顧北礦副井井壁與凍結壁的共同作用分析

逯智超 （安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

1 概 述

自1880年德國工程師P·H·Poetsch提出人工地層凍結法（Artificially Ground Freezing Method)原理并應用于鑿井工程已有120多年歷史。我國首次于1955年在開灤林西風井采用凍結法鑿井并獲得成功。此后，凍結法在我國主要用于不穩定含水地層里的鑿井工程。隨著我國地下工程的增多，凍結法逐漸由礦井建設工程向土木工程領域推廣應用[1]。凍結壁是一種臨時承載結構，在設計永久內層井壁時不能將其承載能力考慮進去，但在設計外層井壁時，應該考慮其與外層井壁相互作用，共同承載[2]。因此，合理的凍結壁設計要考慮到井壁與凍結壁的共同作用[3]。

2 凍結壁和井壁共同作用分析方法

對于上部結構、基礎與地基共同作用理論的研究，國內外主要通過實測研究、模型試驗、理論分析三個方面來進行。

2.1 實測研究

近年來，深部井筒與凍結壁共同作用的原位實測研究已成為人們關注的焦點，并在理論和實踐方面均己取得了較大的進展。因凍土的復雜性及計算模型假定與實際條件的差異，使計算分析很難真實反映凍結壁和井壁的實際受力特性。而工程原位測試直接反映了實際的受力狀態，通過對實測結果的分析研究，可以揭示井壁與凍結壁共同作用的機理，從定性和定量上提高對深表土凍結壁－井壁共同工作特性的認識，為實際的工程設計提供依據。此外，實測結果還可用來檢驗和判斷理論分析的正確性。但是，現場實測受地質條件的影響，在不同土質中的共同作用性狀存在著一定的差異，因此必須結合具體的土質條件進行實測分析，才會對相應地質條件下的工程設計具有參考價值。

2.2 模型試驗

對于共同作用的研究，國內外有關學者充分利用模型試驗這一有利的研究手段在室內做了大量的模型試驗，并結合少量的現場試驗來進行共同作用的研究。試驗分析是深井井壁計算方法發展過程中的一個重要組成部分。但是，如果考慮眾多因素影響的話，模型試驗中由于體積縮小而帶來的尺寸效應是不可忽略的，而且模型試驗的花費也是很大的。因此，目前大多數的模型試驗僅局限于某個局部的模擬，以驗證某一計算模型，而整體模型試驗較少。盡管模型試驗有許多其自身不能克服的缺點，但在局部領域的研究中仍不失為一種簡便易行的方法。

2.3 理論分析

深井凍結壁和井壁共同作用分析，一直被視為一個十分復雜的研究課題。經過幾十年的研究，共同作用的理論分析在巖土工程領域中己取得了不少的研究成果，如：可以采用有限單元法、有限條法、有限差分法或解析方法對井壁和凍結壁進行分析。對于共同作用研究的理論分析可歸結為以下兩種方法。

2.3.1 解析法

解析法是指直接從微分方程出發，應用數學理論推導出問題的一般解，然后利用邊界條件得到問題的定解。但解析法只是對一些特殊情況給出了解答，由于凍結壁邊界條件和凍土性質的復雜性，很多情況難于求解。至今人們尚無法用精確的數學表達式來全面反映其共同作用的內在規律，只能借助各種簡化方法或數值解法。

2.3.2 數值法

對于深井凍結壁和井壁共同作用分析問題的研究，目前仍是停留在數值方法為主的階段。對于深井凍結壁和井壁共同作用整體分析研究，做很少次試驗己相當困難，更不要說做很多次試驗以獲得統計規律；另外由于實測研究花費昂貴、周期長，因此在當前的情況下數值研究不失為一種很好的選擇；而且數值研究費用低廉、時間短，能夠考慮模型試驗中不能考慮的情況，但是數值研究方法和計算結果的可靠性還須進一步提高，這就必須與試驗和實測相結合。

3 井壁和凍結壁共同作用的數值模擬

3.1 計算模型及參數

為計算簡便采用平面模型建立數值計算模型,如圖1所示。計算模型的邊界條件，外邊界取外圈凍結管影響范圍以外邊界為絕熱邊界條件。單元節點選用4節點高階單元，分析凍結壁和井壁共同作用時，其單元網格和溫度場相同，邊界為力的邊界條件。

圖1 計算模型

計算應力場和溫度場耦合時直接選用ADINA 和ADINA-T計算模塊進行耦合分析。計算模型凍土物理力學參數見表1。

計算模型凍土物理力學參數 表1

3.2 數值計算結果

通過相互作用的數值模擬，可以獲得凍結壁和井壁應變分布云圖，如圖2～3所示；應力沿徑向分布，如圖4；數值模擬和現場實測比較，如圖5所示。

4 結 語

①從圖2和3反映出井壁和凍結壁交界處變形最大，結合實測凍結壓力原因分析，凍結壓力主要是由凍土變形所引起的，其大小和變化規律和實測值吻合（如圖5）。

②圖4的模擬結果表明：井壁內緣的MISES應力最大，隨著井壁半徑的增大應力迅速減少，在凍結壁和井壁交界處有一個應力拐點，凍結壁內部應力降低，沿半徑方向逐漸減緩，說明井壁內緣最容易發生破壞。

圖2 z方向上的應變分布

圖3 y方向上的應變分布

圖4 MISES應力分布

圖5 數值模擬和現場實測比較

③實測壓力為凍結壁的最大凍結壓力，就作用在井壁的荷載而言此處的MISES應力最小。

[1]乾增珍,魯先龍,陳湘生.人工凍土蠕變的數值計算及其模擬[J].中國礦業大學學報,2004(3).

[2]榮傳新,王秀喜,程樺.深厚沖積層凍結壁和井壁共同作用機理研究[J].工程力學,2009(3).

[3]孫文若.深井凍結壁與外井壁共同作用的理論分析和計算方法[J].建井技術,1983(2).