内容简介

《深部冻土力学特性与冻结壁稳定》是一本关于深部冻土力学特性与冻结壁稳定的专著,介绍了作者在冻结凿井领域的若干基础研究成果,特别是温度梯度相关的深部冻土力学研究成果。《深部冻土力学特性与冻结壁稳定》共分9章,第1章介绍深部冻土力学特性与冻结壁稳定研究意义和研究现状;第2章建立更为贴近深部冻土原位条件的K0DCGF方法;第3章着重介绍深部冻土衍生母体——深部土实验的荷载边界条件:静止土压力系数;第4章介绍深部冻土三轴剪切实验;第5章介绍深部冻土能量规律;第6章介绍深部冻土三轴蠕变实验;第7章在第4~6章基础上,阐述深土冻结壁设计方法;第8章介绍深土冻结壁数值模拟实验;第9章介绍深土冻结壁物理模拟实验,探讨深部非均质厚冻结壁的温度特征和整体变形规律。

目录

目录
“岩土体热力特性与工程效应系列专著”序
前言
第1章绪论1
1.1深部冻土力学特性与冻结壁稳定研究意义1
1.2深部冻土力学特性与冻结壁稳定研究现状2
1.2.1冻土变形、强度及蠕变性质2
1.2.2深土冻结壁厚度设计方法7
1.2.3深土冻结壁变形规律14
第2章深部冻土力学实验方法21
2.1基本原理21
2.2试验流程22
2.2.1正常固结饱和黏土瞬间卸荷回弹后饱和含水量试验23
2.2.2正常固结饱和黏土静止土压力系数试验23
2.2.3温度梯度冻土试验24
2.3试验装置25
2.3.1饱和土试样制备装置25
2.3.2正常固结饱和黏土瞬间卸荷后饱和含水量试验装置26
2.3.3正常固结饱和黏土静止土压力系数试验装置26
2.3.4温度梯度冻土三轴试验装置27
2.4试验效果30
2.4.1TGJ-1型固结仪固结结果30
2.4.2SKA-1型固结仪固结结果31
2.4.3TATW-500固结结果32
2.5温度梯度33
2.5.1温度梯度设计33
2.5.2温度梯度验证33
2.5.3径向温度验证34
2.6小结36
第3章深部土静止土压力系数实验38
3.1变形摄动影响38
3.2静止土压力系数试验结果39
3.3静止土压力系数理论研究42
3.3.1基于临界土力学理论的静止土压力系数42
3.3.2影响参数试验研究46
3.4小结47
第4章深部冻土三轴剪切实验48
4.1加载试验冻土变形分析48
4.1.1应力-应变48
4.1.2体积变形51
4.2减载试验冻土变形分析55
4.2.1应力-应变55
4.2.2体积变形58
4.3K0DCGF试验冻土强度59
4.3.1强度特征59
4.3.2强度发挥机制60
4.4强度弱化机制61
4.4.1数值模型62
4.4.2本构模型及参数62
4.4.3计算结果验证63
4.4.4计算结果与分析63
4.5小结67
第5章深部冻土能量规律69
5.1K0DCGF试验中冻土破坏特征69
5.2K0DCGF试验中能量规律71
5.2.1K0DCGF加载试验71
5.2.2K0DCGF减载试验73
5.2.3弹性应变能75
5.2.4温度梯度冻土裂纹扩展过程中能量释放率模型76
5.3K0DCGF减载试验中均匀温度冻土断裂能量规律80
5.4小结81
第6章深部冻土三轴蠕变实验82
6.1轴向蠕变82
6.1.1蠕变及蠕变速率82
6.1.2最小轴向蠕变速率82
6.2体积蠕变86
6.2.1体积蠕变速率86
6.2.2最终体积蠕变变形88
6.3径向蠕变89
6.4冻土蠕变变形机制92
6.5蠕变试验中“非均质”特征93
6.5.1最终径向蠕变变形94
6.5.2径向“非均匀”变形机制94
6.6小结95
第7章深土冻结壁设计方法97
7.1非均质冻结壁分层计算模型97
7.1.1黏弹塑性厚壁圆筒97
7.1.2径向分层圆筒冻结壁103
7.2有限段高冻结壁力学模型108
7.2.1冻结壁径向位移的力学模型110
7.2.2基本方程111
7.2.3求解112
7.2.4最大径向位移114
7.2.5相当段高115
7.2.6分段常段高叠加法115
7.2.7公式讨论116
7.3小结120
第8章深土冻结壁数值模拟实验122
8.1冻结壁温度场122
8.1.1几何参数122
8.1.2热物理学参数123
8.1.3初始条件和相变123
8.1.4边界条件125
8.1.5模型单元和网格划分125
8.1.6结果分析127
8.2无限长厚壁圆筒冻结壁模型133
8.2.1模型边界条件133
8.2.2冻土本构关系133
8.2.3计算结果与分析134
8.3有限段高冻结壁模型136
8.3.1模型几何参数136
8.3.2冻土的蠕变本构关系和力学参数136
8.3.3边界条件136
8.3.4计算规划137
8.3.5计算结果与分析137
8.4小结139
第9章深土冻结壁物理模拟实验141
9.1相似理论与模拟试验141
9.2模拟试验设计142
9.2.1相似准则142
9.2.2相似模化144
9.3模拟试验系统146
9.3.1试验台147
9.3.2加载与控制系统148
9.3.3制冷与温度控制系统149
9.3.4测试系统151
9.4试验方案154
9.4.1试验材料154
9.4.2试验安排154
9.4.3试验步骤155
9.5冻结壁温度场156
9.6冻结管间距对冻结壁温度场影响163
9.6.1减小管间距163
9.6.2增大圈径166
9.6.3对比分析170
9.7冻结壁蠕变特性171
9.8小结175
主要参考文献177

精彩书摘

  《深部冻土力学特性与冻结壁稳定》:
  第1章绪论
  1.1深部冻土力学特性与冻结壁稳定研究意义
  随着国民经济和基础设施建设的高速发展,城市地铁隧道、大长山岭隧道、越江越海隧道等交通工程,地下指挥所、地下掩体与防护等军事工程,地下粮、油、气储藏和废料深埋处置工程,大直径深桩基、大型深基坑、深水码头等基础工程,深部井筒、巷道等资源开发工程的建设深度越来越深、规模越来越大、地质条件越加恶劣、环境条件越加复杂。“21世纪是地下工程的世纪”。地下空间的大规模开发、建设需要高效、安全、适应性强的特殊施工技术,而冻结法由于其环境友好、绿色无污染等特点,逐渐受到青睐。
  冻结法是我国特殊地层中煤矿立井井筒施工的重要工法,冻结凿井深度经历了≤400m、400~800m、接近1000m三个阶段,冻结法凿井技术的不断创新与完善保障了煤炭资源的开发与利用。新时期,伴随“三深一土”国土资源科技创新战略实施和我国城市地下空间的持续向纵深开发(如,0~10000m透明雄安规划等),冻结法将面临更大的机遇与挑战。
  随着冻结深度的不断增加,冻结壁所受外荷载逐渐增大。现有冻结壁设计理论和施工技术,一类是基于均匀温度场冻结-固结试验模式下获得的冻土试验成果和经验地压公式;另外一类则采取基于固结-均匀温度场冻结-减载试验模式下所得冻土试验成果和经验地压公式计算冻结壁厚度。虽然在建井工程实践中取得良好效果,但是由于地层深度增加带来的深土力学和深土冻结壁稳定机制以及冻结诱发的永久井壁结构设计和长期稳定等问题尚未能充分认识,冻结法凿井面临着国内外之前没有的严峻考验,被称为“世界性难题”。
  深部冻土与天然冻土,甚至浅部冻土在力学性质上存在很大差异。现有冻结壁冻土强度获取多参照混凝土结构设计,已有研究成果中考虑到减载问题、固结问题,采用对均匀温度场冻土试块加载获得的冻土参数通过折减进行设计。冻土是典型的非均质材料,冻结壁是由温度梯度诱导的典型非均质结构。如何将温度诱导的冻土非均质特征引入冻结壁强度和整体稳定的计算分析中,尤为重要。这对于充分认识非均质厚冻结壁的力学特性以及深井冻结壁的设计和施工均具有十分重要的理论价值和现实意义。
  尽管地层冻结技术在岩土工程领域已经有300多年的历史,在深厚表土冻结凿井工程、城市地铁隧道工程、城市深基坑工程以及新近出现的冻结取心、喷射冻结和冻结驱替去污领域得到广泛应用,但上述冻结工程中面临的深部土与深部冻土在高压固结、梯度温度冻结、减载路径下的变形、强度以及蠕变等一些基础性质以及非均质冻结壁设计理论尚没有完全解决。即使在矿井建设领域中,虽然部分超过600m土层的冻结井已经施工完成,如龙固副井、郭屯风井、万福主副风井等,但是,冻结凿井中冻结壁基础理论研究的薄弱必将严重阻碍今后特厚冲积层冻结凿井技术的发展,给工程安全留下隐患。
  以冻土工程国家重点实验室马巍研究员(2000)为首的科研团队首次提出了K0DCF的冻土试验模式。中国矿业大学崔广心教授(1989)首次采用物理模拟方法,把深部土加载成与工程相似的条件后再冻结,进行模拟试验研究。但是鲜有针对深部土在高压固结、保持荷载的条件下进行不同温度梯度冻结,然后再进行加、减载试验模式下的相应成果。
  《深部冻土力学特性与冻结壁稳定》将系统阐述符合深部冻土形成历史和冻结凿井施工力学行为的研究方法,即深部重塑土在高压一维固结、有载冻结、待形成预定的温度梯度后进行加、减载路径下的力学特性试验,以及基于上述方法的冻结饱和黏土三轴剪切与蠕变基本力学性质研究、深部非均质冻结壁的设计方法、深部非均质冻结壁数值模拟实验和大型相似物理模拟实验。
  1.2深部冻土力学特性与冻结壁稳定研究现状
  1.2.1冻土变形、强度及蠕变性质
  1.常规冻土力学性质
  受寒区工程建设和资源开发的巨大需求(如西伯利亚多年冻土工程、美国寒区军事工程等),关于冻土强度与蠕变试验研究,在苏联始于20世纪30年代(Tsytovich,1930),在北美始于50年代。并陆续揭示了冻土强度受温度、变形速率、土质、含水量、加荷形式、含盐量以及围压等因素影响的基本规律(Tsytovich,1930;Vyalov,1959;Ladanyi,1981;吴紫汪和马巍,1994)。
  冻土应力-应变曲线上起始斜率是评价冻土稳定性的重要参数,称为“起始切线模量”或“弹性模量”(吴紫汪和马巍,1994)。Haynes等(1975)通过单轴压缩和拉伸试验发现冻结粉土的弹性模量随应变率增加而稍有增加。Bragg和Andersland(1981)通过单轴压缩试验发现冻结砂土的弹性模量随应变率的增加和温度的降低而增加。冻土的弹性模量不仅与土性、温度和含水量有关,而且与应力大小密切相关(吴紫汪和马巍,1994)。Zhu和Carbee(1984)、常小晓等(1996)则分别研究了冻结粉土、冻结砂土和冻结黏土的弹性模量。何平等(1999b)对冻结黏性土、砂土和粉土在不同负温下的泊松比进行了研究,指出黏土和粉土的泊松比可以作为常数,受温度的影响很小,砂土的泊松比随轴向应变的增加而增大。金龙等(2008)认为在损伤门槛之后有效泊松比随轴向变形增加而逐渐增大。
  ……

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