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白垩系含水软岩地层冻结与强制解冻规律研究

作　者: 郑铁骑
导　师: 刘殿书；杨仁树
学　校: 中国矿业大学（北京）
专　业: 岩土工程
关键词: 白垩系强制解冻冻结数值模拟信息化
分类号: P642.14
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 6次
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内容摘要

本文以室内试验、理论分析、数值分析和现场实测为研究手段,对白垩系含水软岩地层冻结与强制解冻理论与应用进行了较为深入、系统的研究。论文研究了从-5℃到-15℃条件下的白垩系地层的冻土力学和热物理性能。建立了各阶段的温度场数学模型和相应的热传导控制方程以及冻结壁冻融温度场计算模型,给出了冻结壁形成和强制解冻融化过程及规律；分析了影响冻结壁冻融温度场的各个因素及其对温度场的显著性影响,同时对冻结和强制解冻温度场进行了多因素回归分析。通过冻结与强制解冻交互作用下的温度场、冻结壁冻胀以及井壁的受力变形规律研究,得到了单一冻结和冻融交互作用下的温度场、冻结壁冻胀以及井壁受力变形规律。以灵东煤矿冻结和强制解冻为工程背景,进行了白垩系地层冻结信息化施工技术的研究。

全文目录

摘要  6
Abstract  6-7
详细摘要  7-10
Detailed Abstract  10-17
1 绪论  17-25
  1.1 问题的提出  17-18
  1.2 研究的目的与意义  18
  1.3 白垩系含水软岩地层冻结关键技术研究现状  18-21
    1.3.1 冻土力学特性的研究现状  19
    1.3.2 冻结温度场研究现状  19-20
    1.3.3 强制解冻温度场研究现状  20-21
    1.3.4 冻胀融沉研究现状  21
  1.4 研究内容、方法及技术路线  21-25
    1.4.1 研究内容  21-22
    1.4.2 研究方法和技术路线  22-25
2 白垩系地层冻土力学特性和热物理性能  25-35
  2.1 白垩系地层冻土力学特性  25-31
    2.1.1 试验准备  25-26
    2.1.2 主要试验设备  26-29
    2.1.3 试验方法与步骤  29-30
    2.1.4 试验结果  30-31
  2.2 白垩系地层冻土热物理性能  31-34
    2.2.1 比热  31
    2.2.2 导热系数  31
    2.2.3 导温系数  31-32
    2.2.4 热容量  32
    2.2.5 相变潜热  32-33
    2.2.6 试验结果  33-34
  2.3 本章小结  34-35
3 冻结和强制解冻温度场研究  35-87
  3.1 影响冻融温度场的主要因素  35-37
    3.1.1 岩土体性质  35
    3.1.2 冻结、融化温度  35-36
    3.1.3 冻结孔布置方式  36
    3.1.4 盐水温度及流量  36-37
    3.1.5 冻结形式  37
  3.2 冻结和强制解冻技术的原理  37-40
    3.2.1 冻结原理  37-38
    3.2.2 强制解冻原理  38-39
    3.2.3 强制解冻的参数  39-40
  3.3 井筒冻结和强制解冻温度场的数学模型  40-44
    3.3.1 井筒开挖前的冻结温度场  40-42
    3.3.2 井筒开挖后的冻结温度场  42
    3.3.3 浇筑井壁后的冻结温度场  42-43
    3.3.4 强制解冻时的温度场  43-44
  3.4 冻结和强制解冻温度场数值模拟  44-47
    3.4.1 有限单元法基本理论  44-45
    3.4.2 ANSYS计算软件简介  45-46
    3.4.3 ANSYS热分析与相变问题  46-47
  3.5 典型参数下冻融温度场数值计算  47-52
    3.5.1 模型基本假定  47
    3.5.2 数值计算模型  47-48
    3.5.3 初始条件和边界条件  48-49
    3.5.4 典型参数下冻融温度场数值计算结果  49-52
  3.6 冻结和强制解冻温度场数值计算方案  52-60
    3.6.1 冻结温度场单因素试验安排  52-53
    3.6.2 冻结温度场正交试验安排  53-54
    3.6.3 强制解冻温度场单因素试验安排  54
    3.6.4 强制解冻温度场正交试验安排  54-55
    3.6.5 多因素回归试验安排  55-60
  3.7 冻结和强制解冻温度场数值计算结果分析  60-85
    3.7.1 冻结温度场单因素试验结果  60-64
    3.7.2 冻结温度场正交试验结果  64-68
    3.7.3 强制解冻温度场单因素试验结果  68-72
    3.7.4 强制解冻温度场正交试验结果  72-74
    3.7.5 多因素回归试验结果分析  74-76
    3.7.6 冻结和强制解冻温度场反分析计算  76-77
    3.7.7 灵东风井冻结温度场反分析计算  77-81
    3.7.8 灵东主井冻结和强制解冻温度场数值模拟  81-85
  3.8 本章小结  85-87
4 白垩系地层冻融对井壁的作用规律研究  87-115
  4.1 数值计算模型  87-89
    4.1.1 模型基本假定  87
    4.1.2 几何模型  87-88
    4.1.3 模型的边界条件  88
    4.1.4 模型的荷载  88
    4.1.5 单元网格的划分  88-89
  4.2 数值模拟计算方案  89-91
    4.2.1 计算参数  89
    4.2.2 计算方案  89-91
  4.3 计算结果分析  91-114
    4.3.1 冻结壁冻胀计算结果的分析  91-106
    4.3.2 单因素条件下计算结果分析  106-110
    4.3.3 多因素条件下正交法安排的数值模拟计算结果分析  110-114
  4.4 本章小结  114-115
5 白垩系含水软岩地层冻结的现场实测研究  115-135
  5.1 人工地层冻结信息化施工方法  115-116
    5.1.1 信息采集  115
    5.1.2 信息处理  115-116
    5.1.3 信息反馈  116
  5.2 灵东矿冻结信息化施工  116-134
    5.2.1 工程概况及地质条件  116-119
    5.2.2 监测方案  119
    5.2.3 强制解冻监测方案  119-120
    5.2.4 冻结工程现场实测与分析  120-126
    5.2.5 强制解冻工程实测与分析  126-134
  5.3 本章小结  134-135
6 结论与展望  135-137
  6.1 主要结论  135-136
  6.2 主要创新点  136
  6.3 展望  136-137
参考文献  137-143
致谢  143-145
作者简介  145
在学期间参加的科研项目  145
在学期间发表的学术论文  145

白垩系含水软岩地层冻结与强制解冻规律研究

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