基于ANSYS系统的冻结凿井冻胀力数值分析

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1、文章编号：1009—9441(2012)1l一001l一03基于ANSYS系统的冻结凿井冻胀力数值分析口口杜彬(山西职业技术学院，山西太原030006)摘要：在总结冻结理论的基础上，结合冻土与未冻土的物理力学特性，利用ANsYs有限元软件对冻结施工过程的土体冻胀进行了数值分析，得到了冻胀位移场、应力场的发生、发展规律以及土体刚度与冻胀系数对其的影响规律。为今后进一步研究冻胀机理和作用以及工程设计提供了一定的理论依据。关键词：ANsYs软件；冻结凿井；冻结壁；冻胀；冻胀位移场；冻胀应力场中图分类号：TD265．3文献标识码：A引言在冻结凿井过程中，冻结壁稳定性对于开挖之后冻土

2、井帮变形有着重要的影响。根据现有地层压力理论计算得到的冻结壁厚度一般很大，而其稳定性仍可能不满足工程要求。出于对此问题的思考，本文初步认为在冻黏土层中会由于冻胀作用使得冻结壁周边的土体受到挤压而产生一个附加位移场及应力场，此附加位移场及应力场又反作用于冻结壁。这便在原有地层压力的基础上增大了冻结壁的受力，使得冻结壁受力过大进而在开挖之后产生过大的变形。为了对此进行验证，本文通过理论分析与数值分析相结合的方法来考察冻结过程中土体的冻胀，并通过计算得到了由于土体冻胀引起的冻胀位移场与冻胀应力场。1冻胀产生机理与分析模型的确定土中孔隙水原位冻结引起的冻胀量很小(约为replace

3、sthes砌equantity0fcementby1．0％，2．0％and3．0％andcoaLlgangueby20．0％and25．0％respectively；撕ertwenty—eightdaysofstandardcuring，thestren殍htestisconducted．Theexperimentshowst11atwhentheIicehullashisf而m2．O％to3．0％，itcanincreasethestren昏handf而stresistanceofeementvastly；aIldfonntherespectofeconorny，出e叩t

4、imalmixing锄ountis2％．Thecoalgangueisof孔隙水体积的9％)，土体冻胀主要是由未冻结区域的水分向冻土区迁移、冻结所引起的“分凝冻胀”。分凝冻胀是由于土体冻结过程中随土温下降，土颗粒吸附层水膜结晶，厚度减薄，导致土颗粒表面力场发生变化而产生土体中冻与未冻界面的势差，这一势差就成为未冻土中水分向冻结峰面迁移的当量力。1．1几何模型的确定对于深井冻结，考虑到竖向尺寸相对于水平尺寸大得多，故本文研究便归为平面应变问题；考虑轴对称结构，在数值计算中选取600的扇形加以分析。同时为考虑地温对温度场演变的影响，数值计算中取25℃作为初始地温，模型径向边界温

5、度设为25℃定值，扇形两边设为绝热边界。考虑到实际盐水的降温过程和冻结壁的发展情况，计算中采用分布冻结方案，对冻结管施加随时问改变的温度。计算中扇形模型的弧形边界施加径向位移约束，两边施加对称位移约束。1．2土体力学性质及热学性质参数的确定在数值分析中，将相变潜热折算成一定温度范围内的显热容，这样就把原ste胁问题转化为在同一区域内产生相变的非线性瞬态导热问题。我们在分析工作中将冻土的弹模E、弹模系数弘作为温度F的函数，这样就可近似地模拟实际情况中未冻土向冻土转变时力学参数的变化。计算中冻胀随温度的发生情况是参照实验室土体冻胀试验给定，在ANSYS中输入一定温度区间(一O．

6、25一一30℃)内certainashacti“ty，butthee妊．ectisnotobvious．Keywords：mechanicalproperty；frostresistaIlce；ricehullash；coalgaIlgue作者简介：陈应才(1965一)，男，宁夏固原人，工程师，长期从事公路工程质量监督检查工作。收稿日期：2012—10—02(编辑盛晋生)建材技术与应用11／2012不同温度下的冻胀系数，即可模拟土体随温度降低而产生的不同程度的冻胀。2冻胀数值分析结果及其分析2．1单双圈冻结方案对冻胀位移场及应力场的影响通过对单双圈冻结方案下的冻胀位移场及应

7、力场的对比分析，可以得到以下结论：单纯从冻胀趋势来看，单双圈冻结方案下冻胀位移的变化趋势大致相同，均是冻结壁以内区域土体向内挤压，外部区域土体向外挤压。但由于内部一定范围土体变形受到限制，使得内部土体不断被挤压而产生非常大的挤压应力，达到10MPa以上。这使得冻结壁不断向外变形，直接表现为冻结管有被外推的趋势，本模型计算得到的冻结管位移在5—8cm。不同的冻结方案对未冻区域冻胀应力场的影响主要表现为：在同一时间双圈冻结方案下冻结壁以外区域的冻胀应力明显高于单圈冻结方案下相对应的应力。冻结壁以内区域，由于温度场演变速