顾北矿副井井壁与冻结壁的共同作用分析

逯智超 （安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

1 概 述

自1880年德国工程师P·H·Poetsch提出人工地层冻结法（Artificially Ground Freezing Method)原理并应用于凿井工程已有120多年历史。我国首次于1955年在开滦林西风井采用冻结法凿井并获得成功。此后，冻结法在我国主要用于不稳定含水地层里的凿井工程。随着我国地下工程的增多，冻结法逐渐由矿井建设工程向土木工程领域推广应用[1]。冻结壁是一种临时承载结构，在设计永久内层井壁时不能将其承载能力考虑进去，但在设计外层井壁时，应该考虑其与外层井壁相互作用，共同承载[2]。因此，合理的冻结壁设计要考虑到井壁与冻结壁的共同作用[3]。

2 冻结壁和井壁共同作用分析方法

对于上部结构、基础与地基共同作用理论的研究，国内外主要通过实测研究、模型试验、理论分析三个方面来进行。

2.1 实测研究

近年来，深部井筒与冻结壁共同作用的原位实测研究已成为人们关注的焦点，并在理论和实践方面均己取得了较大的进展。因冻土的复杂性及计算模型假定与实际条件的差异，使计算分析很难真实反映冻结壁和井壁的实际受力特性。而工程原位测试直接反映了实际的受力状态，通过对实测结果的分析研究，可以揭示井壁与冻结壁共同作用的机理，从定性和定量上提高对深表土冻结壁－井壁共同工作特性的认识，为实际的工程设计提供依据。此外，实测结果还可用来检验和判断理论分析的正确性。但是，现场实测受地质条件的影响，在不同土质中的共同作用性状存在着一定的差异，因此必须结合具体的土质条件进行实测分析，才会对相应地质条件下的工程设计具有参考价值。

2.2 模型试验

对于共同作用的研究，国内外有关学者充分利用模型试验这一有利的研究手段在室内做了大量的模型试验，并结合少量的现场试验来进行共同作用的研究。试验分析是深井井壁计算方法发展过程中的一个重要组成部分。但是，如果考虑众多因素影响的话，模型试验中由于体积缩小而带来的尺寸效应是不可忽略的，而且模型试验的花费也是很大的。因此，目前大多数的模型试验仅局限于某个局部的模拟，以验证某一计算模型，而整体模型试验较少。尽管模型试验有许多其自身不能克服的缺点，但在局部领域的研究中仍不失为一种简便易行的方法。

2.3 理论分析

深井冻结壁和井壁共同作用分析，一直被视为一个十分复杂的研究课题。经过几十年的研究，共同作用的理论分析在岩土工程领域中己取得了不少的研究成果，如：可以采用有限单元法、有限条法、有限差分法或解析方法对井壁和冻结壁进行分析。对于共同作用研究的理论分析可归结为以下两种方法。

2.3.1 解析法

解析法是指直接从微分方程出发，应用数学理论推导出问题的一般解，然后利用边界条件得到问题的定解。但解析法只是对一些特殊情况给出了解答，由于冻结壁边界条件和冻土性质的复杂性，很多情况难于求解。至今人们尚无法用精确的数学表达式来全面反映其共同作用的内在规律，只能借助各种简化方法或数值解法。

2.3.2 数值法

对于深井冻结壁和井壁共同作用分析问题的研究，目前仍是停留在数值方法为主的阶段。对于深井冻结壁和井壁共同作用整体分析研究，做很少次试验己相当困难，更不要说做很多次试验以获得统计规律；另外由于实测研究花费昂贵、周期长，因此在当前的情况下数值研究不失为一种很好的选择；而且数值研究费用低廉、时间短，能够考虑模型试验中不能考虑的情况，但是数值研究方法和计算结果的可靠性还须进一步提高，这就必须与试验和实测相结合。

3 井壁和冻结壁共同作用的数值模拟

3.1 计算模型及参数

为计算简便采用平面模型建立数值计算模型,如图1所示。计算模型的边界条件，外边界取外圈冻结管影响范围以外边界为绝热边界条件。单元节点选用4节点高阶单元，分析冻结壁和井壁共同作用时，其单元网格和温度场相同，边界为力的边界条件。

图1 计算模型

计算应力场和温度场耦合时直接选用ADINA 和ADINA-T计算模块进行耦合分析。计算模型冻土物理力学参数见表1。

计算模型冻土物理力学参数 表1

3.2 数值计算结果

通过相互作用的数值模拟，可以获得冻结壁和井壁应变分布云图，如图2～3所示；应力沿径向分布，如图4；数值模拟和现场实测比较，如图5所示。

4 结 语

①从图2和3反映出井壁和冻结壁交界处变形最大，结合实测冻结压力原因分析，冻结压力主要是由冻土变形所引起的，其大小和变化规律和实测值吻合（如图5）。

②图4的模拟结果表明：井壁内缘的MISES应力最大，随着井壁半径的增大应力迅速减少，在冻结壁和井壁交界处有一个应力拐点，冻结壁内部应力降低，沿半径方向逐渐减缓，说明井壁内缘最容易发生破坏。

图2 z方向上的应变分布

图3 y方向上的应变分布

图4 MISES应力分布

图5 数值模拟和现场实测比较

③实测压力为冻结壁的最大冻结压力，就作用在井壁的荷载而言此处的MISES应力最小。

[1]乾增珍,鲁先龙,陈湘生.人工冻土蠕变的数值计算及其模拟[J].中国矿业大学学报,2004(3).

[2]荣传新,王秀喜,程桦.深厚冲积层冻结壁和井壁共同作用机理研究[J].工程力学,2009(3).

[3]孙文若.深井冻结壁与外井壁共同作用的理论分析和计算方法[J].建井技术,1983(2).