逯智超 （安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 概 述

自1880年德國(guó)工程師P·H·Poetsch提出人工地層凍結(jié)法（Artificially Ground Freezing Method)原理并應(yīng)用于鑿井工程已有120多年歷史。我國(guó)首次于1955年在開(kāi)灤林西風(fēng)井采用凍結(jié)法鑿井并獲得成功。此后，凍結(jié)法在我國(guó)主要用于不穩(wěn)定含水地層里的鑿井工程。隨著我國(guó)地下工程的增多，凍結(jié)法逐漸由礦井建設(shè)工程向土木工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用[1]。凍結(jié)壁是一種臨時(shí)承載結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)永久內(nèi)層井壁時(shí)不能將其承載能力考慮進(jìn)去，但在設(shè)計(jì)外層井壁時(shí)，應(yīng)該考慮其與外層井壁相互作用，共同承載[2]。因此，合理的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)要考慮到井壁與凍結(jié)壁的共同作用[3]。

2 凍結(jié)壁和井壁共同作用分析方法

對(duì)于上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基共同作用理論的研究，國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)實(shí)測(cè)研究、模型試驗(yàn)、理論分析三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行。

2.1 實(shí)測(cè)研究

近年來(lái)，深部井筒與凍結(jié)壁共同作用的原位實(shí)測(cè)研究已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，并在理論和實(shí)踐方面均己取得了較大的進(jìn)展。因凍土的復(fù)雜性及計(jì)算模型假定與實(shí)際條件的差異，使計(jì)算分析很難真實(shí)反映凍結(jié)壁和井壁的實(shí)際受力特性。而工程原位測(cè)試直接反映了實(shí)際的受力狀態(tài)，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果的分析研究，可以揭示井壁與凍結(jié)壁共同作用的機(jī)理，從定性和定量上提高對(duì)深表土凍結(jié)壁－井壁共同工作特性的認(rèn)識(shí)，為實(shí)際的工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。此外，實(shí)測(cè)結(jié)果還可用來(lái)檢驗(yàn)和判斷理論分析的正確性。但是，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)受地質(zhì)條件的影響，在不同土質(zhì)中的共同作用性狀存在著一定的差異，因此必須結(jié)合具體的土質(zhì)條件進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，才會(huì)對(duì)相應(yīng)地質(zhì)條件下的工程設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

2.2 模型試驗(yàn)

對(duì)于共同作用的研究，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者充分利用模型試驗(yàn)這一有利的研究手段在室內(nèi)做了大量的模型試驗(yàn)，并結(jié)合少量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行共同作用的研究。試驗(yàn)分析是深井井壁計(jì)算方法發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重要組成部分。但是，如果考慮眾多因素影響的話，模型試驗(yàn)中由于體積縮小而帶來(lái)的尺寸效應(yīng)是不可忽略的，而且模型試驗(yàn)的花費(fèi)也是很大的。因此，目前大多數(shù)的模型試驗(yàn)僅局限于某個(gè)局部的模擬，以驗(yàn)證某一計(jì)算模型，而整體模型試驗(yàn)較少。盡管模型試驗(yàn)有許多其自身不能克服的缺點(diǎn)，但在局部領(lǐng)域的研究中仍不失為一種簡(jiǎn)便易行的方法。

2.3 理論分析

深井凍結(jié)壁和井壁共同作用分析，一直被視為一個(gè)十分復(fù)雜的研究課題。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，共同作用的理論分析在巖土工程領(lǐng)域中己取得了不少的研究成果，如：可以采用有限單元法、有限條法、有限差分法或解析方法對(duì)井壁和凍結(jié)壁進(jìn)行分析。對(duì)于共同作用研究的理論分析可歸結(jié)為以下兩種方法。

2.3.1 解析法

解析法是指直接從微分方程出發(fā)，應(yīng)用數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)出問(wèn)題的一般解，然后利用邊界條件得到問(wèn)題的定解。但解析法只是對(duì)一些特殊情況給出了解答，由于凍結(jié)壁邊界條件和凍土性質(zhì)的復(fù)雜性，很多情況難于求解。至今人們尚無(wú)法用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)全面反映其共同作用的內(nèi)在規(guī)律，只能借助各種簡(jiǎn)化方法或數(shù)值解法。

2.3.2 數(shù)值法

對(duì)于深井凍結(jié)壁和井壁共同作用分析問(wèn)題的研究，目前仍是停留在數(shù)值方法為主的階段。對(duì)于深井凍結(jié)壁和井壁共同作用整體分析研究，做很少次試驗(yàn)己相當(dāng)困難，更不要說(shuō)做很多次試驗(yàn)以獲得統(tǒng)計(jì)規(guī)律；另外由于實(shí)測(cè)研究花費(fèi)昂貴、周期長(zhǎng)，因此在當(dāng)前的情況下數(shù)值研究不失為一種很好的選擇；而且數(shù)值研究費(fèi)用低廉、時(shí)間短，能夠考慮模型試驗(yàn)中不能考慮的情況，但是數(shù)值研究方法和計(jì)算結(jié)果的可靠性還須進(jìn)一步提高，這就必須與試驗(yàn)和實(shí)測(cè)相結(jié)合。

3 井壁和凍結(jié)壁共同作用的數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

為計(jì)算簡(jiǎn)便采用平面模型建立數(shù)值計(jì)算模型,如圖1所示。計(jì)算模型的邊界條件，外邊界取外圈凍結(jié)管影響范圍以外邊界為絕熱邊界條件。單元節(jié)點(diǎn)選用4節(jié)點(diǎn)高階單元，分析凍結(jié)壁和井壁共同作用時(shí)，其單元網(wǎng)格和溫度場(chǎng)相同，邊界為力的邊界條件。

圖1 計(jì)算模型

計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合時(shí)直接選用ADINA 和ADINA-T計(jì)算模塊進(jìn)行耦合分析。計(jì)算模型凍土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

計(jì)算模型凍土物理力學(xué)參數(shù) 表1

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

通過(guò)相互作用的數(shù)值模擬，可以獲得凍結(jié)壁和井壁應(yīng)變分布云圖，如圖2～3所示；應(yīng)力沿徑向分布，如圖4；數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)比較，如圖5所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

①?gòu)膱D2和3反映出井壁和凍結(jié)壁交界處變形最大，結(jié)合實(shí)測(cè)凍結(jié)壓力原因分析，凍結(jié)壓力主要是由凍土變形所引起的，其大小和變化規(guī)律和實(shí)測(cè)值吻合（如圖5）。

②圖4的模擬結(jié)果表明：井壁內(nèi)緣的MISES應(yīng)力最大，隨著井壁半徑的增大應(yīng)力迅速減少，在凍結(jié)壁和井壁交界處有一個(gè)應(yīng)力拐點(diǎn)，凍結(jié)壁內(nèi)部應(yīng)力降低，沿半徑方向逐漸減緩，說(shuō)明井壁內(nèi)緣最容易發(fā)生破壞。

圖2 z方向上的應(yīng)變分布

圖3 y方向上的應(yīng)變分布

圖4 MISES應(yīng)力分布

圖5 數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)比較

③實(shí)測(cè)壓力為凍結(jié)壁的最大凍結(jié)壓力，就作用在井壁的荷載而言此處的MISES應(yīng)力最小。

[1]乾增珍,魯先龍,陳湘生.人工凍土蠕變的數(shù)值計(jì)算及其模擬[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004(3).

[2]榮傳新,王秀喜,程樺.深厚沖積層凍結(jié)壁和井壁共同作用機(jī)理研究[J].工程力學(xué),2009(3).

[3]孫文若.深井凍結(jié)壁與外井壁共同作用的理論分析和計(jì)算方法[J].建井技術(shù),1983(2).