我国西部地区全基岩深冻结井穿越的白垩—侏罗纪煤系地层,多为泥、钙质胶结充填的裂隙-孔隙双重介质,表现为“海绵式”出水特点。其砂岩、砾岩、砂质泥岩具有泥质胶结、遇水砂化泥化、遇风风化、强度较低、可注性差等特点。由此,冻结壁融化后,基岩冻结井壁长期承受地下高压水作用,致使井筒渗漏水屡屡发生,严重者引发井壁破损涌水事故。因此,开展冻结井高强混凝土井壁流固耦合损伤受力机理及承载力研究,对解决上述技术难题具有重要的理论意义和应用价值。本文通过高强井壁混凝土物理力学参数测试以及三轴压缩和渗流试验,观察其受力全过程损伤演化及细观结构变化;基于大量实验测试数据,以环向应变表征其损伤变量,建立其弹塑性损伤本构关系;分析围压、损伤变量、主应力差与混凝土渗透性之间关系,运用数理统计回归分析方法,获得混凝土渗透系数与围压、损伤等相关经验公式。基于有效应力原理,将混凝土视为多孔介质,引入上述弹塑性损伤本构方程,应用混凝土统一屈服理论和强度准则,考虑地下水渗流作用影响,建立高水压直接作用井壁荷载分析模型,并结合混凝土损伤本构关系以及渗透系数与损伤耦合方程,推导出高压水作用冻结井壁流固耦合弹塑性损伤外水压力解析解,并得到试验验证;应用该解析解,深入分析了外水压力与损伤区半径、孔隙水压与渗透系数关系,以及井壁应力及其损伤演化与井壁承载力主要影响因素,揭示了高压水作用混凝土冻结井壁流固耦合弹塑性损伤受力机理。开展了高压水作用原材料井壁模型试验。通过孔隙水压传感器和声发射设备对加载过程中井壁内部孔隙水压力和内部损伤的产生进行监测,得到了宝贵的试验数据,并依据井壁模型试验结果深入分析了高水压直接作用下井壁承载机理。分析试验结果发现:井壁内部水压力的传递与井壁混凝土的应力状态密切相关,混凝土应力场的变化改变材料的细观结构,细观结构的改变又影响到材料渗透性,从而引起井壁内渗流场的变化,井壁内渗流场与应力场始终动态相关。通过有限元数值分析软件COMSOL Multi-physics,将两场中耦合变量作为参数变量,分别选用软件中的达西渗流场和固体力学场来处理渗流场方程和应力场方程的求解;利用软件中的PDE模块和自定义变量的方法实现耦合变量的嵌入,建立渗流场与应力场耦合作用下混凝土本构模型,对相似模型试验过程进行数值模拟计算,分析其应力场及渗流场的变化情况,并与试验结果进行对比分析,进一步探明渗流-损伤耦合作用下的立井井壁受力机理。图[51]表[6]参[160]