考虑井帮收敛的深井冻结壁塑性设计研究_张博.pdf
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1、:收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(,);新疆兵团科技计划项目();博士科研启动基金项目()作者简介:张 博(),男,安徽宿州人,博士,主要从事人工地层冻结技术与理论研究,:。引用格式:张 博,蒋 成,李栋伟 考虑井帮收敛的深井冻结壁塑性设计研究 煤炭工程,():考虑井帮收敛的深井冻结壁塑性设计研究张 博,蒋 成,李栋伟(东华理工大学 土木与建筑工程学院,江西 南昌;中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州)摘 要:合理的冻结壁设计是冻结法成功的前提。为了研究井帮位移收敛量对冻结壁厚度设计的影响,采用柱形孔收缩理论,推导出塑性冻结壁和弹塑性未冻地层力学模型的应
2、力、位移完全形式解,建立冻结壁厚度塑性计算公式;采用两种计算公式和数值模拟方法研究工程案例,并验证新公式的正确性;分析了水平地压、冻土的黏聚力与内摩擦角、未冻土的弹性模量与泊松比、未冻土的黏聚力与内摩擦角等参数对井帮变形和冻结壁厚度的影响规律。结果表明:对于完全塑性冻结壁、弹性地层力学模型,考虑井帮位移收敛影响与否,深处冻结壁厚度相差约 ,井帮变形量约 ;在预测千米表土立井井帮变形方面,新计算式具有一定的理论意义与实用价值。关键词:人工地层冻结;冻结壁;位移收敛;塑性;厚度设计;柱孔收缩 中图分类号:;文献标识码:文章编号:(),(,;,):,:;我国大量煤炭资源被深厚不稳定冲积层、松软含水基
3、岩等复杂地层所覆盖;一般地,首选冻结法施工井筒通过复杂地层开采煤炭资源。冻结法凿井成功的基本前提是冻结壁的合理设计,首要攻克之难题是冻结壁厚度设计,。拉梅公式、古别拉公式、多姆克公式、里别尔曼公式、维亚洛夫扎列茨基公式等被广泛用于计算浅于 表土层的冻结壁厚度;对深于 的冻结壁厚度计算公式尚存争议,研究人员主要采用模拟试验、数值计算,结合现场经验设计冻结壁。目前,冻结表土层深度达到 。冻结壁设计难度随着表土层厚度增加而不断增大,完善 表土层冻结壁厚第卷第期 煤 炭 工 程 ,度设计尤为必要。考虑冻土的流变特性,杨平理论推导出有限段高冻结壁的变形公式,陈湘生提出了有限段高深冻结壁时空设计理论及公式
4、,钟贵荣等建立了非均质冻结壁平面应变力学模型及位移半解析表达式。基于理想塑性假设及 屈服准则,考虑与未冻地层的相互作用及初始地应力场,杨维好等推导出冻结壁轴对称平面应变力学模型的解析解,并建立 冻结壁厚度计算公式。李功洲等探索与完善了 冲积层“冻结壁厚度掘砌段高平均温度计算参数”四位一体的冻结设计计算体系。管华栋与周晓敏基于“包神”公式,开展了冻结壁弹塑性力学模型研究。王彬等视冻结壁为抛物线型非均质材料,以应力传递系数反映开挖卸载,建立冻结壁与周围土体相互作用力学模型。综上,文献给出的塑性公式未考虑到井帮位移收敛值的影响。对忽略井帮收敛量影响的深井冻结壁,需削帮获得井壁施工净空间;厚度削减威胁
5、冻结壁的稳定性,故需校正厚度设计值。基于初始塑性半径假设,文献报道了忽略塑性区弹性应变的冻结壁厚度与井帮位移的有限变形塑性计算式。本文采用柱形孔收缩理论,建立一种考虑井帮收敛影响的开挖半径和 冻结壁厚度塑性计算方法。力学模型基于与地层相互作用的塑性冻结壁模型,考虑井帮收敛影响的力学模型如图 所示。图()为待挖状态的冻结壁和地层模型,冻结壁内、外缘半径分别为、(皆是未知量);图()为立井开挖后,当前状态的冻结壁和地层模型;无限大地层外缘受均布水平地压 的作用。基本假设)立井开挖后,冻结壁完全进入塑性状态,部分未冻地层进入塑性状态。)弹性参数不随变形过程而变化。冻结壁的弹性模量和泊松比分别为 和;
6、未冻地层的弹性模量和泊松比分别为 和。冻土和未冻土皆是均质、连续材料。)冻结壁(冻土)和未冻地层(未冻土)呈轴对称平面应变布置。)地层冻结前后,保持均匀初始地应力场不变图 力学模型(即不考虑冻胀和热胀冷缩的影响)。边界条件如图()所示,当前状态下,冻结壁的内、外半径分别为、,未冻地层内塑性区外半径为,地层外半径为。冻结壁外半径与塑性区外半径处的作用力分别为、。模型的边界及联系条件如下:井帮处应力为,即:()冻结壁外缘应力、位移连续条件为:()()塑性半径处应力、位移连续条件为:()()()未冻地层无限远处的应力、位移条件为:()()式中,上标“”和“”表示“弹性”和“塑性”;下标“”和“”表示
7、“冻结壁”和“未冻地层”,下标“”和“”表示径向和环向。以、和 分别表示应力、位移和应变。力学模型的解 基本方程平衡微分方程为:()式中,“”“”表示冻结壁,“”“”表示未冻地层,下同。考虑初始地应力的应力应变方程为:设计技术 煤 炭 工 程 年第 期()()()()()()()式中,()为剪切模量;表示弹性模量;表示泊松比。小应变几何方程为:()塑性区的应力满足 屈服准则,即:()式中,()();为内摩擦角,();();为 黏 聚力,。塑性势函数为:()式中,()();为剪胀角,()。根据塑性势函数(),求得塑性应变为:()式中,为塑性因子。根据式()得:()一般地,总应变等于弹性应变与塑性
8、应变之和,表达式为:()冻结壁的应力、位移解将式()代入式(),结合式(),求得冻结壁的应力解为:()()式中,。联合式()()、式()(),求得冻结壁的位移为:()式中,为积分常数,由式()确定;,(),()()(),()()()()。未冻地层塑性区的应力、位移解联合式()()(),求得未冻地层塑性区的应力解为:()式中,。联合式()()、式()()(),求得未冻地层塑性区的位移为:()式中,为积分常数,由式()确定;,(),()()()(),()()()。未冻地层弹性区的应力、位移解联合()()、边界条件式()和(),求得未冻地层弹性区的应力、位移为:()()()()积分常数与其他参量的确
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