雙圈管凍結(jié)條件下飽水砂層中凍脹力變化規(guī)律研究.pdf

1、在凍結(jié)法鑿井中，凍結(jié)管斷裂事故時常發(fā)生，帶來嚴(yán)重后果。據(jù)專家初步推測，砂層凍結(jié)壁內(nèi)、外部的凍脹力是造成凍結(jié)管斷裂的主要因素之一。為此，本文采用解析分析、物理試驗和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，對飽和砂層雙圈管凍結(jié)過程中內(nèi)部凍脹力的變化規(guī)律展開了研究。
　　首先，根據(jù)厚壁圓筒理論，對雙圈管凍結(jié)模型進(jìn)行受力模型簡化，首次提出采用厚壁圓筒拉梅解、位移連續(xù)、體積相容方法，對雙圈管平面應(yīng)變模型進(jìn)行理論解析，建立凍脹力與凍結(jié)壁厚度的函數(shù)關(guān)系，得出凍脹

2、力隨凍結(jié)壁厚度呈先線性后加速的增長趨勢。在理論解基礎(chǔ)上，進(jìn)行單因素分析，得出凍結(jié)壁彈性模量越大、凍結(jié)壁厚度越大、飽和介質(zhì)含水率越大，凍脹力越大。
　　其次，通過數(shù)值模擬研究，采用優(yōu)化后的熱應(yīng)變系數(shù)計算方法，建立雙圈管凍結(jié)空間軸對稱模型，探究了典型參數(shù)下模型位移場、溫度場和凍脹應(yīng)力場的變化規(guī)律。得到凍結(jié)壁形成過程中，兩圈管之間土體將發(fā)生徑向、豎向位移，靠近內(nèi)外圈中點處，位移量最大，內(nèi)圈管和外圈管處位移值一致；另外，凍脹力改變模型內(nèi)部

3、應(yīng)力分布，且豎向應(yīng)力增幅大于徑向應(yīng)力。針對各因素的單因素分析得出，介質(zhì)含水率越大，凍脹力越大，凍結(jié)管間距越大、排距越大，凍脹力越小。
　　第三，自行設(shè)計模擬裝置，通過試驗研究獲得了封閉環(huán)境下純水、飽和砂凍結(jié)過程中溫度場、凍脹應(yīng)力場的變化規(guī)律。在試驗筒約束下，模型內(nèi)部產(chǎn)生較大凍脹力，凍脹力使得內(nèi)部徑向、豎向和切向應(yīng)力明顯增大，在試驗研究范圍內(nèi)，凍脹力隨凍結(jié)壁厚度呈線性增長變化。
　　雙圈管凍結(jié)條件下飽和砂層內(nèi)部產(chǎn)生凍脹力，凍結(jié)