深厚富水软岩冻结井筒内壁早期温度裂缝形成机理与设计方法

Aimed at the problem on leakage water forming disasters of frozen shaft internal wall in deep thick and water-rich soft rock. The thermal stress field space-time evolution law of frozen shaft internal wall in deep thick and water-rich soft rock with several different strength grades and thickness-diameter ratio will be revealed by field test and numerical simulation. On this basis, Under the coupling effect of high restriction degree and big temperature variations , the precursor information, development rules and judging criterion of inchoate cracks in mass concrete will be grasped by TSTM temperature stress experiment platform and theoretical analysis. The impact of different anti-cracking method on inchoate cracks in mass concrete will be analyzed by temperature stress experiment, and then anti-cracking shaft wall design method will be presented.

针对深厚富水软岩冻结井筒内壁温度裂缝渗漏水致灾的问题。利用现场实测数据分析与数值模拟手段，揭示不同强度等级、厚径比富水软岩冻结井筒内壁温度-应力场时空演化规律。在此基础上利用TSTM温度应力实验平台与理论分析，获得深部高约束程度及大温变耦合作用下大体积混凝土早期温度裂缝的前兆信息、发育规律、判别准则。利用温度应力实验手段，揭示不同抗裂方法对冻结井筒混凝土早期裂缝影响程度。进而提出一套深厚富水软岩冻结井筒抗裂型井壁的设计方法。

本项目以深厚富水软岩冻结井筒内壁温度裂缝渗漏水致灾问题为背景，开展深厚富水软岩冻结井筒内壁早期温度裂缝形成机理与抗裂性井壁混凝土配比优化设计方法研究。主要内容如下：.（1）深厚富水软岩冻结井筒内壁温度应力理论分析。建立时空间条件下大体积高强混凝土冻结井壁的温度应力理论模型，揭示不同强度等级与厚径比温度应力演化规律。.（2）深部冻结井筒内壁混凝土热力耦合及约束度分析。建立考虑冻结壁-外壁-内壁共同作用的温度-应力场耦合数值模型，分析了温度场与应力场影响因素，获得深部冻结井筒内壁大体积混凝土约束度。.（3）不同约束条件下冻结井筒内壁早期温度裂缝形成机理.采用TSTM温度应力试验方法，开展了不同约束程度下井壁混凝土温度应力试验，揭示混凝土早期温度缝形成机理。.（4）深厚富水软岩冻结井筒抗裂型井壁设计方法.开展了入模温度、膨胀剂种类及含量、纤维种类等因素对混凝土早期开裂的影响规律研究，提出抗裂性混凝土优化配比与混凝土裂缝综合管控方法，并开展了工业性试验。.重要成果如下：.（1）基于冻结井壁混凝土早期温度实测数据，采用小波变换非线性插值法建立井壁早期时空瞬态温度场表达式，根据弹性理论与温克尔地基模型获得随温度场时空间变化的温度约束荷载。.（2）建立了考虑内外壁间塑料板摩擦约束边界的温度场-应力场耦合模型，获得不同强度等级、厚径比、水化温升峰值、冻结压力等因素影响下的软岩冻结井筒内壁温度应力发展规律。.（3）通过理论分析获得深部冻结井筒内壁约束度，建立不同温度历程和约束度下井壁混凝土温度应力试验方法，提出混凝土早期温度应力开裂判据以及温度损伤指数关系式。.（4）开展了冻结井筒内壁混凝土配合比优化试验，揭示入模温度、膨胀剂种类及含量、纤维种类等因素对混凝土早期开裂的影响规律，发明了一种内掺氧化钙膨胀剂+外掺钢纤维的冻结井筒内壁抗裂型混凝土优化配方。.本项研究的科学意义在于揭示深厚富水软岩冻结井筒内壁早期温度应力机理及其影响因素，为高强度混凝土井壁防裂提供理论依据。