深部復合土層有載凍結(jié)水熱力耦合作用試驗研究.pdf

1、凍結(jié)壁設計及其安全穩(wěn)定性分析是深厚表土層中凍結(jié)法鑿井的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其前提是掌握凍結(jié)壁的力學特性，而研究凍結(jié)壁的形成過程是掌握其力學特性的基礎(chǔ)。凍結(jié)壁的形成是溫度場、水分場、應力場耦合作用的過程，該過程直接影響著井壁內(nèi)外部初始應力、應變狀態(tài)乃至變形能的分布，進而影響井筒開挖過程中凍結(jié)壁的力學響應；同時，考慮到巖土性質(zhì)的變化，當凍結(jié)壁由多種復合土層構(gòu)成時，深部高壓條件下凍脹性的差異，也將對不同層位處凍結(jié)壁的力學特性造成影響。鑒于此，本文通過有

2、載凍結(jié)模型試驗，對復合土層凍結(jié)壁形成過程中溫度場、水分場、應力場的耦合作用規(guī)律展開研究。
　　首先，根據(jù)試驗目的研制出深部復合土層凍結(jié)水熱力耦合作用試驗系統(tǒng)；在考慮剛度效應的基礎(chǔ)上開展壓力盒在土介質(zhì)中的標定工作，并對液壓標定結(jié)果進行了修正；水分傳感器的標定則分別考慮了土體性質(zhì)及環(huán)境溫度的影響，使標定結(jié)果具有更加可靠。
　　其次，開展單面凍結(jié)模式下復合土層有載凍結(jié)水熱力耦合作用試驗研究，結(jié)果表明：凍結(jié)壁厚度與凍結(jié)時間呈二次函數(shù)

3、關(guān)系，凍結(jié)壁擴展速度隨凍結(jié)時間的增長而變慢，相同條件下砂土層凍結(jié)速度最快，黏土與粉土相對較慢；各土層土體結(jié)冰前含水率隨溫度降低而增大，結(jié)冰后不同土層含水率隨溫度降低減少速率不同，其中砂土層減少速度最快，粉土層次之，黏土層最慢；凍結(jié)過程中，相同土層土體凍脹壓力隨凍結(jié)時間及固結(jié)壓力的增大而增大；凍結(jié)穩(wěn)定后，相同土層土壓力隨距凍結(jié)板距離的增大而增大，不同土層距凍結(jié)板相同位置處，砂土層凍脹力最大，黏土次之，粉土層最小。
　　最后，開展雙面

4、凍結(jié)模式下復合土層凍結(jié)水熱力耦合試驗研究，并將試驗結(jié)果與單面凍結(jié)試驗結(jié)果對比分析，結(jié)果表明：與單面凍結(jié)相比，雙面凍結(jié)模式土體凍結(jié)速度更快，凍結(jié)穩(wěn)定時各土層平均溫度大大降低；相同土層土體凍脹壓力隨固結(jié)壓力的增大而增大，但凍脹壓力與初始固結(jié)壓力的比值隨固結(jié)壓力的增大而減?。粌鼋Y(jié)穩(wěn)定后，相同土層土壓力分布呈中間大兩端小的規(guī)律；固結(jié)壓力為1 MPa時，雙面凍結(jié)黏土層、砂土層、粉土層徑向凍脹壓力比單面凍結(jié)模式下大0.59MPa、0.72MPa，0