一种多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法技术

本发明专利技术公开了一种多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法，包括构建多年冻土地层竖井井壁物理力学参数室内测试装置、融沉试验模拟、试验数据有效性分析、井壁负摩阻力值的计算等步骤。本发明专利技术采用制冷系统模拟围岩冻融循环后的融沉效应，依据地层温度

【技术实现步骤摘要】
一种多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法


[0001]本专利技术属于寒区隧道试验
，特别涉及一种多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法。

技术介绍

[0002]随着我国向“交通强国”目标迈进，构建现代化高质量国家立体交通网要求交通基础设施建设向北部与中西部延伸，涌现了大量寒区特长隧道建设项目，同时也出现了与之配套的大直径深竖井工程。建造于寒区多年冻土地层的深竖井，季节性温度周期交替作用下，围岩自身温度场发生变化导致岩土体出现融沉现象，该过程地层的沉降以下拉荷载形式作用于井壁，降低井壁衬砌的承载能力进而影响稳定性。
[0003]已有研究表明，下拉荷载的实质为地表沉降在井壁上产生的负摩阻力，是井筒破裂病害的主要原因。然而，地下工程隐蔽性和土层分布异性等客观原因，致使现场测试依赖季节温度场演化的长周期性且难以获取负摩阻力，同时现阶段缺乏关于公路隧道竖井井壁物理力学参数的室内试验装置，成为影响直观认识井壁
‑
围岩相互作用规律的阻碍。

技术实现思路

[0004]鉴于上述
技术介绍
中存在的两点问题，本专利技术提供一种多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法，研制一种用于测试多年冻土地层竖井侧阻力的试验箱，于试验箱内搭建竖井
‑
围岩室内结构模型，采用冻融循环制冷机模拟冻融环境，观察记录试验中负摩阻力三阶段变化规律，依据温度、融沉位移、压力计三项测试数据，结合井壁围岩融沉接触的表面积、竖井模型及土重量三个物理量，综合计算获得井壁负摩阻力大小，最后绘制井壁负摩阻力<br/>‑
时间时程曲线获得最终井壁负摩阻力值，进而克服现场测试依赖季节温度场演化的长周期性及难以获取井壁负摩阻力的障碍，为便于室内试验开展奠定技术基础。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法，包括以下步骤：
[0007]【S1】构建多年冻土地层竖井井壁物理力学参数室内测试装置
[0008]在填筑人工制备土的试验箱内放置竖井
‑
围岩结构缩比模型，并安装温度传感器、沉降测量仪和压力计，连接冻融循环制冷机提供冻融模拟试验条件；
[0009]【S2】融沉试验模拟
[0010]打开冻融循环制冷机，设定温度为至井址区年平均最低温度；当试验箱达到该温度时，关闭冻融循环制冷机，记录全过程温度、融沉位移和压力参数，频率为1次/h，分别绘制温度、融沉位移时程曲线，并计算负摩阻力，绘制负摩阻力
‑
时间曲线；
[0011]【S3】试验数据有效性分析
[0012]【S4】井壁负摩阻力值的计算
[0013]记录负摩阻力
‑
时间曲线中增长与平缓阶段的临界值作为最终井壁负摩阻力。
[0014]上述多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法中，步骤【S2】中负摩阻力计算
公式为：
[0015]F
N
＝(F0‑
G
m
‑
G
p
)/A
s
[0016]其中F
N
为负摩阻力，单位kPa；F0为第二阶段末压力计的读数，单位kN；G
m
为试验箱和人工制备土的自重，单位kN；G
p
为竖井结构的自重，单位kN；A
s
为井壁围岩的接触面积，即竖井结构外圆柱的侧面积，单位m2。
[0017]上述多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法中，步骤【S3】中试验数据有效性分析包括以下步骤：
[0018]【S31】分析温度
‑
时间曲线是否出现“下降
‑
增长
‑
平稳”三个阶段，融沉位移
‑
时间曲线是否出现“增长
‑
下降
‑
平稳”三个阶段，负摩阻力
‑
时间曲线是否出现“增长
‑
平缓
‑
下降”三个阶段；
[0019]【S32】判断三条曲线时间的同步性：
[0020]如果同时满足下式
[0021][0022]则表示试验数据有效；其中t1、t2分别是温度
‑
时间曲线中下降、增长阶段的时刻，t3、t4分别是融沉位移
‑
时间曲线中增长、下降阶段的时刻；t5、t6分别是负摩阻力
‑
时间曲线中增长、平缓阶段时刻。
[0023]上述多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法中，步骤【S3】中负摩阻力
‑
时间曲线中t6时刻对应的值即为井壁负摩阻力值。
[0024]上述多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法中，测试装置包括冻融循环制冷机、竖井结构模型和试验箱；所述的试验箱包括箱体、箱盖和箱体内部布置的冻结管、温度传感器和沉降测量仪；试验箱的箱底中部开有通孔，竖井结构模型穿过试验箱的箱底通孔后，上部与箱盖平齐设置，井底作用于压力计后由千斤顶支撑；试验箱的箱体内填筑有人工制备土；
[0025]所述的冻结管沿试验箱内壁的竖向和环向排布，并通过连接管与外部的冻融循环制冷机相联；
[0026]所述的温度传感器沿竖向和横向布设在人工制备土内，并与箱体外部的温度数据采集仪连接；
[0027]所述的沉降测量仪包括百分表、预埋钢片和钢丝，百分表设置在箱盖上，预埋钢片埋设于竖井结构模型附近的人工制备土中。
[0028]上述多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法中，试验箱的箱体为双层圆柱铁皮桶，箱体和箱盖内壁均设置有保温板。
[0029]上述多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法中，所述箱盖上设置有两只锁扣，与箱体上设置的扣环配对连接；所述箱盖上设置有预留线孔、预留管孔和预留井孔。
[0030]上述多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法中，冻结管采用铁皮卡固定在试验箱的内壁。
[0031]上述多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法中，所述温度传感器和沉降测
量仪分别布设于竖井结构模型的两侧。
[0032]上述多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法中，冻融循环制冷机包括制冷系统和控制单元。
[0033]本专利技术的有益效果是：
[0034](1)本专利技术中采用的测试装置简单，根据几何、力学相似性原理设计用于模拟实际工程中施作一次衬砌的竖井
‑
围岩结构模型，试验中围岩采用人工制备土模拟、一次衬砌采用铁丝混凝土，取材及制作相对简便；压力、温度、融沉位移数据便于采集，井壁负摩阻力的演化阶段的获取相对直观。
[0035](2)本专利技术基于设计的测试装置，搭建竖井
‑
围岩室内结构模型，借助冻融制冷机可以实时、快速对于温度的控制，不仅可以模拟符合实际工程环境温度演变条件，采用径向、竖向铺设的温度传感器，克服了现场测试对依赖季节温度场演化的长周期性。
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：【S1】构建多年冻土地层竖井井壁物理力学参数室内测试装置在填筑人工制备土的试验箱内放置竖井
‑
围岩结构缩比模型，并安装温度传感器、沉降测量仪和压力计，连接冻融循环制冷机提供冻融模拟试验条件；【S2】融沉试验模拟打开冻融循环制冷机，设定温度为至井址区年平均最低温度；当试验箱达到该温度时，关闭冻融循环制冷机，记录全过程温度、融沉位移和压力参数，频率为1次/h，分别绘制温度、融沉位移时程曲线，并计算负摩阻力，绘制负摩阻力
‑
时间曲线；【S3】试验数据有效性分析【S4】井壁负摩阻力值的计算记录负摩阻力
‑
时间曲线中增长与平缓阶段的临界值作为最终的井壁负摩阻力值。2.根据权利要求1所述的一种多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法，其特征在于，步骤【S2】中负摩阻力计算公式为：F
N
＝(F0‑
G
m
‑
G
p
)/A
s
其中F
N
为负摩阻力，单位kPa；F0为第二阶段末压力计的读数，单位kN；G
m
为试验箱和人工制备土的自重，单位kN；G
p
为竖井结构的自重，单位kN；A
s
为井壁围岩的接触面积，即竖井结构外圆柱的侧面积，单位m2。3.根据权利要求1所述的一种多年冻土地层竖井井壁物理力学参数测试方法，其特征在于，步骤【S3】中试验数据有效性分析包括以下步骤：【S31】分析温度
‑
时间曲线是否出现“下降
‑
增长
‑
平稳”三个阶段，融沉位移
‑
时间曲线是否出现“增长
‑
下降
‑
平稳”三个阶段，负摩阻力
‑
时间曲线是否出现“增长
‑
平缓
‑
下降”三个阶段；【S32】判断三条曲线时间的同步性：如果同时满足公式则表示试验数据有效；其中t1、t2分别是温度
‑
时间曲线中下降、增长阶段的时刻，t3、t4分别是融...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗彦斌，方腾飞，刘伟伟，陈建勋，牛嘉伟，尚清晨，高尚昆，贾海洋，赵鹏宇，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：