人工冻结黏土蠕变特性及其工程应用研究

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随着矿井开挖深度的不断加深,冻结法施工中的冻结深度也随之不断加深。因此,在冻结壁的设计和施工中已不能只考虑冻结壁的强度问题,同时也应考虑到冻结壁变形特性的影响,即冻土的变形问题也已成为了一项关乎到冻结法施工能否安全进行的重要因素之一。冻土的变形包括瞬时弹性变形、塑性变形以及蠕变变形三部分,其中蠕变变形是冻土变形的最主要部分。因此,冻土蠕变特性的研究,对于实际工程具有十分重要的意义。  本文以淮南顾北煤矿副井实际工程为背景,利用安徽理工大学自行研制的WDT-100型电液伺服冻土单轴试验机,对人工冻结黏土进行了五个温度(-5℃、-8℃、-10℃、-12℃、-15℃)下的单轴抗压强度试验以及上述五个温度下,不同加载应力下的单轴蠕变压缩试验。通过以上试验得出了冻土抗压强度、弹性模量以及长期强度随着温度的降低而升高的结论,并分别得到了这二者与温度之间的关系表达式以及冻土的长期强度大约为其抗压强度的40%~50%的结论,证明了冻结法施工的合理性,但也同时得出了冻结法施工过程中的冻结温度应控制在一定的范围(-12℃)以内的结论;同时根据单轴蠕变压缩试验的结果,并结合实际工程,以伯格斯模型为基础得出了可用于实际工程的冻土单轴蠕变的非线性本构方程,其方程中同时考虑了冻结温度、加载应力以及时间的因素对冻土蠕变的影响;以及基于弹性力学的知识,推出了冻结壁径向位移的计算公式,并结合所得的冻土蠕变本构方程,得出了随时间变化的冻结壁径向位移的计算式;最后,结合淮南顾北煤矿副井的实际工程对上述结论进行了验证,其结果表明上述结论用于实际工程是可行的。
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