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随着冻结深度的不断增加和井筒施工速度的加快,在冻结法凿井过程中冻结管断裂和外层井壁破裂事故时有发生。为减少事故的发生,研究深厚冲积层冻结壁与井壁之间的相互作用力,弄清冻结压力的大小和分布规律极其重要。本文针对黄淮地区所特有的地质特性,首先对该地区的地质状况进行了研究,根据各个矿井的冻土资料系统地分析了该地区地层的冻结特性;其次阐述了冻结井筒监测原理及冻结压力产生机理,通过对大量的实测数据进行统计分析,得出了冻结压力的变化及其分布规律,并且回归得出了深厚冲积层冻结压力计算公式:最后通过数值模拟,结合工程实况,研究分析了冻结壁与井壁之间的相互作用。
研究结果表明:冻结压力增长过程具有相似性,一般可分为直线增压段、曲线增压段、缓慢增压段三个阶段;外层井壁浇筑后30天内是冻结压力急剧增长阶段,外层井壁浇筑30天时大多数地层的冻结压力已接近最大值,此阶段高风险期,外层井壁很有可能发生压坏;冻结压力受到土层埋深、土性、冻结温度、冻结壁的冻结状态、施工工艺等各种因素的影响,同一水平冻结压力存在不均匀性;针对深厚冲积层中粘土和钙质粘土两种土性,分别回归得出了粘土层的结压力计算公式和钙质粘土层的冻结压力计算公式,更加具有针对性和精确性;通过数值棋拟得到井壁在不同部位、不同时间径向应力的分布情况,并通过与实测值的对比,验证了用数值计算模拟井壁的受力情况是可行的。该成果为今后我国类似地区深厚冲积层的冻结井筒外壁的设计与施工提供了重要的参考。