【正文】 在此界限以上，融化下沉系數(shù)隨含水量的增加而增大。 凍土蠕變本構(gòu)關(guān)系式為： cBtA ??? )(? 將其轉(zhuǎn)化成復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的凍土蠕變本構(gòu)關(guān)系，并由剪應(yīng)力強(qiáng)度和剪應(yīng)變來表示可得： CBi tA ??? )(? 式中： )(?A —— 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)系數(shù) ，且有 )(?A = )(3 21 ?AB? 從而按變形條件計(jì)算凍結(jié)壁的厚度又可描述為： ? ? ? ? aBBBCBaBaa RARhRhPBRE ??????????? ???????????????? ?? ? 1111111 ??? ②陳湘生博士在維亞洛夫公式基礎(chǔ)上，通過凍土三軸剪切蠕變模型試驗(yàn)，將凍土蠕變本構(gòu)關(guān)系中的溫度也分離出來，提出了深凍結(jié)壁理論及公式： 第 26 頁 ? ?? ? aBBBCBaBaBKa RARhRhPBRE ???????????????????????????????? ??? 110111111??? 式中， aR 井筒掘進(jìn)半徑， m ? 一一工作面約束參數(shù)， ； p —— 水平地壓， p =179。 (l)凍結(jié)區(qū)溫度場(chǎng) 凍結(jié)區(qū)溫度場(chǎng)是一個(gè)相變溫度場(chǎng)，常用圓管穩(wěn) 定導(dǎo)熱來計(jì)算。斜井凍結(jié)法與立井凍結(jié)法因井筒開拓方式的不同 ,導(dǎo)致了各自凍結(jié)方案和凍結(jié)設(shè)計(jì)上的不同。 6）為了報(bào)導(dǎo)凍結(jié)壁交圈情況，每段均設(shè)置 2個(gè)水文孔。因此，我們由圓形井筒受力分析入手，來討論斜井凍結(jié)壁厚度計(jì)算方法。為安全起見，也可忽略滑動(dòng)面阻力，而將頂壓公式簡(jiǎn)化為 Hqd ?? 。同時(shí)在掘砌施工中，需要割斷垂直凍結(jié)方式的頂?shù)装鍍鼋Y(jié)管。 ②兩側(cè)凍結(jié)壁承受壓力計(jì)算 兩側(cè)凍結(jié)壁承受壓力按重液公式計(jì)算，其計(jì)算公式為： ? 式中， p — 兩側(cè)凍結(jié)壁承受的壓力， MPa； H — 控制層深度， m。 （ 2）凍結(jié)壁厚度計(jì)算 1）地壓計(jì)算 ①頂板凍結(jié)壁承受壓力計(jì)算 垂直于井筒外凍結(jié)頂板最大 壓力可按“淺埋峒室松動(dòng)壓力的巖柱理論”計(jì)算。 （２） 井筒凍結(jié)壁底板厚度計(jì)算 由于井筒底板是被動(dòng)受力，所以底板附近圍巖不是均勻受力，受井筒下部和兩側(cè)圍巖普氏系數(shù)影響較大。??? (2)淺埋井筒圍巖壓力計(jì)算 當(dāng)埋深 qhH )~(? 時(shí)，為淺埋井筒，其圍巖壓力為 ?????? ??????? ???????? ??????? ???245t a n2qt a n245t a n2122。那么主斜井凍結(jié)孔垂深為 ～ (均以井口絕對(duì)標(biāo)高 +726m 為177。 5mm 凍結(jié)管外部焊接φ 159179。當(dāng)界面厚度達(dá)到 5m 后，主、界面的平均溫度的差值約小于 1℃。在鄰近的各個(gè)凍土圓柱相連接后，形成一個(gè)連續(xù)的凍土墻，此時(shí)，平面圖上圍繞著凍結(jié)管的各個(gè)等溫線是彼此相互平行 的波狀曲線，其波峰正對(duì)著凍結(jié)管，離開凍結(jié)管越遠(yuǎn)，等溫線越趨向拉直。 (l)按強(qiáng)度條件計(jì)算 前蘇聯(lián)學(xué)者里別爾曼提出永極限平衡原理的極值曲線原理計(jì)算凍結(jié)壁的厚度，假設(shè)： ①凍結(jié)壁的側(cè)面的壓力為 iihP ??? ②段高的上下段固定； ③凍土為塑性體； ④根據(jù)第三強(qiáng)度理論，抗剪強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度 之半； ⑤計(jì)算時(shí)考慮到強(qiáng)度松弛，取隨時(shí)間變化的凍土強(qiáng)度。表征土的融化下沉和融化壓縮能力的兩個(gè)指標(biāo) A。由于在凍結(jié)過程中水分遷移使細(xì)粒土的含水量增加，遷移水的體積加劇了濕土的凍脹。伴隨以土顆粒的重新組合與重新定向，力圖使自己的基面沿最大剪應(yīng)力的方向排列，占據(jù)與最小位能相應(yīng)的位置。整體狀構(gòu)造的凍土在其他條件相同的情況下，其摩擦力和粘結(jié)力小于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凍土。在實(shí)際工程中筒形凍結(jié)壁不僅徑向各點(diǎn)的溫度不同，環(huán)向各點(diǎn)的溫度也有所差別。在該區(qū)內(nèi)，溫度變化 1℃時(shí)未凍水含量的變化為 l%或大于與干土重之比； 510℃緩慢過渡區(qū)。如圖 所示，土中水的凍結(jié)過程可以劃分為五段 : 圖 1—— 冷卻段：向土層供冷初期，土體逐漸降溫以達(dá)到冰點(diǎn)； 2—— 過冷段：土體降溫至 O℃以下時(shí)，自由水尚不結(jié)冰，呈現(xiàn)過 冷現(xiàn)象； 3—— 突變段：水過冷后，一旦結(jié)晶就立即放出結(jié)冰潛熱，出現(xiàn)升溫現(xiàn)象； 4—— 凍結(jié)段：溫度上升接近 O℃時(shí)穩(wěn)定下來，土體中的水便產(chǎn)生結(jié)冰過程，將礦物顆粒膠結(jié)成整體形成凍土； 5—— 凍土繼續(xù)冷卻段：隨著溫度的降低，凍土的強(qiáng)度逐漸增大。英國(guó)的博爾比鉀鹽礦井，地層凍結(jié)深度達(dá) 930m，為世界上凍結(jié)深度最深的礦井。 我國(guó)能源 70%依賴于煤炭的現(xiàn)狀在短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，而目前的趨勢(shì)表明，煤炭需求旺盛，專家估計(jì)我國(guó)未來一段時(shí)期煤炭的年需求量將達(dá)到 40 億噸，建設(shè)一批新的大型、特大型礦井已是我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的必然要求。 3）中粒砂巖：厚度為 ，占本組地層厚度的 %，厚層狀，成分由長(zhǎng)石、少量石英及巖屑組成，泥質(zhì)膠結(jié)， RQD 值為 %。 井筒工程 地質(zhì)條件 大南湖十號(hào)煤礦主、副、風(fēng)井井筒檢查孔穿見的地層由新到老分別為第四系、新近系上新統(tǒng)葡萄溝組、侏羅系中統(tǒng)西山窯組地層。泥巖為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，膠結(jié)差，易風(fēng)化，遇水易膨脹、崩解。 井檢孔層段主要含水層特征 根據(jù)井筒檢查鉆孔所獲資料，井筒設(shè)計(jì)掘進(jìn)層段穿見的含水層自上而下分為三個(gè)含水層組，即第四系透水不含水層；新近系上新統(tǒng)葡萄溝組含水層；侏羅系中統(tǒng)西山窯組含水層。西山窯組地層厚度變化較大，鉆孔控制地層平均厚度 677m，總體呈北厚南薄的變化規(guī)律，井田含煤地層具有北部淺、南部深的特點(diǎn)。 08′ 00″；北緯 42176。 中國(guó)中煤能源股份有限公司新疆分公司（以下簡(jiǎn)稱“中煤新疆分公司”）成立于 20xx 年 6月，駐地在烏魯木齊市高新區(qū) ,是中煤集團(tuán)及中煤能源在新疆設(shè)立的分支機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)中煤能源在新疆項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理工作，代表中煤能源履行出資人職能。本井田位于哈密市東南 70km 處，行政區(qū)劃屬哈密市管轄。含煤地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組。 水文地質(zhì)概況 井田水文地質(zhì) 本井田位于大南湖坳陷區(qū)（Ⅲ 8）東北部，區(qū)內(nèi)地層主要由第四系松散巖類、新近系、侏羅系沉積碎屑巖類組成，劃分的依據(jù)主要以巖性組合特征、地層富水性作為含水層（段）的劃分依據(jù)。屬于承壓裂隙富水性弱含水層。 進(jìn)入到春季融雪期或夏天的雨季，雪融水或陣雨、暴雨易在地表形成暫時(shí)性地表水流，在順地形坡度或沖溝向下游排泄的同時(shí)，可通過地表風(fēng)化、構(gòu)造裂隙等入滲補(bǔ)給地下水。 2）粗粒砂巖：厚度為 ，占本組地層厚度 的 %，厚層狀，成分由長(zhǎng)石、少量石英及巖屑組成，泥質(zhì)膠結(jié)， RQD 值為 %。 主斜井地層結(jié)構(gòu)見 表 、表 、表 表 。國(guó)外采用凍結(jié)法鑿井較多的國(guó)家有英國(guó)、德國(guó)、波蘭、前蘇聯(lián)、加拿大和比利時(shí)等，這些國(guó)家的凍結(jié)鑿井深度均達(dá)到過 500m 以上，但多為含水量和地壓較大的基巖地段，對(duì)于深厚沖積層的深井凍結(jié)施工工程并不多見，斜井凍結(jié)施工更是少之又少。斜井凍結(jié)水平距離長(zhǎng)，凍結(jié)孔多，鹽水 第 12 頁 干管為平行布置，管路比立井井筒復(fù)雜，為此要合理安排鹽水來去路管線，保證各凍結(jié)管能均勻分配到流量。凍土中的未凍水含量不僅是計(jì)算相變潛熱的必要指標(biāo)，而且直接制約凍土的力學(xué)特性，其含量隨土類、溫度和外載而變，并與凍結(jié)負(fù)溫值保持冪函數(shù)形式的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。試驗(yàn)表明，當(dāng)土的含水量不同時(shí)，凍結(jié)溫度也不同，其規(guī)律是土的凍結(jié)溫度隨含水量的增加而升高。 這些特性對(duì)凍土來講都是變化的，它們會(huì)隨著土壤構(gòu)造特 性，冷凍溫度，試 第 19 頁 驗(yàn)時(shí)間和其他因素而急劇地變化。在荷 載作用下，土骨料的個(gè)別地方出現(xiàn)應(yīng)力集中使冰一未凍水體系的平衡狀態(tài)破壞，冰融化以融化的水來補(bǔ)充薄膜水。當(dāng)土的含水量超過某一臨界值時(shí)，冰已成為凍土的基本骨架，土顆粒基本懸浮在冰中，此時(shí)，即使在極小荷載作用下，它也和冰一樣 .發(fā)生非衰減蠕變。第一步，在等于土自重的荷載的作用下令土充分加熱并融化，定義土層在無側(cè)向壓縮時(shí)融化前后厚度差△ h 為融化下沉量，融化下沉量與土融化前厚度 h 之比 A0為融化下沉系數(shù)。 國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者認(rèn)為，在深厚沖積層凍結(jié)時(shí)，可使凍結(jié)壁全部進(jìn)入塑性狀態(tài)極限狀態(tài)，以一定的安全系數(shù)來保證凍結(jié)壁的安全度，則 kpRaEs )1)(( e xp 4 ?? ?? 第 24 頁 式中：Φ 4— 系數(shù)，當(dāng)用第三強(qiáng)度理論時(shí)，取值 1:當(dāng)用第四強(qiáng)度理論時(shí)，取值 3 /2； k 安全系數(shù)，取值 ～ 。在此期間，平面圖上的等溫線是以凍結(jié)管軸心為中心的一組同心圓。凍結(jié)壁主面的平均溫度比其界面的平均溫度低 。 2）采用異徑凍結(jié)方式，斜井頂板凍結(jié)壁厚度以上為小管徑凍結(jié)管，可節(jié)省凍結(jié)制冷量。 12）凍結(jié)開機(jī)前，所有影響凍結(jié)的水源井必須停止使用，確保井筒凍結(jié)施工安全。圖中： qh為深埋井筒壓力 拱高度；ｈ為井筒掘進(jìn)高度；ａ為井筒掘進(jìn)寬度之半； 1a 為兩幫不穩(wěn)定范圍；ｂ為壓力拱跨度之半； bd??, 分別為頂板、井幫圍巖容重； bd ff, 分別為頂板、井幫圍巖普氏系數(shù)； bd??, 分別為頂板、井幫圍巖似內(nèi)摩擦角； bdqq,分別為井筒頂壓和側(cè)壓。 深埋井筒 （１） 井筒凍結(jié)壁頂板厚度計(jì)算 深埋井筒形成壓力拱時(shí)，凍結(jié)壁形成的頂板，一是要將壓力拱內(nèi)可能塌落的圍巖凍結(jié)成整體，提高井筒頂部圍巖普氏系數(shù)，減小壓力拱高度；二是要將部分壓力拱圍巖凍結(jié)，使圍巖壓力拱具有封水作用；三是要讓頂板凍結(jié)圍巖本身所形 第 38 頁 成的壓力拱發(fā)揮作用。 兩幫凍結(jié)壁厚度應(yīng)在此基礎(chǔ)上外擴(kuò)，使斜井凍結(jié)壁接近一個(gè)厚壁圓筒。且井筒掘進(jìn)斷面近似為圓形，近似水平圓筒，同時(shí)考慮井筒斷面形狀壓力的不均勻性，采用無限長(zhǎng)厚壁筒彈性理論拉麥公式進(jìn)行凍結(jié)壁厚度計(jì)算。 與淺埋井筒同樣的道理，凍結(jié)壁底板厚度，按井筒外接圓算起有些偏大；可以適當(dāng)將起點(diǎn)抬高，例如從掘進(jìn)底板到外接圓底部的中間算起。無壓力拱的斜井凍結(jié)壁厚度可按下式計(jì)算： ???????? ??? 13 PKKRE? 式中：Ｅ為凍結(jié)壁厚度，ｍ；Ｒ為井筒外接圓半徑， m；Ｋ為凍土計(jì)算強(qiáng)度，ＭＰａ；β可通過側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算得到，最大 ，一般取 ～ ；Ｐ為淺埋井筒圍巖頂壓，Ｐ≈γＨ，ＭＰａ；γ意義同前，ＭＮ／ｍ 3 ；Ｈ意義 同前，ｍ。 圖 圓形井筒周邊圍巖切向應(yīng)力 ?? 的分布 第 35 頁 井筒周邊圍巖切向應(yīng)力特性如下： （１） 當(dāng)λ值在０～１／３之間時(shí)，井筒拱頂或拱底范圍承受拉應(yīng)力；當(dāng)λ＝０時(shí)，井筒拱頂 出現(xiàn)最大切向拉應(yīng)力；當(dāng)λ＞１／３，井筒拱頂逐漸變得穩(wěn)定。 9）為了確保每段掘砌施工安全，每段終端孔作為封頭孔，穿入斜井?dāng)嗝娑蝺?nèi)的部分，不采取隔熱措施。凍結(jié)鉆孔布置沿斜井井筒的走向 布置 (圖 、圖) 。 單位時(shí)間通過長(zhǎng)度為 l 圓 管的熱流量： 1221ln22 rrttrlrlqQ ???? ?? 式中： Q—— 單位時(shí)間通過圓管壁的熱流量； L—— 管長(zhǎng)； 12ln21 rrl?? —— 圓管總熱阻； 第 30 頁 12ln21 rr?? —— 單位管長(zhǎng)之熱阻。 （ 3）數(shù)理 統(tǒng)計(jì)法 近年來，我國(guó)學(xué)者總結(jié)了建國(guó)以來凍結(jié)井筒的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，將所有井筒掘進(jìn)直徑變換成 sm 等小直徑。由于水分遷移過程受很多因素的影響，使這一問題的研究到目前為止仍是一個(gè)人工凍土學(xué)中激烈爭(zhēng)論的問題。 土的凍脹率，受土的機(jī)械組成、土的密實(shí)程度、土的含水量、土的凍結(jié)速率以及土體與地下水位的距離等因素的控制。第三階段是等速蠕變階段，亦即粘塑流階段 (BC)。一般說來隨著含水量增大，起膠結(jié)作用的冰也越多，因而強(qiáng)度有所增大。凍結(jié)壁平均溫度隨井幫凍土溫度的降低而降低。孔隙水凍結(jié)的同時(shí)伴隨著土體體積增大、析冰作用、土顆粒凍結(jié)。 蘇聯(lián)學(xué)者建議：σ＝－ ++ 蘭州凍土所建議：σ =a+bt a,b—— 試驗(yàn)常數(shù)，與溫度有關(guān)。郁楚侯等也對(duì)凍結(jié)壁的整體性能進(jìn)行了模擬研究。由于凍結(jié)法施工適應(yīng)性廣，在施工中后續(xù)手段多，施工速度快，質(zhì)量高，可有效隔絕地下水，因此，凍結(jié)法是我國(guó)特殊鑿井施工的首選技術(shù)。巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果顯示，其容重 ，含水率 %，抗壓強(qiáng)度（天然 、干燥 ），抗拉強(qiáng)度 ，內(nèi)摩擦角 41176。 侏羅系西山窯組淺部風(fēng)化層，風(fēng)化深度一般為 30～ 50m。 新近系上新統(tǒng)葡萄溝組：采用補(bǔ) 檢 檢 補(bǔ) 2（ N2p 下段）孔取得的數(shù)據(jù)。泥巖為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，平坦斷口，易風(fēng)化，遇水易膨脹、崩解，松軟。多為泥質(zhì)、粉砂狀、粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，砂巖成份由長(zhǎng)石、少量石英及巖屑組成，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度差， 第 4 頁 易風(fēng)化，遇水易膨脹、崩解，多呈柱狀、碎塊狀，松軟。工業(yè)場(chǎng)地布置有主斜井、副 斜井，風(fēng)井場(chǎng)地布置一個(gè)回風(fēng)立井 3 個(gè)井筒。 3