進(jìn)展與挑戰(zhàn)凍結(jié)與鉆井

進(jìn)展與挑戰(zhàn)凍結(jié)與鉆井1概述1.1600~800m沖積層的特點(diǎn)1.2通過(guò)600~800m沖積層建井的方法1.3凍結(jié)法鑿井的現(xiàn)狀1.4鉆井法鑿井的現(xiàn)狀1.5小結(jié)返回第2頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.1600~800m沖積層的特點(diǎn)山東巨野、單縣，安徽碭山，河南周口，河北廊坊等地，煤層上有>600~800m厚的沖積層。沖積層的主要特點(diǎn)為：厚度大：>570m(龍固),>571m(世界)第三系地層厚:500m～650m,其中粘土層含水量低,具強(qiáng)膨脹性地溫高：37℃~39℃,冷量需求大，凍結(jié)壁發(fā)展慢多具有特殊的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件：沖積的水位會(huì)因采煤而下降,地層會(huì)發(fā)生沉降。返回第3頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2通過(guò)600~800m沖積層建井的方法可靠的方法：凍結(jié)法鉆井法值得開發(fā)的新方法：中心島式鉆井法中心島式凍結(jié)法帷幕-凍結(jié)復(fù)合方法返回第4頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3凍結(jié)法鑿井的現(xiàn)狀——國(guó)外1883年德國(guó)工程師波茨舒發(fā)明凍結(jié)法。前蘇聯(lián)創(chuàng)造凍結(jié)沖積層厚度世界紀(jì)錄:571m。英國(guó)創(chuàng)造凍結(jié)深度世界紀(jì)錄:930m最大掘進(jìn)直徑:10.5m最大井壁厚度:2.25m主要使用凍結(jié)法鑿井國(guó)家的最大凍結(jié)深度國(guó)名英國(guó)加拿大波蘭蘇聯(lián)比利時(shí)德國(guó)法國(guó)中國(guó)荷蘭最大凍結(jié)深度,m930915860800638628550650338其中沖積層厚度,m<100<100<350<350<200<350<300570<300第5頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3凍結(jié)法鑿井的現(xiàn)狀——國(guó)外序號(hào)國(guó)別井筒名凈徑/m沖積層厚度/m1蘇聯(lián)雅可夫列夫鐵礦箕斗井6.05712蘇聯(lián)雅可夫列夫鐵礦罐籠井5713蘇聯(lián)雅可夫列夫鐵礦風(fēng)井5714比利時(shí)候泰靈井4.995405德國(guó)維爾德風(fēng)井6.05406德國(guó)索菲亞·雅可巴8號(hào)井4.0543.5

7德國(guó)萊茵貝格井7.5<510國(guó)外沖積層深度超過(guò)500m的凍結(jié)井筒

第6頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3凍結(jié)法鑿井的現(xiàn)狀——國(guó)內(nèi)國(guó)內(nèi)：1955年在開灤林西風(fēng)井首次采用已施工立井550多個(gè),總延米達(dá)120km以上最大凍結(jié)深度:777m最大沖積層厚度:587.5m最低鹽水溫度:-38℃設(shè)計(jì)最低凍結(jié)壁平均溫度:-25℃凍結(jié)孔圈數(shù)最多4圈,120根凍結(jié)左右最大凍結(jié)井壁厚度:2.4m最大凍結(jié)壁厚度:12m井壁混凝土設(shè)計(jì)最高強(qiáng)度:C80(郭屯副井)井壁混凝土實(shí)際達(dá)到最高強(qiáng)度:C100(龍固副井)采用內(nèi)層可縮井壁結(jié)構(gòu)預(yù)防生產(chǎn)期間井壁破裂第7頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4鉆井法鑿井的現(xiàn)狀——國(guó)外1854年德國(guó)人欽德采用沖擊鉆機(jī)成功鉆井1871年德國(guó)人霍尼曼發(fā)明了旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)國(guó)外最大鉆井直徑為8.8m美國(guó)核試驗(yàn)井最深達(dá)1829m（φ1.8m）。第8頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4鉆井法鑿井的現(xiàn)狀——國(guó)內(nèi)1969年淮北朔里煤礦南風(fēng)井首次鉆井已施工80個(gè)井筒最大鉆井直徑為10.8m煤礦最大鉆井深度為584.1m在其它方面，鉆深約1000m（φ3m）第9頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4鉆井法鑿井的現(xiàn)狀——國(guó)內(nèi)AS9/700豎井鉆機(jī)

L40/1000豎井鉆機(jī)

第10頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天新立井鉆井機(jī)性能大幅提高2.鉆井機(jī)1.4鉆井法鑿井的現(xiàn)狀——國(guó)內(nèi)第11頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.鉆井機(jī)1.4鉆井法鑿井的現(xiàn)狀——國(guó)內(nèi)第12頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.鉆井機(jī)1.4鉆井法鑿井的現(xiàn)狀——國(guó)內(nèi)第13頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.鉆井機(jī)1.4鉆井法鑿井的現(xiàn)狀——國(guó)內(nèi)第14頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5小結(jié)對(duì)我國(guó)凍結(jié)法鑿井技術(shù)的評(píng)價(jià)：已基本掌握過(guò)600m表土層凍結(jié)法鑿井技術(shù)基礎(chǔ)研究嚴(yán)重滯后于工程，“基礎(chǔ)不牢，底子不厚”

事故頻發(fā)：凍結(jié)管斷裂井壁開裂對(duì)我國(guó)鉆井法鑿井技術(shù)的評(píng)價(jià)：已接近全面掌握鉆600m深大直徑井筒的鉆井法鑿井技術(shù)鉆機(jī)制造技術(shù)已有長(zhǎng)足進(jìn)步鉆機(jī)鉆表土效率仍要提高,鉆巖石能力仍較差返回第15頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2800m沖積層凍結(jié)法鑿井技術(shù)前瞻2.1凍結(jié)法鑿井面臨的技術(shù)難度2.2凍結(jié)法鑿井的技術(shù)問(wèn)題2.3凍結(jié)孔鉆進(jìn)問(wèn)題2.4制冷與凍結(jié)問(wèn)題2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題2.6凍結(jié)壁問(wèn)題2.7小結(jié)返回第16頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1凍結(jié)法鑿井面臨的技術(shù)難度面臨的建井技術(shù)的難度:表土深度:超過(guò)世界紀(jì)錄229m;表土地質(zhì)條件的復(fù)雜性:世界第一表土地溫:世界第一凍結(jié)掘進(jìn)直徑:世界第一，12.5m無(wú)合適的理論公式可用國(guó)內(nèi)外均無(wú)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒返回第17頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2凍結(jié)法鑿井的技術(shù)問(wèn)題“二壁一鉆一機(jī)”問(wèn)題:“一鉆”是指凍結(jié)孔(豎直孔,定向孔)鉆進(jìn)技術(shù)與設(shè)備.已突破 郭屯煤礦,國(guó)產(chǎn)鉆機(jī),靶域半徑0.7m，702m深凍結(jié)孔,平均效率約2400m/臺(tái)月“一機(jī)”是指大容量制冷技術(shù)與設(shè)備。螺桿機(jī)制冷量>100萬(wàn)大卡/h,鹽水溫度已達(dá)-40

℃,更低溫度大容量制冷技術(shù)與設(shè)備待突破.“二壁”是指凍結(jié)壁理論與技術(shù)和井壁理論與技術(shù),涉及深部土的力學(xué)特性、人工凍土力學(xué)特性等基礎(chǔ)理論問(wèn)題和介質(zhì)與結(jié)構(gòu)相互作用等基礎(chǔ)理論問(wèn)題，也涉及材料、荷載、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、施工等等問(wèn)題,待突破。返回第18頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3凍結(jié)孔鉆進(jìn)問(wèn)題不管是豎直孔還是定向孔,鉆進(jìn)技術(shù)與設(shè)備均已突破.石油:豎孔7000m深,水平孔11000m,靶域半徑0.5m煤礦凍結(jié):豎孔702m深,靶域半徑0.8m煤礦注漿:豎孔1000m深,“S”形定向孔常用深1000m凍結(jié)孔鉆進(jìn)技術(shù)已突破!

返回第19頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4制冷與凍結(jié)問(wèn)題—-20℃凍結(jié)粘土強(qiáng)度第20頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4制冷與凍結(jié)問(wèn)題—-20~-40℃凍結(jié)粘土強(qiáng)度隨溫度下降強(qiáng)度線性增大!增長(zhǎng)率:0.38/℃800m處水平地壓:10.40MPa豎直地壓:16.80MPa>-25℃時(shí)凍結(jié)壁全部處于塑性狀態(tài)第21頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4制冷與凍結(jié)問(wèn)題—凍土強(qiáng)度與凍結(jié)壁厚度第22頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4制冷與凍結(jié)問(wèn)題—降低鹽水溫度是合理選擇要提高原位人工凍土的強(qiáng)度→降低鹽水溫度鹽水:-35℃，凍結(jié)壁平均溫度只達(dá)到-24℃,顯然不能滿足要求。鹽水溫度宜低于-42℃,凍結(jié)壁的平均溫度可達(dá)到-30℃。凍土單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)12MPa以上,可合理地減小凍結(jié)壁的厚度，從而減小凍結(jié)費(fèi)用。800m沖積層凍結(jié)法鑿井必然面臨低溫凍結(jié)問(wèn)題制冷機(jī)冷媒劑凍結(jié)管材第23頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天制冷現(xiàn)用制冷機(jī)改造高效板式換熱器復(fù)迭式制冷機(jī)短時(shí)采用干冰或液氮冷卻冷媒劑析冰,析鹽問(wèn)題加乙二醇凍結(jié)管材現(xiàn)管材(20號(hào)鋼)專用管材(Dr09,A333GR1和A333GR6低溫管)開展“-45℃低溫凍結(jié)及配套技術(shù)的研究”

返回2.4制冷與凍結(jié)問(wèn)題—小結(jié)第24頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題2.5.1簡(jiǎn)述2.5.2外載2.5.3結(jié)構(gòu)2.5.4材料2.5.5小結(jié)返回第25頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—簡(jiǎn)述井壁:安全、密封、耐久井壁受力認(rèn)識(shí):受水平地壓、凍結(jié)壓力→溫度應(yīng)力→約束應(yīng)力→開采引起表土層沉降→開采引起的不均勻地層變形作用井壁結(jié)構(gòu)發(fā)展四個(gè)階段:單層井壁→雙層井壁→帶夾層的復(fù)合井壁→滑動(dòng)井壁、滑動(dòng)可縮井壁、可縮井壁。涉及:荷載、材料、結(jié)構(gòu)、工藝返回第26頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—凍結(jié)壓力570m深度內(nèi)已初步掌握超過(guò)570m深度，對(duì)凍結(jié)壓力變化規(guī)律的研究在國(guó)內(nèi)外均是空白。凍結(jié)壓力如何取值?p=0.012H?p=0.011H?p=0.013H?據(jù)龍固副井實(shí)測(cè),建議取p=0.0115H第27頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—融沉附加壓力確定融沉附加力：概念：凍結(jié)壁融沉?xí)r土施加于井壁的豎直附加力大小：據(jù)礦大研究,300m深處達(dá)20~80kPa影響：對(duì)井壁的安全可能構(gòu)成危害350m深度內(nèi)已初步掌握最大20~80kPa超過(guò)350m深度對(duì)融沉附加力變化規(guī)律的研究在國(guó)內(nèi)外均是空白。融沉是否會(huì)導(dǎo)致井壁破壞?如何防止?第28頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的井壁破裂災(zāi)害國(guó)內(nèi)(1987-):淮北礦區(qū)宿縣礦區(qū)大屯礦區(qū)徐州礦區(qū)兗州礦區(qū)濟(jì)寧礦區(qū)永夏礦區(qū)東榮礦區(qū)棗莊-騰州礦區(qū)91個(gè)(凍結(jié)78個(gè)鉆井13)井壁(估計(jì)要壞200個(gè)以上)第29頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—疏水附加壓力?疏水豎直附加力變化規(guī)律研究（土與井壁的相互作用）概念：土層疏水沉降時(shí)施加于井壁上的力大小：據(jù)礦大研究,300m深處可達(dá)100kPa以上影響：對(duì)井壁的安全構(gòu)成危害，

91個(gè)井壁破裂，損失慘重??！疏水附加力是井壁破裂的禍?zhǔn)?50m以內(nèi)，已研究350m以上?疏水附加力“宜讓不宜抗”——采用豎向可縮井壁結(jié)構(gòu)，限制其增長(zhǎng)立足于“防”，“修”很難應(yīng)用可縮井壁結(jié)構(gòu)，如何設(shè)計(jì)、施工？返回第30頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—現(xiàn)行凍結(jié)井壁的平面結(jié)構(gòu)現(xiàn)行凍結(jié)井壁平面結(jié)構(gòu)要求:安全、密封、耐久組成:內(nèi)壁,(夾層),外壁,(充填層)材料:單一或復(fù)合,如內(nèi)壁=鋼板+砼原則:適應(yīng)工況與荷載合理的平面結(jié)構(gòu)與材料研究外壁結(jié)構(gòu)=弧板+混凝土+充填層？?jī)?nèi)壁結(jié)構(gòu)=（鋼板、弧板）+混凝土？?jī)?nèi)外層間材料？地層充填層外壁夾層內(nèi)壁凍結(jié)井壁平面結(jié)構(gòu)示意圖第31頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—凍結(jié)井壁豎向結(jié)構(gòu)合理井壁的豎向結(jié)構(gòu)研究井壁材料必沿深度變化!井壁沿深度如何合理分段?井壁必受附加力作用!采用何種結(jié)構(gòu)適應(yīng)附加力?夾層不處理必導(dǎo)水！如何阻斷夾層的導(dǎo)水通豎向可縮井壁研究：可縮裝置的形式、布置位置可縮裝置的力學(xué)特性可縮裝置的耐久性地表基巖以下略11123467891051-充填層；2-現(xiàn)澆砼外壁；3-塑料板；4-止水圈；5-弧板外壁；6-高強(qiáng)弧板外壁；7-現(xiàn)澆砼內(nèi)壁；8-可縮接頭；9-單鋼板砼內(nèi)壁；10-雙鋼板砼內(nèi)壁;11-井筒中心線凍結(jié)井壁縱向結(jié)構(gòu)示意圖第32頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)創(chuàng)新井壁夾層材料創(chuàng)新原來(lái)用塑料板，要壁間注漿現(xiàn)在要不用塑料板并免無(wú)去壁間注漿井壁結(jié)構(gòu)創(chuàng)新原來(lái)為雙層復(fù)合井壁現(xiàn)在要研究防水的單層井壁返回第33頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—井壁材料-鋼筋混凝土雙層鋼筋砼井壁厚度估算假設(shè)：1)內(nèi)壁受1倍深度水壓和自重作用，按雙向受壓計(jì)算；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.2，荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.35。2)外壁受等于1.2倍深度水壓的凍結(jié)壓力作用，按單向受力計(jì)算；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.00，荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.05。3)環(huán)向配筋率為0.6%，三級(jí)鋼筋。第34頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—井壁材料-鋼筋混凝土第35頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—井壁材料-鋼板混凝土雙層內(nèi)鋼板素混凝土凍結(jié)井壁，假設(shè)：1)內(nèi)壁受1倍深度水壓和自重作用，按雙向受力計(jì)算；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.2，荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.35。2)外壁受等于1.2倍深度水壓的凍結(jié)壓力作用，按單向受力計(jì)算；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.05。3)內(nèi)、外壁均采用素混凝土(便于考察用鋼量)，暫不考慮約束混凝土效應(yīng)。4)鋼板均位于內(nèi)、外壁的內(nèi)緣，豎向?yàn)槁菟?lián)接。5)凈直徑7m，內(nèi)、外壁厚度均為1000mm。第36頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—井壁材料-鋼板混凝土第37頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—井壁材料從中可以看出：井壁的用鋼量是很大的，為減小用鋼量，在井壁中采用C90以上的高強(qiáng)混凝土是必要的。必須指出的是：鋼板放在井壁的內(nèi)側(cè)是最省鋼材的做法，實(shí)際上受施工工藝所限鋼材可能分散于半徑方向上，這時(shí)鋼材用量會(huì)更大。為進(jìn)一步減小井壁厚度，有必要對(duì)我國(guó)的凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改革，采用單層井壁結(jié)構(gòu)，或考慮內(nèi)外壁“先分后合”的結(jié)構(gòu)。第38頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—井壁材料-鋼板混凝土為對(duì)單層井壁的用鋼量進(jìn)行考察，假設(shè)：1)井壁受等于1.3倍深度水壓的永久水平地壓作用，按單向受力計(jì)算；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.2，荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.35。2)均采用素混凝土(便于考察用鋼量)，暫不考慮約束混凝土效應(yīng)。3)鋼板均位于井壁的內(nèi)緣，豎向?yàn)槁菟?lián)接。4)井筒凈直徑7m，井壁總厚度1300mm。第39頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—井壁材料-鋼板混凝土第40頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—井壁材料即使采用C100混凝土，在800m深處主、鋼板的厚度分別要達(dá)到170mm。厚鋼板焊接難，占用時(shí)間長(zhǎng)宜采用鋼骨混凝土井壁或鑄鋼（鐵）弧板混凝土井壁、或高強(qiáng)鋼纖維混凝土井壁。第41頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—井壁材料-鋼纖維混凝土對(duì)高強(qiáng)鋼纖維單層井壁厚度進(jìn)行考察，假設(shè)：1)井壁受等于1.3倍深度水壓的永久水平地壓作用，按單向受力計(jì)算；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.2，荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.35。2)均采用高強(qiáng)鋼纖維混凝土，不用考慮脆性折減系數(shù)，無(wú)鋼筋。3)井筒凈直徑7m，計(jì)算深度為800m。返回第42頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5凍結(jié)井壁問(wèn)題—小結(jié)凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)創(chuàng)新單層防水凍結(jié)井壁研究單層凍結(jié)井壁豎向可縮裝置研究?jī)?nèi)、外壁“先分后合”的新型凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)鋼骨約束混凝土井壁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土井壁結(jié)構(gòu)凍結(jié)井壁材料創(chuàng)新C130高強(qiáng)鋼纖維混凝土研究C100自流平混凝土研究進(jìn)一步發(fā)展雙層復(fù)合井壁雙層內(nèi)鋼板混凝土井壁雙層弧板混凝土井壁開發(fā)新的井壁施工工藝井下惡劣環(huán)境下C100~C130混凝土和鋼纖維混凝土施工工藝弧板、鋼板、鋼骨預(yù)應(yīng)力混凝土井壁施工工藝返回第43頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6凍結(jié)壁問(wèn)題2.6.1基本認(rèn)識(shí)2.6.2外載和材料特性2.6.3凍結(jié)壁厚度估算2.6.4凍結(jié)管數(shù)量估算2.6.4凍結(jié)溫度場(chǎng)分析2.6.6凍結(jié)方案優(yōu)化2.6.7局部?jī)鼋Y(jié)技術(shù)2.6.8防止凍結(jié)管斷裂理論與技術(shù)2.6.9凍結(jié)壁小結(jié)返回第44頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6凍結(jié)壁問(wèn)題—基本認(rèn)識(shí)對(duì)凍土壁計(jì)算的基本認(rèn)識(shí)實(shí)際凍土墻的特性是一個(gè)非均質(zhì)、各向異性的非線性體。隨著土、水壓力的逐漸增大，由彈性體、粘彈性體向粘彈塑性體過(guò)渡；沿深度看，厚度不等。理想化的模型均質(zhì)、各向同性、等厚板；均質(zhì)、各向同性、等厚筒。數(shù)值計(jì)算前提凍土墻溫度場(chǎng)的分布，平均溫度；人工凍土的力學(xué)性質(zhì)(強(qiáng)度、本構(gòu)關(guān)系，力學(xué)參數(shù)等)；荷載；幾何參數(shù)（深度！）掘砌參數(shù)和條件（含時(shí)間、支護(hù)與凍土墻的相互作用）第45頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6凍結(jié)壁問(wèn)題—基本認(rèn)識(shí)人工凍土試驗(yàn)與實(shí)際條件的差異試驗(yàn):重塑土、無(wú)壓凍結(jié)、加載應(yīng)力路徑；實(shí)際:原位有壓凍結(jié),應(yīng)力路徑復(fù)雜(加、卸載)。凍結(jié)深度越深，二者差異越大??！水平外載（土壓力）開挖前，因水平凍脹而大于靜止土壓力；開挖后，因凍結(jié)壁向臨空面移動(dòng)，土壓力減小。主動(dòng)土壓力≤水平外載≤被動(dòng)土壓力礦山工程中取為0.013H第46頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6凍結(jié)壁問(wèn)題—基本認(rèn)識(shí)凍土力學(xué)性質(zhì)與溫度和時(shí)間有密切關(guān)系是溫度場(chǎng)與力學(xué)場(chǎng)耦合問(wèn)題，各點(diǎn)的參數(shù)與其溫度相關(guān)，應(yīng)按耦合場(chǎng)計(jì)算；流變效應(yīng)必須充分予以考慮（時(shí)間強(qiáng)化與應(yīng)力強(qiáng)化）。必考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與凍結(jié)壁的相互作用可合理減薄凍結(jié)壁；支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)有一定的讓壓特性。第47頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6凍結(jié)壁問(wèn)題—基本認(rèn)識(shí)凍結(jié)壁與地層的相互作用規(guī)律凍結(jié)壁外載（水平、豎向）變化規(guī)律研究開挖前，凍結(jié)鋒面上水平凍脹與豎直凍脹開挖后，凍結(jié)鋒面上水平地壓減小？?jī)鼋Y(jié)壁溫度變形（應(yīng)力）研究先以水結(jié)冰凍脹為主，后以冷縮變形為主，約20℃溫差）凍結(jié)壁內(nèi)水分遷移與凍脹應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律封閉水體會(huì)產(chǎn)生多大的壓力？積蓄多少應(yīng)變能凍結(jié)壁與井壁的相互作用規(guī)律凍結(jié)壓力變化規(guī)律與凍結(jié)壁強(qiáng)度,p、段高、時(shí)間、土性、井壁等有關(guān)取經(jīng)驗(yàn)值,有時(shí)Pd>p,國(guó)外實(shí)測(cè)最大Pd=0.0154H!!!凍結(jié)壁應(yīng)力、應(yīng)變及位移變化規(guī)律外層井壁應(yīng)力、應(yīng)變及位移變化規(guī)律第48頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6凍結(jié)壁問(wèn)題—基本認(rèn)識(shí)凍土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值問(wèn)題鋼筋砼結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)強(qiáng)度與試塊強(qiáng)度間的關(guān)系已建立凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)強(qiáng)度與試塊強(qiáng)度間的關(guān)系未建立凍土具有流變性，如何根據(jù)試塊的強(qiáng)度來(lái)定設(shè)計(jì)強(qiáng)度?

凍結(jié)壁中凍土的平均強(qiáng)度取值問(wèn)題做法：取為平均溫度下的強(qiáng)度，偏于不安全！規(guī)律：凍土強(qiáng)度隨溫度降低而增加，增長(zhǎng)率漸小原因：平均溫度下的凍土強(qiáng)度＞凍土的平均強(qiáng)度凍土的平均強(qiáng)度如何取值？返回第49頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6凍結(jié)壁問(wèn)題—外載和材料特性凍結(jié)壁的外載可暫按永久地壓取為0.013H-20℃~-40℃凍結(jié)壁材料特性尚缺乏研究：用重塑土進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方法要研究，試驗(yàn)成果少。對(duì)高壓下原位凍結(jié)人工凍土的力學(xué)特性研究極少，遠(yuǎn)不能滿足工程需要。返回第50頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6凍結(jié)壁問(wèn)題—凍結(jié)壁厚度估算第51頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6凍結(jié)壁問(wèn)題—凍結(jié)壁厚度估算返回第52頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6凍結(jié)壁問(wèn)題—凍結(jié)管數(shù)量估算如凍結(jié)壁厚度為13.4m，有如下估算:宜布置四圈凍結(jié)管;需凍結(jié)管150~180個(gè);凍結(jié)管總長(zhǎng)度:120000~150000m凍結(jié)管需保溫長(zhǎng)度近50000m.返回第53頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6凍結(jié)壁問(wèn)題—凍結(jié)溫度場(chǎng)分析凍管溫度場(chǎng)計(jì)算示例:掘進(jìn)半徑：6m；粘土層深度：800m；結(jié)冰溫度：-3℃；原始地溫37℃；鹽水溫度：-40℃；凍結(jié)管直徑：159mm；第一圈（內(nèi)圈）凍結(jié)管布置圈徑/孔數(shù)：37m/68孔；第二圈凍結(jié)管布置圈徑/孔數(shù)：23m/36孔；第三圈凍結(jié)管布置圈徑/孔數(shù)：30m/36孔；第四圈（外圈）凍結(jié)管布置圈徑/孔數(shù)：37m/68孔；土層含水率：18%；未凍土導(dǎo)數(shù)系數(shù)：1.1W/(m·℃)；凍土導(dǎo)數(shù)系數(shù)：1.53W/(m·℃)。第54頁(yè),共60頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6凍