深厚表土层中混凝土井壁治理的信息化施工力学问题研究

摘要

深厚表土层中井壁的破裂及治理问题一直没有得到圆满解决，究其原因，则为井壁所处的深厚土层中不确定因素较多，地质环境复杂所致。鉴于此，本文从井壁治理的角度，在现有关于井壁破裂原因及治理技术研究成果的基础上，借鉴新奥法施工的思想，研究信息化施工在井壁治理工程中的应用问题。为此，本文采用理论分析、现场实测和数值模拟相结合的方法，针对信息化施工在井壁治理工程的理论与应用进行了以下研究工作： 1、信息化施工技术是一个完整的施工体系，及时掌握可靠的信息是信息化施工中分析与预测的基础。本文第二章结合现场实际井壁安全监测的实践，阐述了如何建立合理的井壁监测体系，主要包括：(1)对不同类型、不同结构井壁的监测级别进行定位；(2)选择适合的监测设备，明确重点监测项目；(3)消除人为因素，构建井壁的远程自动监测系统；(4)对不同井壁的变形预警指标进行合理确定。 2、信息化施工技术的另一个关键问题为信息的提取与反馈，即从大量监测信息中提取有价值的信息进行数据处理。众所周知，井壁竖向附加力是导致井壁破裂的主要原因，但井壁竖向附加力的确定问题一直没有得到较完善的解决。为此，本文第三章基于现场监测信息利用有限元优化反分析方法对井壁竖向附加力进行了反演，即以实际井壁监测信息为依据，利用ANSYS优化模块，运用APDL参数化语言将竖向附加力作为设计变量建立分析模型，设置目标函数，经多次迭代求解后，使得监测点的计算应变值与监测应变值相等，提取设计变量值即得到了基于监测信息的井壁竖向附加力。基于现场实测信息反演的竖向附加力变化规律，可为下一步井壁稳定预测、治理过程的信息化施工及评价治理效果提供可信的基础数据，这也是信息化施工体系中数据处理的一种方法。 3、在基于监测信息反演外荷载的基础上，本文第四章利用ANSYS程序对井壁进行了弹塑性数值分析及破坏预测：(1)以济宁三号煤矿主井为原型，对井壁受力过程进行了弹塑性数值分析，计算得到了井壁塑性区的演化过程及井壁局部受力的特点，并进一步分析了井壁破裂的原因。(2)以济宁三号煤矿主井为原型，通过有限元计算，对井壁的破坏进行了分析预测。 4、以济宁三号煤矿主井地面注浆预防性治理工程为例，阐述了信息化施工技术在井壁治理工程中的实际应用：(1)通过井壁应变自动实时监测，对地面注浆治理过程进行信息化指导；(2)通过监测信息反馈，反演施工荷载，获取注浆期间井壁受力状态，可以为指导设计合理的注浆方案、控制注浆压力等提供可靠的依据；(3)通过注浆前后井壁应变变化情况，反演竖向附加力的缓释效应，对治理效果进行了综合评价。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1问题提出

1.2研究现状

1.2.1关于井壁治理工程的研究现状

1.2.2信息化施工概述

1.2.3井壁治理工程信息化施工技术的特点

1.3尚待研究的问题

1.4研究的目的和意义

1.5本文研究的主要内容

第2章信息化施工的监控量测体系

2.1概述

2.2监测级别和监测项目的确定

2.2.1监测级别

2.2.2监测项目

2.3测试方法及原理

2.3.1几何测量法

2.3.2传感器测量法

2.3.3传感器的选用要求

2.4监测的要求及原则

2.5自动监测系统的建立

2.5.1井壁远程自动监测系统基本原理

2.5.2监测实例1—济宁三号煤矿主井监测系统

2.5.3监测实例2—济宁三号煤矿副井监测系统

2.6井壁监测的预警系统

2.7本章小结

第3章数据处理技术Ⅰ-基于监测信息的井壁外荷载反演

3.1概述

3.2深厚表土不稳定地层井壁受力的研究现状

3.2.1井壁竖向附加力的理论解

3.2.2井壁竖向附加力的试验结论

3.2.3讨论

3.3反分析理论

3.3.1反分析的类型

3.3.2正反分析法及CAE方法中的优化技术

3.4基于ANSYS的参数化有限元优化反分析方法

3.4.1 ANSYS的优化设计基本理论

3.4.2ANSYS的优化过程

3.5井壁外荷载反演方法的计算模拟实现

3.5.1概述

3.5.2应变优化反分析方法

3.5.3井壁外荷载优化反分析计算

3.6本章小节

第4章数据处理技术Ⅱ-井壁弹塑性数值分析

4.1概述

4.2深厚表土不稳定地层中钢筋混凝土井壁的弹塑性理论

4.2.1基本假定

4.2.2线弹性本构模型

4.2.3塑性本构模型

4.2.4破坏准则

4.2.5裂缝处理

4.3深厚表土不稳定地层中井壁的弹塑性数值分析及破坏预测

4.3.1计算模型参数

4.3.2荷载及约束

4.3.3主要计算结果及分析

4.4本章小结

第5章井壁治理工程信息化施工技术应用实践

5.1概述

5.2工程概况

5.3信息化施工的实施

5.3.1地面注浆设计及施工方案

5.3.2井壁监测及信息反馈

5.3.3注浆过程中特殊情况的处理

5.4井壁治理工程的效果评价

5.4.1地面注浆对竖向附加力的缓释

5.4.2地面注浆引起的地表抬升

5.5地面注浆工程的经验总结

5.6本章小结

第6章结论与展望

6.1主要结论

6.2展望

致谢

主要参考文献