图 1-3 界面温度场发展曲线Figure 1-3 Development Curve of TemperatureField at Interface Surface of Ground Freezing随着深度增加，单圈管冻结地层形成的冻结壁厚度及其平均温度不能满足抵抗更高水土压力的要求。为此，采用两圈、三圈甚至四圈管冻结地层以得到厚度更大、平均温度更低（强度更高）的冻结壁。多圈管冻结温度场无法求出解析解，只能通过数值计算、物理模拟与现场实测三种方法开展研究。常见的双圈管冻结温度场的变化曲线见图


本文编号：3231978