定向渗流诱导的非均质冻结壁力学特性分析

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0011

冰川冻土 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (3): 1011-1020.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0011

定向渗流诱导的非均质冻结壁力学特性分析

王彬¹^,²^,³^,⁴(), 荣传新¹^,², 程桦¹^,³, 蔡海兵¹^,²

^1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001
^2.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南 232001
^3.安徽理工大学安全科学与工程博士后科研流动站，安徽淮南 232001
^4.中煤矿山建设集团有限责任公司博士后科研工作站，安徽合肥 230091

收稿日期:2021-10-11 修回日期:2022-01-10 出版日期:2022-06-25 发布日期:2022-08-27
作者简介:王彬，讲师，主要从事人工地层冻结相关研究. E-mail： wangbin@aust.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(51878005);安徽省自然科学基金项目(2108085QE251);中国博士后基金项目(2021M703621);安徽高校自然科学研究项目(KJ2021A0425);安徽理工大学校级研究重点项目（自然科学类）(xjzd2020-018);安徽理工大学高层次人才引进基金项目(13200403)

Analysis of mechanical properties of heterogeneous frozen wall induced by directional seepage

Bin WANG¹^,²^,³^,⁴(), Chuanxin RONG¹^,², Hua CHENG¹^,³, Haibing CAI¹^,²

^1.School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，Anhui，China
^2.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mine，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，Anhui，China
^3.Safety Science and Engineering Postdoctoral Research Station，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，Anhui，China
^4.Postdoctoral Research Station，China Coal Mine Construction Group Co. ，Ltd. ，Hefei 230091，China

Received:2021-10-11 Revised:2022-01-10 Online:2022-06-25 Published:2022-08-27

摘要/Abstract

摘要：

为了合理分析定向渗流诱导的非均质冻结壁的力学特性，将冻结壁最迟交圈的位置视为“危险截面”，通过分段等效的方法结合温度特征点的分布规律，得出该截面的温度曲线表达式；根据冻土力学参数与冻结温度的线性关系，将冻结壁视为随温度函数变化的非均质材料；分别基于M-C准则、D-P准则、广义Tresca准则及双剪强度准则，推导得出定向渗流诱导的非均质冻结壁应力计算公式。基于该公式，结合实际冻结方案的设计参数对冻结壁的力学特性进行计算分析。计算结果表明：冻结壁的承载力随着水流速度的增大而减小，当水流速度为5 m·d^-1时，基于M-C、D-P、广义Tresca、双剪强度准则计算得出的弹性极限承载力以及塑性极限承载力分别为2.480、2.462、2.741、3.202以及4.349、4.318、4.561、5.779；当地下水流速增加至10 m·d^-1时，对应的弹性极限承载力以及塑性极限承载力降低至2.087、2.085、2.203、2.784以及3.700、3.707、3.908、4.939。冻结壁的径向应力随着相对半径r的增大而增大，而环向应力的分布具有明显的区域差异性；在弹性极限状态下，冻结壁的环向应力的最大值出现在靠近冻结壁中间的位置；在塑性极限状态下，冻结壁的环向应力的最大值出现在冻结壁的分区界线（r=1.685）处。

关键词: 冻结壁, 地下水, 弹塑性分析, 极限承载力, 强度准则

Abstract:

In order to reasonably analyze the mechanical properties of the heterogeneous frozen wall induced by directional seepage， the latest closure position of the frozen wall under the action of groundwater was regarded as the “dangerous section”， combining the piecewise equivalent method with the temperature characteristic points， the temperature curve expression of the frozen wall of this section was obtained. According to the linear relationship between mechanical parameters of frozen soil and freezing temperature， the frozen wall was regarded as heterogeneous material whose property changed with temperature function. Based on the M-C criterion， D-P criterion， generalized Tresca criterion and double shear strength criterion， the stress calculation formulas of heterogeneous frozen wall induced by directional seepage were derived. Basing on the formulas and the design parameters of freezing scheme， the mechanical property of the frozen wall was calculated and analyzed. The calculation results showed that： the bearing capacity of the frozen wall decreased with the increase of flow rate. At the flow rate of 5 m·d^-1， the elastic ultimate bearing capacity and the plastic ultimate bearing capacity were 2.480， 2.462， 2.741， 3.202 and 4.349， 4.318， 4.561， 5.779， which were calculated based on M-C、D-P、generalized Tresca、 double shear criterion， respectively. When the flow rate increased to 10 m·d^-1， the corresponding elastic ultimate bearing capacity and plastic ultimate bearing capacity decreased to 2.087， 2.085， 2.203， 2.784 and 3.700， 3.707， 3.908， 4.939. The radial stress of the frozen wall increased with the increase of the relative radius r， while the variation law of hoop stress in different regions was different. In the elastic limit state， the maximum value of hoop stress of the frozen wall appeared near the middle of the frozen wall. While in the plastic limit state， the maximum value of hoop stress appeared at the partition boundary （r=1.685） of the frozen wall.

Key words: frozen wall, groundwater, elastic-plastic analysis, ultimate bearing capacity, strength criterion

中图分类号:

TD265.3⁺2

王彬, 荣传新, 程桦, 蔡海兵. 定向渗流诱导的非均质冻结壁力学特性分析[J]. 冰川冻土, 2022, 44(3): 1011-1020.

Bin WANG, Chuanxin RONG, Hua CHENG, Haibing CAI. Analysis of mechanical properties of heterogeneous frozen wall induced by directional seepage[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44(3): 1011-1020.

图/表 12

图1

表1

不同屈服准则中η以及ω的表达式"

屈服准则	η	ω
Coulomb-Mohr准则	$1 + s i n φ 1 - s i n φ$	$- 2 c o s φ 1 - s i n φ$
Druker-Prager准则	$1 + 3 α 1 - 3 α$	$- 2 κ 1 - 3 α$
广义Tresca准则	$1 + 23 α 1 - 23 α$	$- 43 κ 3 1 - 23 α$
双剪统一强度准则	$2 1 + b 1 + s i n φ - 1 - s i n φ b 1 - s i n φ b + 2$	$- 2 1 + b b + 2 2 c o s φ 1 - s i n φ$

表1

图2

表2

潘一矿中央风井冻结孔设计参数"

参数		数值	单位
井筒内径		6	m
开挖荒径		8	m
冻结管	布置圈直径	14	m
	数量	38	根
	管间距	1.15	m
	管壁温度	-32	℃
	冻结管尺寸	159 $×$ 6	mm

表2

表3

冻土力学参数"

弹性模量E/MPa	黏聚力c/MPa	内摩擦 $φ$ /（°）	泊松比
-8.074T+35.41	-0.174T+0.803	3.5	0.27

表3

图3

图4

表4

冻结温度场计算参数"

流速/（m·d^-1）	T₁/（m·d^-1）	$r H$
5	-22.78	1.760
6	-22.25	1.740
7	-21.66	1.720
8	-21.23	1.710
9	-20.49	1.706
10	-20.05	1.704

表4

图5

图6

图7

图8

参考文献 27

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定向渗流诱导的非均质冻结壁力学特性分析

Analysis of mechanical properties of heterogeneous frozen wall induced by directional seepage

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