《特厚表土層中凍結壁與井壁的流變相互作用規律研究》是依託中國礦業大學，由王衍森擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：特厚表土層中凍結壁與井壁的流變相互作用規律研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王衍森
- 依託單位：中國礦業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
凍結壁與井壁的安全是特厚表土層中凍結法鑿井成敗的關鍵。凍結壁與井壁之間的流變相互作用決定了凍結管、凍結壁與井壁的變形與安全。凍結法鑿井的特殊工況下，深部人工凍土的基本力學特性與流變特性是影響凍結壁與井壁流變相互作用的最關鍵因素。課題針對深部凍土形成歷史與特殊工況，首先基於先長時高壓固結、後凍結、再卸載的新試驗模式，針對不同固結齡期的凍粘土，開展其卸載路徑下的強度、變形及蠕變試驗，獲得其蠕變本構與參數；而後考慮泡沫板的影響，開展凍結壁與井壁流變相互作用規律的理論解析分析與數值計算研究；最後通過大型相似模型試驗，對研究成果進行驗證與修正。通過本課題的研究，將能獲得凍結壁流變變形、凍結壁對井壁作用力的增長規律，為特厚表土層中凍結壁基於流變變形控制原則開展設計、井壁設計荷載取值、井壁混凝土早期強度控制及安全性分析提供科學的理論依據，進而完善特厚表土層中凍結法鑿井的設計方法與理論。
結題摘要
凍結壁與井壁的流變相互作用決定了凍結壁、井壁、凍結管的變形與安全，最終決定著凍結法鑿井的成敗。凍結鑿井工程中，深部凍土具有漫長的固結歷史與特殊工況，其基本力學特性及流變特性是影響凍結壁與井壁相互作用的關鍵因素。 首先，採用深部重塑黏土，基於“長時高壓K0固結——側向卸載（恆軸壓）”模式，開展了黏土的卸載力學特性試驗，並基於“長時高壓K0固結——凍結——側向卸載（恆軸壓）”模式，開展了凍結黏土的三軸剪下強度及蠕變試驗研究。研究結果表明：固結時間、固結應力對黏土固結過程的K0值具有重要影響；K0值隨固結時間延長逐漸下降並趨於穩定；由於高壓作用下黏土易壓實，致使孔隙水壓力更難消散，因而K0值隨固結應力增加總體呈增大趨勢。固結時間、固結應力對於黏土、凍結黏土的卸載剪下強度、土樣破壞特徵都有顯著影響。固結應力越大，試樣的卸載剪下強度越大；固結時間越長，試樣的卸載剪下強度越大，脆性破壞性狀越明顯；試樣的彈性模量也具有類似規律。凍結黏土在卸載應力路徑下的蠕變特徵顯著；隨著蠕變應力增大，凍土蠕變速率增大。通過研究，掌握了固結應力、固結時間等因素對黏土、凍結黏土的三軸剪下強度、變形特性、蠕變特性的影響規律。 其次，基於均質黏彈性凍結壁模型，考慮泡沫板的壓縮特性，推導出了凍結壁變形壓力的表達式。研究表明：泡沫板的存在顯著地延緩了凍結壁變形壓力的增長；對於穩定蠕變型凍結壁，還將有效地減小凍結壁變形壓力的最終值；但對於非穩定蠕變型凍結壁，凍結壁變形壓力的最終值基本不受泡沫板影響，將趨於和凍結壁水平外載相等。 而後，開展了凍結壁與井壁流變相互作用的數值模擬研究。結果表明：在沒有壁間泡沫板的條件下，井壁澆築後112h，凍結壁的變形壓力將達水平地壓的86.14%；泡沫板有助於凍結壁變形的釋放，降低了凍結壁變形壓力的增長；泡沫板彈性模量分別為0.421、2.4MPa時，相同時刻的凍結壁變形壓力僅分別達到水平地壓的33.1%、57.7%。 最後，開展了厚表土層中凍結壁與井壁相互作用的相似模型試驗，研究獲得了凍結壁井壁變形規律，以及凍結壁對井壁作用力的增長規律。 本項目研究掌握了長時高壓K0固結黏土及凍結黏土的卸載強度與變形特性，獲得了凍結壁流變變形、凍結壁對井壁作用力的增長規律，對於厚表土中凍結壁、井壁的設計及安全分析具有重要指導意義。
