第1章 总论 1
1.1冻结法凿井应用概况 1
1.1.1国外 1
1.1.2国内 2
1.2人工冻结温度场 5
1.3冻土力学性质 6
1.4水分迁移与冻胀 9
1.5冻结壁力学特性 11
1.6冻结法凿井井壁结构 13
1.6.1钢筋混凝土井壁 14
1.6.2塑料夹层双层钢筋混凝土复合井壁 15
1.6.3竖向可缩性复合井壁 15
1.7我国深厚冲积层冻结法凿井技术现状 16
1.7.1冻结方案与施工技术 17
1.7.2冻结立井掘砌技术 23
参考文献 25
第2章 深厚冲积层土质物理特性 31
2.1我国第四系松散层分布概况 31
2.1.1青藏高原地区 31
2.1.2西北地区 31
2.1.3南方地区 31
2.1.4东北地区 31
2.1.5北方地区 32
2.1.6华北地区 32
2.2华北平原煤田深厚冲积层分布与特征 36
2.3黄淮地区冲积层物理性质 37
2.3.1松散土的颗粒成分及分类 37
2.3.2松散土的黏土矿物成分 38
2.3.3密度与孔隙比 38
2.3.4松散土层的含水量 39
2.3.5膨胀性与崩解性 42
2.4冻土的基本成分与形成 43
2.4.1冻土的基本成分 43
2.4.2冻土的形成 46
2.5冻土的热物理特性 49
2.5.1土的冻结温度 49
2.5.2质量比热容和容积热容量 54
2.6人工冻土冻胀特性及主要影响因素 59
2.6.1土分散性 60
2.6.2土颗粒矿物成分 60
2.6.3土含水量 60
2.6.4温度、干密度 62
2.6.5冻结过程中的冻胀力 64
参考文献 65
第3章 人工冻土力学特性 66
3.1概述 66
3.1.1冻土力学性质特点 66
3.1.2冻土的流变特性 67
3.1.3冻土流变机理 69
3.2人工冻土单轴抗压强度 69
3.2.1冻土抗压强度与温度 70
3.2.2冻土抗压强度与加载方式 72
3.2.3冻土抗压强度与土性 74
3.2.4冻土抗压强度与含水量 77
3.2.5冻土抗压强度与干密度 77
3.3人工冻土的弹性模量与泊松比 79
3.3.1冻土的弹性模量 79
3.3.2冻土泊松比 80
3.4人工冻土三轴抗剪力学特性 81
3.4.1人工冻土三轴抗剪强度 81
3.4.2人工冻土三轴抗剪力学特性影响因素 83
3.5人工冻土的蠕变特性 88
3.5.1人工冻土蠕变试验 88
3.5.2人工冻土蠕变物理意义 91
3.6人工冻土蠕变本构关系 92
3.6.1维亚洛夫本构模型 92
3.6.2西原本构模型 92
3.6.3改进的西原模型 93
3.6.4冻土的有限变形本构关系模型 100
3.6.5人工冻土蠕变模型的识别与参数反演 105
参考文献 111
第4章 深厚冲积层人工冻结壁温度场 113
4.1冻结壁温度场分析理论基础 114
4.1.1单管冻结的温度场理论解 114
4.1.2直线单排管冻结壁温度场理论解 114
4.1.3环形多排孔冻结温度场的数学模型 115
4.2人工冻结壁温度场形成规律试验研究 118
4.2.1冻结温度场模型试验相似准则 118
4.2.2双排管冻结温度场物理模型试验 119
4.2.3多排管冻结温度场物理模型试验 124
4.3多圈孔冻结壁温度场数值分析 138
4.3.1冻结温度场数值模拟概述 138
4.3.2深厚冲积层冻结壁温度场数值模拟研究 141
4.3.3朱集西矿副井冻结工程实例分析 151
4.4多圈孔冻结壁温度场分布规律实测研究 160
参考文献 164
第5章 深厚冲积层冻结壁强度与稳定性研究 166
5.1现有人工冻结壁设计理论 168
5.1.1轴对称平面力学模型计算方法 168
5.1.2轴对称空间问题力学模型计算方法 169
5.1.3数理统计法 170
5.1.4根据测温孔资料推算 170
5.1.5现有冻结壁设计理论工程应用的对比计算 171
5.1.6计算结果分析 173
5.2非均质冻结壁的弹塑性稳定性分析 176
5.2.1计算模型及基本假设 176
5.2.2冻结壁应力求解 177
5.2.3工程算例 179
5.3冻结壁的黏弹塑性稳定性分析 181
5.3.1冻结壁的力学模型 182
5.3.2冻结壁的黏弹塑性分析 183
5.3.3冻结壁稳定性计算 186
5.4冻结壁有限变形有限元分析 187
5.4.1冻土黏弹性有限变形有限元格式 187
5.4.2冻结壁变形特性数值分析 190
参考文献 202
第6章 冻结壁与外层井壁共同作用机理 204
6.1基于维亚洛夫公式的冻结壁和井壁共同作用理论解 205
6.1.1力学模型 205
6.1.2外围土体的弹性分析 205
6.1.3冻结壁的黏弹性分析 206
6.1.4外层井壁的弹性分析 209
6.1.5冻结压力的理论计算公式的评价 211
6.2基于广义开尔文模型的冻结壁和井壁共同作用解析解 213
6.2.1力学模型 213
6.2.2计算假设 213
6.2.3外层土体位移场计算 213
6.2.4冻结壁位移场的黏弹性求解 214
6.2.5外层井壁位移场的弹性求解 217
6.2.6冻结压力求解 217
6.2.7工程实例分析 218
6.3冻结壁与外层井壁共同作用有限元分析 219
6.3.1冻土流变本构模型及其在ABAQUS中的实现 219
6.3.2计算模型及参数 231
6.3.3冻结温度场模拟 233
6.3.4井筒开挖模拟 235
6.3.5井壁砌筑模拟 237
参考文献 241
第7章 冻结井壁外荷载 243
7.1冻结井壁外荷载分类 244
7.2井壁自重 244
7.3水平地压 244
7.3.1普氏地压公式 244
7.3.2秦氏地压公式 245
7.3.3索氏地压公式（悬浮体地压公式） 246
7.3.4重液地压公式 246
7.3.5圆筒形挡土墙地压公式 246
7.3.6夹心墙地压公式 247
7.4水压力 247
7.5竖向附加力 248
7.5.1疏水沉降地层中井壁附加力的理论分析 248
7.5.2冻结壁解冻期井壁附加力的理论分析 254
7.5.3井筒保护煤柱开采下井壁附加力的理论分析 264
7.6温度应力 265
7.6.1井壁内外温差引起的自生温度应力 265
7.6.2井壁降温引起的约束温度应力 266
7.7冻结压力 268
7.7.1冻结压力的形成及影响因素 268
7.7.2冻结压力的经验公式 268
7.8其他荷载 270
7.8.1不均匀压力 270
7.8.2外层井壁吊挂力 271
7.8.3注浆压力 271
参考文献 271
第8章 深厚冲积层冻结压力实测研究 273
8.1概述 273
8.2冻结压力监测 273
8.2.1监测水平 273
8.2.2元件布置 275
8.2.3冻结压力监测结果及其分析 275
8.2.4冻结压力影响因素的灰色关联分析 286
8.2.5冻结压力数学计算模型研究 288
8.2.6计算结果比较分析 292
参考文献 293
第9章 冻结井筒高强高性能钢筋混凝土井壁研究与应用 295
9.1高强高性能钢筋混凝土井壁试验研究 296
9.1.1井壁模型设计 296
9.1.2试验加载装置 298
9.1.3试验数据量测 299
9.1.4试验结果及其分析 300
9.2井壁极限承载力的理论分析 307
9.2.1本构关系 308
9.2.2强度准则 308
9.2.3理论分析 309
9.3井壁承载力理论分析与实验结果比较 312
9.4井壁混凝土强度准则研究 312
9.4.1典型混凝土强度准则 313
9.4.2井壁结构混凝土强度准则 313
9.5冻结井筒高强高性能钢筋混凝土井壁工程应用研究 316
9.5.1工程概况 316
9.5.2井筒工程地质及水文地质特征 316
9.5.3井壁结构形式选择 318
9.5.4控制层位井壁厚度估算 319
9.5.5高强高性能钢筋混凝土井壁设计优化 320
9.5.6冻结井筒高强高性能混凝土的配制与工程应用 325
参考文献 333
第10章 冻结井筒高强钢筋混凝土预制弧板井壁研究 335
10.1高强钢筋混凝土预制弧板井壁接头形式及垫层材料研究 335
10.1.1高强钢筋混凝土预制弧板井壁接头形式 335
10.1.2高强钢筋混凝土预制弧板井壁接头垫层材料 336
10.2高强钢筋混凝土预制弧板外壁试验研究 337
10.2.1高强钢筋混凝土预制弧板外壁单体构件试验 337
10.2.2高强钢筋混凝土预制弧板井壁整体结构试验 341
10.3预制弧板井壁接头力学特性研究 346
10.3.1预制弧板井壁接头力学特性试验研究 346
10.3.2预制弧板井壁接头力学特性理论分析 364
10.3.3预制弧板井壁力学特性数值分析 368
参考文献 379
第11章 冻结井竖向可缩性井壁结构的研究与应用 380
11.1可缩性井壁结构工作原理和结构形式 383
11.1.1可缩性井壁结构工作原理 383
11.1.2可缩性井壁接头结构形式 384
11.2可缩性井壁设计原则及方法 386
11.2.1可缩性井壁设计原则 386
11.2.2可缩性井壁接头简化设计方法 386
11.3疏水沉降地层条件下可缩性井壁的作用机理研究 387
11.3.1有限元计算模型 387
11.3.2地层疏水固结的等效处理 388
11.3.3工况模拟 389
11.3.4竖向刚性井壁与地层共同作用分析 389
11.3.5竖向可缩性井壁与地层共同作用分析 390
11.4可缩性井壁接头力学特性模型试验研究 392
11.4.1模型试验方案 392
11.4.2模型试验相似准则 393
11.4.3井壁接头模型尺寸 394
11.4.4模型试验测试方法 394
11.4.5竖向加载试验结果与分析 394
11.4.6侧向加载试验结果与分析 396
11.4.7三轴加载试验结果与分析 398
11.5可缩性井壁接头力学特性数值模拟研究 400
11.5.1数值计算模型 400
11.5.2荷载及边界条件 401
11.5.3竖向承载力分析结果 401
11.5.4水平承载力分析结果 402
11.5.5数值模拟和模型试验结果对比 403
11.6可缩性井壁接头竖向稳定性数值模拟研究 404
11.6.1稳定性分析的概念 404
11.6.2稳定性分析的类型 404
11.6.3可缩性井壁接头的特征值屈曲分析 405
11.6.4竖向可缩性井壁接头的非线性屈曲分析 406
11.7可缩性井壁接头的现场施工技术 408
11.7.1井壁接头地面焊接 408
11.7.2井壁接头井下施工 410
11.7.3施工安全技术措施 412
11.7.4井壁接头施工效果 413
11.8可缩性井壁的推广应用 413
参考文献 414
第12章 深厚冲积层冻结法凿井典型工程应用 415
12.1丁集矿冻结法凿井工程 415
12.1.1工程概况 415
12.1.2工程地质与水文地质 415
12.1.3冻结方案 416
12.1.4冻结孔施工 418
12.1.5冻结制冷控制 419
12.1.6井壁结构方案 427
12.1.7冻结段掘砌施工 428
12.1.8井壁内外力监测 430
12.2口孜东矿冻结法凿井工程 441
12.2.1工程概况 441
12.2.2工程地质与水文地质 441
12.2.3冻结方案 442
12.2.4冻结孔施工 445
12.2.5冻结制冷控制 445
12.2.6井壁结构方案 450
12.2.7冻结段掘砌施工 451
12.2.8井壁内外力监测 456
参考文献 471
附表 472