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第1章 总论1

1.1冻结法凿井应用概况1

1.1.1国外1

1.1.2国内2

1.2人工冻结温度场5

1.3冻土力学性质6

1.4水分迁移与冻胀9

1.5冻结壁力学特性11

1.6冻结法凿井井壁结构13

1.6.1钢筋混凝土井壁14

1.6.2塑料夹层双层钢筋混凝土复合井壁15

1.6.3竖向可缩性复合井壁15

1.7我国深厚冲积层冻结法凿井技术现状16

1.7.1冻结方案与施工技术17

1.7.2冻结立井掘砌技术23

参考文献25

第2章 深厚冲积层土质物理特性31

2.1我国第四系松散层分布概况31

2.1.1青藏高原地区31

2.1.2西北地区31

2.1.3南方地区31

2.1.4东北地区31

2.1.5北方地区32

2.1.6华北地区32

2.2华北平原煤田深厚冲积层分布与特征36

2.3黄淮地区冲积层物理性质37

2.3.1松散土的颗粒成分及分类37

2.3.2松散土的黏土矿物成分38

2.3.3密度与孔隙比38

2.3.4松散土层的含水量39

2.3.5膨胀性与崩解性42

2.4冻土的基本成分与形成43

2.4.1冻土的基本成分43

2.4.2冻土的形成46

2.5冻土的热物理特性49

2.5.1土的冻结温度49

2.5.2质量比热容和容积热容量54

2.6人工冻土冻胀特性及主要影响因素59

2.6.1土分散性60

2.6.2土颗粒矿物成分60

2.6.3土含水量60

2.6.4温度、干密度62

2.6.5冻结过程中的冻胀力64

参考文献65

第3章 人工冻土力学特性66

3.1概述66

3.1.1冻土力学性质特点66

3.1.2冻土的流变特性67

3.1.3冻土流变机理69

3.2人工冻土单轴抗压强度69

3.2.1冻土抗压强度与温度70

3.2.2冻土抗压强度与加载方式72

3.2.3冻土抗压强度与土性74

3.2.4冻土抗压强度与含水量77

3.2.5冻土抗压强度与干密度77

3.3人工冻土的弹性模量与泊松比79

3.3.1冻土的弹性模量79

3.3.2冻土泊松比80

3.4人工冻土三轴抗剪力学特性81

3.4.1人工冻土三轴抗剪强度81

3.4.2人工冻土三轴抗剪力学特性影响因素83

3.5人工冻土的蠕变特性88

3.5.1人工冻土蠕变试验88

3.5.2人工冻土蠕变物理意义91

3.6人工冻土蠕变本构关系92

3.6.1维亚洛夫本构模型92

3.6.2西原本构模型92

3.6.3改进的西原模型93

3.6.4冻土的有限变形本构关系模型100

3.6.5人工冻土蠕变模型的识别与参数反演105

参考文献111

第4章 深厚冲积层人工冻结壁温度场113

4.1冻结壁温度场分析理论基础114

4.1.1单管冻结的温度场理论解114

4.1.2直线单排管冻结壁温度场理论解114

4.1.3环形多排孔冻结温度场的数学模型115

4.2人工冻结壁温度场形成规律试验研究118

4.2.1冻结温度场模型试验相似准则118

4.2.2双排管冻结温度场物理模型试验119

4.2.3多排管冻结温度场物理模型试验124

4.3多圈孔冻结壁温度场数值分析138

4.3.1冻结温度场数值模拟概述138

4.3.2深厚冲积层冻结壁温度场数值模拟研究141

4.3.3朱集西矿副井冻结工程实例分析151

4.4多圈孔冻结壁温度场分布规律实测研究160

参考文献164

第5章 深厚冲积层冻结壁强度与稳定性研究166

5.1现有人工冻结壁设计理论168

5.1.1轴对称平面力学模型计算方法168

5.1.2轴对称空间问题力学模型计算方法169

5.1.3数理统计法170

5.1.4根据测温孔资料推算170

5.1.5现有冻结壁设计理论工程应用的对比计算171

5.1.6计算结果分析173

5.2非均质冻结壁的弹塑性稳定性分析176

5.2.1计算模型及基本假设176

5.2.2冻结壁应力求解177

5.2.3工程算例179

5.3冻结壁的黏弹塑性稳定性分析181

5.3.1冻结壁的力学模型182

5.3.2冻结壁的黏弹塑性分析183

5.3.3冻结壁稳定性计算186

5.4冻结壁有限变形有限元分析187

5.4.1冻土黏弹性有限变形有限元格式187

5.4.2冻结壁变形特性数值分析190

参考文献202

第6章 冻结壁与外层井壁共同作用机理204

6.1基于维亚洛夫公式的冻结壁和井壁共同作用理论解205

6.1.1力学模型205

6.1.2外围土体的弹性分析205

6.1.3冻结壁的黏弹性分析206

6.1.4外层井壁的弹性分析209

6.1.5冻结压力的理论计算公式的评价211

6.2基于广义开尔文模型的冻结壁和井壁共同作用解析解213

6.2.1力学模型213

6.2.2计算假设213

6.2.3外层土体位移场计算213

6.2.4冻结壁位移场的黏弹性求解214

6.2.5外层井壁位移场的弹性求解217

6.2.6冻结压力求解217

6.2.7工程实例分析218

6.3冻结壁与外层井壁共同作用有限元分析219

6.3.1冻土流变本构模型及其在ABAQUS中的实现219

6.3.2计算模型及参数231

6.3.3冻结温度场模拟233

6.3.4井筒开挖模拟235

6.3.5井壁砌筑模拟237

参考文献241

第7章 冻结井壁外荷载243

7.1冻结井壁外荷载分类244

7.2井壁自重244

7.3水平地压244

7.3.1普氏地压公式244

7.3.2秦氏地压公式245

7.3.3索氏地压公式（悬浮体地压公式）246

7.3.4重液地压公式246

7.3.5圆筒形挡土墙地压公式246

7.3.6夹心墙地压公式247

7.4水压力247

7.5竖向附加力248

7.5.1疏水沉降地层中井壁附加力的理论分析248

7.5.2冻结壁解冻期井壁附加力的理论分析254

7.5.3井筒保护煤柱开采下井壁附加力的理论分析264

7.6温度应力265

7.6.1井壁内外温差引起的自生温度应力265

7.6.2井壁降温引起的约束温度应力266

7.7冻结压力268

7.7.1冻结压力的形成及影响因素268

7.7.2冻结压力的经验公式268

7.8其他荷载270

7.8.1不均匀压力270

7.8.2外层井壁吊挂力271

7.8.3注浆压力271

参考文献271

第8章 深厚冲积层冻结压力实测研究273

8.1概述273

8.2冻结压力监测273

8.2.1监测水平273

8.2.2元件布置275

8.2.3冻结压力监测结果及其分析275

8.2.4冻结压力影响因素的灰色关联分析286

8.2.5冻结压力数学计算模型研究288

8.2.6计算结果比较分析292

参考文献293

第9章 冻结井筒高强高性能钢筋混凝土井壁研究与应用295

9.1高强高性能钢筋混凝土井壁试验研究296

9.1.1井壁模型设计296

9.1.2试验加载装置298

9.1.3试验数据量测299

9.1.4试验结果及其分析300

9.2井壁极限承载力的理论分析307

9.2.1本构关系308

9.2.2强度准则308

9.2.3理论分析309

9.3井壁承载力理论分析与实验结果比较312

9.4井壁混凝土强度准则研究312

9.4.1典型混凝土强度准则313

9.4.2井壁结构混凝土强度准则313

9.5冻结井筒高强高性能钢筋混凝土井壁工程应用研究316

9.5.1工程概况316

9.5.2井筒工程地质及水文地质特征316

9.5.3井壁结构形式选择318

9.5.4控制层位井壁厚度估算319

9.5.5高强高性能钢筋混凝土井壁设计优化320

9.5.6冻结井筒高强高性能混凝土的配制与工程应用325

参考文献333

第10章 冻结井筒高强钢筋混凝土预制弧板井壁研究335

10.1高强钢筋混凝土预制弧板井壁接头形式及垫层材料研究335

10.1.1高强钢筋混凝土预制弧板井壁接头形式335

10.1.2高强钢筋混凝土预制弧板井壁接头垫层材料336

10.2高强钢筋混凝土预制弧板外壁试验研究337

10.2.1高强钢筋混凝土预制弧板外壁单体构件试验337

10.2.2高强钢筋混凝土预制弧板井壁整体结构试验341

10.3预制弧板井壁接头力学特性研究346

10.3.1预制弧板井壁接头力学特性试验研究346

10.3.2预制弧板井壁接头力学特性理论分析364

10.3.3预制弧板井壁力学特性数值分析368

参考文献379

第11章 冻结井竖向可缩性井壁结构的研究与应用380

11.1可缩性井壁结构工作原理和结构形式383

11.1.1可缩性井壁结构工作原理383

11.1.2可缩性井壁接头结构形式384

11.2可缩性井壁设计原则及方法386

11.2.1可缩性井壁设计原则386

11.2.2可缩性井壁接头简化设计方法386

11.3疏水沉降地层条件下可缩性井壁的作用机理研究387

11.3.1有限元计算模型387

11.3.2地层疏水固结的等效处理388

11.3.3工况模拟389

11.3.4竖向刚性井壁与地层共同作用分析389

11.3.5竖向可缩性井壁与地层共同作用分析390

11.4可缩性井壁接头力学特性模型试验研究392

11.4.1模型试验方案392

11.4.2模型试验相似准则393

11.4.3井壁接头模型尺寸394

11.4.4模型试验测试方法394

11.4.5竖向加载试验结果与分析394

11.4.6侧向加载试验结果与分析396

11.4.7三轴加载试验结果与分析398

11.5可缩性井壁接头力学特性数值模拟研究400

11.5.1数值计算模型400

11.5.2荷载及边界条件401

11.5.3竖向承载力分析结果401

11.5.4水平承载力分析结果402

11.5.5数值模拟和模型试验结果对比403

11.6可缩性井壁接头竖向稳定性数值模拟研究404

11.6.1稳定性分析的概念404

11.6.2稳定性分析的类型404

11.6.3可缩性井壁接头的特征值屈曲分析405

11.6.4竖向可缩性井壁接头的非线性屈曲分析406

11.7可缩性井壁接头的现场施工技术408

11.7.1井壁接头地面焊接408

11.7.2井壁接头井下施工410

11.7.3施工安全技术措施412

11.7.4井壁接头施工效果413

11.8可缩性井壁的推广应用413

参考文献414

第12章 深厚冲积层冻结法凿井典型工程应用415

12.1丁集矿冻结法凿井工程415

12.1.1工程概况415

12.1.2工程地质与水文地质415

12.1.3冻结方案416

12.1.4冻结孔施工418

12.1.5冻结制冷控制419

12.1.6井壁结构方案427

12.1.7冻结段掘砌施工428

12.1.8井壁内外力监测430

12.2口孜东矿冻结法凿井工程441

12.2.1工程概况441

12.2.2工程地质与水文地质441

12.2.3冻结方案442

12.2.4冻结孔施工445

12.2.5冻结制冷控制445

12.2.6井壁结构方案450

12.2.7冻结段掘砌施工451

12.2.8井壁内外力监测456

参考文献471

附表472