本书采用理论分析、物理模拟和数值模拟方法开展新型单层冻结井壁温度场、应力场、接茬抗渗性能和极限承载力的试验研究,获得了井壁浇筑后最高温度、内外最大温差等参数与井壁厚度、井内环境温度、井内风速等因素之间的关系以及井壁温度应力和膨胀应力的分布和变化规律;验证了采用钢质接茬板可保证井壁接茬的密封性能,解决了井壁接茬的渗漏难题;得到了新型单层冻结井壁比普通钢筋混凝土井壁的极限承载力高,以及井壁水平极限承载力与井壁混凝土抗压强度、竖向压力、厚径比等因素的关系。

   前言

第1章 绪论 1

1.1 井壁结构研究综述 1

1.1.1 国内冻结井壁结构的发展 1

1.1.2 国外冻结井壁结构的发展 2

1.1.3 国内外冻结井壁结构形式 3

1.1.4 单层混凝土井壁开裂原因分析及防治措施 8

1.1.5 本书研究的新型单层冻结井壁结构 11

1.2 国内外微膨胀高性能混凝土研究综述 12

1.2.1 微膨胀混凝土补偿收缩原理综述 12

1.2.2 微膨胀高性能混凝土研究现状 13

1.3 混凝土接茬界面结合问题研究综述 14

1.3.1 新老混凝土界面结合问题研究现状 14

1.3.2 新老混凝土界面裂缝渗水的原因 15

1.3.3 提高新老混凝土界面黏结性能的方法综述 16

1.3.4 新老混凝土黏结性能测试方法综述 19

第2章 新型单层冻结井壁温度场研究 20

2.1 概述 20

2.2 温度场方程 20

2.3 物理模拟研究 21

2.3.1 相似准则的导出 21

2.3.2 原型参数 22

2.3.3 模化设计 23

2.3.4 试验模型 23

2.3.5 试验系统 24

2.3.6 微膨胀高强混凝土的配制 26

2.3.7 试验规划 28

2.3.8 试验过程 28

2.3.9 试验结果分析 29

2.4 数值模拟研究 38

2.4.1 数值模拟软件简介 38

2.4.2 数值模拟研究中的几个关键问题 39

2.4.3 数值模拟模型 41

2.4.4 初始温度场及边界条件 42

2.4.5 计算参数选取 42

2.4.6 计算方案 44

2.4.7 计算结果与分析 46

2.5 本章小结 68

第3章 新型单层冻结井壁温度及膨胀应力场数值计算研究 70

3.1 概述 70

3.2 井壁温度应力场的数值计算研究 71

3.2.1 冻结壁对井壁约束的模拟 71

3.2.2 混凝土力学参数随时间变化的模拟 71

3.2.3 数值计算模型 72

3.2.4 边界条件 72

3.2.5 计算参数 73

3.2.6 计算方案 74

3.2.7 计算步骤 74

3.3 井壁混凝土膨胀应力场的数值计算研究 75

3.3.1 混凝土膨胀模拟方法 75

3.3.2 数值计算模型 75

3.3.3 边界条件 76

3.3.4 计算方案及计算参数 76

3.3.5 计算步骤 76

3.4 井壁混凝土温度应力场和膨胀应力场的数值计算研究 77

3.5 计算结果及分析 77

3.5.1 井壁径向应力的变化规律 77

3.5.2 井壁竖向应力的变化规律 83

3.5.3 井壁切向应力变化规律 89

3.6 本章小结 92

第4章 钢板与混凝土黏结性能研究 94

4.1 概述 94

4.2 钢板与混凝土黏结面的抗压性能研究 94

4.2.1 试验内容及所用材料 94

4.2.2 试验规划 95

4.2.3 试验步骤 95

4.2.4 试验结果及分析 97

4.3 钢板与混凝土黏结面的抗剪性能研究 101

4.3.1 试验内容及所用材料 101

4.3.2 试验规划 102

4.3.3 试验系统 102

4.3.4 试验步骤 103

4.3.5 试验结果分析 104

第5章 新型单层冻结井壁抗渗性能研究 114

5.1 现有评价方法 114

5.2 理论分析 115

5.3 混凝土本体及钢板与混凝土黏结面的抗渗性能研究 117

5.3.1 试验内容及试验方案 117

5.3.2 试验装置及加载系统 117

5.3.3 试验量测系统 119

5.3.4 试验监控及数据采集 119

5.3.5 试验步骤 119

5.3.6 试验结果及分析 120

5.4 单层井壁抗渗性能物理模拟研究 124

5.4.1 相似准则的推导 124

5.4.2 模化设计 124

5.4.3 大型物理模拟模型试验系统 125

5.4.4 测试方法与量测系统 125

5.4.5 试验规划 126

5.4.6 试验过程 126

5.4.7 试验结果及分析 127

5.5 井壁混凝土与接茬板黏结面渗流的数值模拟研究 129

5.5.1 概述 129

5.5.2 渗流场与温度场的理论相似 130

5.5.3 数值模拟研究 132

5.6 本章小结 137

第6章 新型单层冻结井壁极限承载力研究 138

6.1 概述 138

6.2 理论分析 138

6.2.1 单层冻结井壁的力学模型 138

6.2.2 混凝土的破坏准则 139

6.2.3 基于不同强度准则的井壁环向极限承载力 140

6.3 数值模拟研究 143

6.3.1 ANSYS 的钢筋混凝土模拟能力 143

6.3.2 有限元模型 144

6.3.3 模型参数与本构方程的选取 145

6.3.4 相似准则的导出 145

6.3.5 计算参数取值范围 146

6.3.6 类平面应变条件下井壁极限承载力与其影响因素的关系 147

6.3.7 类广义平面应力条件下井壁极限承载力与其影响因素的关系 159

6.3.8 新型单层冻结井壁与普通钢筋混凝土井壁极限承载力对比分析 176

6.3.9 典型参数情况下井壁在环向荷载作用下的变形与破坏规律 179

6.4 物理模拟研究 182

6.4.1 相似准则的导出 182

6.4.2 原型参数及试验方案 183

6.4.3 模化设计 183

6.4.4 模型试验系统 184

6.4.5 量测技术 185

6.4.6 试验准备 187

6.4.7 试验结果分析 191

6.4.8 试验中存在的问题 202

6.5 本章小结 202

第7章 主要结论和展望 204

7.1 主要结论 204

7.2 存在问题及展望 205

参考文献 207