目錄
前言
第1章 總論l
1.1凍結(jié)法鑿井應用概況l
1.1.1國外l
1.1.2國內(nèi)2
1.2人工凍結(jié)溫度場5
1.3凍土力學性質(zhì)6
1.4水分遷移與凍脹9
1.5凍結(jié)壁力學特性11
1.6凍結(jié)法鑿井井壁結(jié)構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合井壁15
1.6.3豎向可縮性復合井壁15
1.7我國深厚沖積層凍結(jié)法鑿井技術現(xiàn)狀16
1.7.1凍結(jié)方案與施工技術17
1.7.2凍結(jié)立井掘砌技術23
參考文獻25
第2章 深厚沖積層土質(zhì)物理特性31
2.1我國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)過程中的凍脹力64
參考文獻65
第3章 人工凍土力學特性66
3.1概述66
3.1.1凍土力學性質(zhì)特點66
3.1.2凍土的流變特性67
3.1.3凍土流變機理69
3.2人工凍土單軸抗壓強度69
3.2.1凍土抗壓強度與溫度70
3.2.2凍土抗壓強度與加載方式72
3.2.3凍土抗壓強度與土性74
3.2.4凍土抗壓強度與含水量77
3.2.5凍土抗壓強度與干密度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特性81
3.4.1人工凍土三軸抗剪強度81
3.4.2人工凍土三軸抗剪力學特性影響因素83
3.5人工凍土的蠕變特性88
3.5.1人工凍土蠕變試驗88
3.5.2人工凍土蠕變物理意義91
3.6人工凍土蠕變本構關系92
3.6.1維亞洛夫本構模型92
3.6.2西原本構模型92
3.6.3改進的西原模型93
3.6.4凍土的有限變形本構關系模型100
3.6.5人工凍土蠕變模型的識別與參數(shù)反演105
參考文獻111
第4章 深厚沖積層人工凍結(jié)壁溫度場113
4.1凍結(jié)壁溫度場分析理論基礎114
4.1.1單管凍結(jié)的溫度場理論解114
4.1.2直線單排管凍結(jié)壁溫度場理論解114
4.1.3環(huán)形多排孔凍結(jié)溫度場的數(shù)學模型115
4.2人工凍結(jié)壁溫度場形成規(guī)律試驗研究118
4.2.1凍結(jié)溫度場模型試驗相似準則118
4.2.2雙排管凍結(jié)溫度場物理模型試驗119
4.2.3多排管凍結(jié)溫度場物理模型試驗124
4.3多圈孔凍結(jié)壁溫度場數(shù)值分析138
4.3.1凍結(jié)溫度場數(shù)值模擬概述138
4.3.2深厚沖積層凍結(jié)壁溫度場數(shù)值模擬研究141
4.3.3朱集西礦副井凍結(jié)工程實例分析151
4.4多圈孔凍結(jié)壁溫度場分布規(guī)律實測研究160
參考文獻164
第5章 深厚沖積層凍結(jié)壁強度與穩(wěn)定性研究166
5.1現(xiàn)有人工凍結(jié)壁設計理論168
5.1.1軸對稱平面力學模型計算方法168
5.1.2軸對稱空間問題力學模型計算方法169
5.1.3數(shù)理統(tǒng)計法170
5.1.4根據(jù)測溫孔資料推算170
5.1.5現(xiàn)有凍結(jié)壁設計理論工程應用的對比計算171
5.1.6計算結(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計算模型及基本假設176
5.2.2凍結(jié)壁應力求解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202
第6章 凍結(jié)壁與外層井壁共同作用機理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)壓力的理論計算公式的評價211
6.2基于廣義開爾文模型的凍結(jié)壁和井壁共同作用解析解213
6.2.1力學模型213
6.2.2計算假設213
6.2.3外層土體位移場計算213
6.2.4凍結(jié)壁位移場的黏彈性求解214
6.2.5外層井壁位移場的彈性求解217
6.2.6凍結(jié)壓力求解217
6.2.7工程實例分析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凍土流變本構模型及其在ABAQUS中的實現(xiàn)219
6.3.2計算模型及參數(shù)231
6.3.3凍結(jié)溫度場模擬233
6.3.4井筒開挖模擬235
6.3.5井壁砌筑模擬237
參考文獻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井筒保護煤柱開采下井壁附加力的理論分析264
7.6溫度應力265
7.6.1井壁內(nèi)外溫差引起的自生溫度應力265
7.6.2井壁降溫引起的約束溫度應力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271
第8章 深厚沖積層凍結(jié)壓力實測研究273
8.1概述273
8.2凍結(jié)壓力監(jiān)測273
8.2.1監(jiān)測水平273
8.2.2元件布置275
8.2.3凍結(jié)壓力監(jiān)測結(jié)果及其分析275
8.2.4凍結(jié)壓力影響因素的灰色關聯(lián)分析286
8.2.5凍結(jié)壓力數(shù)學計算模型研究288
8.2.6計算結(jié)果比較分析292
參考文獻293
第9章 凍結(jié)井筒高強高性能鋼筋混凝土井壁研究與應用295
9.1高強高性能鋼筋混凝土井壁試驗研究296
9.1.1井壁模型設計296
9.1.2試驗加載裝置298
9.1.3試驗數(shù)據(jù)量測299
9.1.4試驗結(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本構關系308
9.2.2強度準則308
9.2.3理論分析309
9.3井壁承載力理論分析與實驗結(jié)果比較312
9.4井壁混凝土強度準則研究312
9.4.1典型混凝土強度準則313
9.4.2井壁結(jié)構混凝土強度準則313
9.5凍結(jié)井筒高強高性能鋼筋混凝土井壁工程應用研究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)構形式選擇318
9.5.4控制層位井壁厚度估算319
9.5.5高強高性能鋼筋混凝土井壁設計優(yōu)化320
9.5.6凍結(jié)井筒高強高性能混凝土的配制與工程應用325
參考文獻333
第10章 凍結(jié)井簡高強鋼筋混凝土預制弧板井壁研究335
10.1高強鋼筋混凝土預制弧板井壁接頭形式及墊層材料研究335
10.1.1高強鋼筋混凝土預制弧板井壁接頭形式335
10.1.2高強鋼筋混凝土預制弧板井壁接頭墊層材料336
10.2高強鋼筋混凝土預制弧板外壁試驗研究337
10.2.1高強鋼筋混凝土預制弧板外壁單體構件試驗337
10.2.2高強鋼筋混凝土預制弧板井壁整體結(jié)構試驗341
10.3預制弧板井壁接頭力學特性研究346
10.3.1預制弧板井壁接頭力學特性試驗研究346
10.3.2預制弧板井壁接頭力學特性理論分析364
10.3.3預制弧板井壁力學特性數(shù)值分析368
參考文獻379
第11章 凍結(jié)井豎向可縮性井壁結(jié)構的研究與應用380
11.1可縮性井壁結(jié)構工作原理和結(jié)構形式383
11.1.1可縮性井壁結(jié)構工作原理383
11.1.2可縮性井壁接頭結(jié)構形式384
11.2可縮性井壁設計原則及方法386
11.2.1可縮性井壁設計原則386
11.2.2可縮性井壁接頭簡化設計方法386
11.3疏水沉降地層條件下可縮性井壁的作用機理研究387
11.3.1有限元計算模型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特性模型試驗研究392
11.4.1模型試驗方案392
11.4.2模型試驗相似準則393
11.4.3井壁接頭模型尺寸394
11.4.4模型試驗測試方法394
11.4.5豎向加載試驗結(jié)果與分析394
11.4.6側(cè)向加載試驗結(jié)果與分析396
11.4.7三軸加載試驗結(jié)果與分析398
11.5可縮性井壁接頭力學特性數(shù)值模擬研究400
11.5.1數(shù)值計算模型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)值模擬和模型試驗結(jié)果對比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)場施工技術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用413
參考文獻414
第12章 深厚沖積層凍結(jié)法鑿井典型工程應用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456
參考文獻471
附表472