大南湖十号煤矿井田毕业设计(编辑修改稿)

大南湖十号煤矿井田毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

于与干土重之比； 510℃缓慢过渡区。 未冻水含量的变化量小于 1%，但 大于 %； 10℃以下为实际的冻透区。 温度每降低 1℃，水相变成冰的数量不超过 1%。 俄罗斯学者 用量热法研究了未冻水含量与总含水量的关系。 由于湿存水与纯水结晶热不同，首先通过试验测定土壤水的结晶热，然后用它来计算未冻水含量。 试验表明，在低含水量条件下，未冻水含量对总含水量有明显的依赖关系，当含冰量增大时，这种依赖关系则不明显。 2． 土的冻结温度 标准大气压下自由水的冻结温度是 0℃，但处于矿物颗粒表面力场中的孔隙 第 16 页 水，特别是当其呈薄层 (薄膜水 )时，冻结温度更低，而土的冻结 温度是指土体中孔隙水稳定冻结的温度，土体孔隙水的冻结有其自身特点，这是由于与土体矿物颗粒表面的相互作用和水中具有某种数量的盐分所决定的。 孔隙水冻结的同时伴随着土体体积增大、析冰作用、土颗粒冻结。 土体中的水由于受土颗粒表面能的作用及溶质的存在和地压影响，其冻结温度均低于 0℃，因而土体的冻结温度应试验测定。 在给定含水量及无外载条件下土体的冻结温度： )lnln(9e x p 0f b wa  式中 f —— 土体的冻结温度，℃； 0w —— 土体的含水量， %； a， b—— 由土质决定的常数，由试验确定。 在相同初始含水量的情况下，土颗粒细的，其冻结温度低；土颗粒粗的冻结温度高。 一般情况下，当含水量为液限含水量时，粘性土类的为 ～ ℃左右；砂和砂性土的为 0～ ℃。 土的含盐量的大小也影响着它的冻结温度的高低，含盐量大，其冻结温度低，而含盐量又与水分有关，土的含水量大，土中盐稀 释，冻结温度高；土的含水量小，盐的浓度增大，冻结温度就低。 试验表明，当土的含水量不同时，冻结温度也不同，其规律是土的冻结温度随含水量的增加而升高。 冻结壁平均温度的计算方法 冻结壁的平均温度是计算冻结壁厚度的基本参数之一。 冻结壁的平均温度主要取决于冻结壁的厚度、盐水温度、冻结孔间距、井帮冻土温度等因素，而受冻结管直径的影响较小。 在实际工程中筒形冻结壁不仅径向各点的温度不同，环向各点的温度也有所差别。 加上由于钻孔的偏斜，以及每个冻结管在冻结过程中的差别，实际形成的冻结壁是不均匀的，要精确计算冻结 壁的平均温度是困难的。 一般近似地按冻结孔最大间距处主界面冻结壁平均温度之和的一半来计算。 现有的冻结壁平均温度计算公式可分为三类： 第一类是由纯理论推导得出的，如特鲁巴克公式是由单个冻结管传热条件推导出来的，未考虑邻近冻结管的相互影响和井筒的实际冻结状况，计算出来的冻结壁平均温度偏高。 第二类是通过模拟试验得出的半经验公式，如纳索诺夫一苏普利克公式，但 第 17 页 模拟试验冻结过程的冻结壁厚度较小，且未考虑井筒的实际冻结状况，计算结果只在较小的范围内适用。 第三类是通过实测得出经验公式，如斯捷潘诺娃公式，它比较接近实际， 但由于利用该公式时需事先掌握冻结管外壁的温度情况，而该温度受冻结管内盐水运动状况、冻结时间和冻结壁厚度等因素的影响，很难精确计算，加上该公式未考虑井帮冻土温度对冻结壁有效厚度的平均温度的影响，适用范围也受到一定的限制。 冻结壁平均温度随孔距的增大而升高，孔距愈小，冻结壁平均温度愈低。 冻结壁平均温度随井帮冻土温度的降低而降低。 冻结壁扩入井筒荒径后，当孔距 ～ ，井帮冻土温度每降低 1℃，冻结壁有效厚度的平均温度相应降低 ～ ℃。 冻结壁平均温度随冻结管直径的增大而降低，管径每差 5mm 时 ，冻结壁平均温度的差值约为 ℃。 平均温度一般是按冻结壁主面平均温度与界面平均温度之和的一半计算。 国内外冻结壁平均温度的计算方法： 中国成冰公式： 3o  ElEltttttbcnocc И .  ynyyyc EEldElRltt 0, И .Д .纳斯诺夫，   Elldtt nbc , 式中， ct — 按成冰公式计算的冻结壁有效厚度的平均温度； ct0 — 按冻结壁零度边界线计算的平均温度； 第 18 页 nt — 井帮冻土温度，井帮未冻时取零度； bt — 冻结盐水温度； L— 冻结孔间距； E— 冻结壁厚度； ,ct 一按и .； yt — 冻结管外壁的岩层温度； R0 — 冻结孔布置圈直径； dy — 冻结管外直径； En — 冻结壁的内侧厚度； Ey — 冻结壁的外侧厚度； nd — 冻结管内直径 冻土的强度与变形性质 冻土的强度特性 (l)抗剪强度 土的种类、温度、外载大小及其作用时间都影响到冻土的抗剪强度。 有关试验表明，在冻结过程中，冻土可以看作为很密实的，此时其剪应力和正应力之间关系一般为非线性的，但为了实用，冻土的抗剪强度也可以用库伦定律来表示，即 ：  tanC 式中：  — 抗剪强度；  — 正压应力；  — 内摩擦角； C— 粘聚力。 这些特性对冻土来讲都是变化的，它们会随着土壤构造特 性，冷冻温度，试 第 19 页 验时间和其他因素而急剧地变化。 影响冻土抗剪强度的主要因素： ①土壤在试验时的状态和具体工作条件 在确定抗剪强度、选择方法 (很密实的，密实的和不密实的土样 )，评价试验资料、划分抗剪强度为摩擦力和粘结力等情况下需考虑这一因素。 ②冻土结构 冻土的抗剪强度取决于它的构造。 整体状构造的冻土在其他条件相同的情况下，其摩擦力和粘结力小于网状结构的冻土。 ③试验中的温度规律 冻土抗力对温度变化非常敏感，特别是在水的相态急剧变化的温度范围内。 在其他条件相同的情况下，冻土的抗剪强度比融土大好几倍，随着温度升 高，更多的冰转化为未冻水，冻土的抗剪强度便逐渐降低。 ④试验时间 试验研究表明，冻土在长期荷载作用下将出现伴随有强度下降的过程。 由于冰具有流变性，因而，剪切荷载作用时间越长，冻土的抗剪能力也越低，由此导致长期抗剪强度大大低于瞬时抗剪强度。 在现场可以用大型直剪、推剪或在室内可以用直剪、三轴剪切或球型压模等方法来求得冻土的抗剪强度。 (2)抗压强度 土在冻结状态下的抗压强度，一般都比它在融化状态下大得多，土温越低，抗压强度也越大。 一般说来随着含水量增大，起胶结作用的冰也越多，因而强度有所增大。 但当含水量超过某 一定值时，含水量的进一步增大导致冻土抗压强度的降低，最后趋于某个定值。 根据实测，一般冻土和常规土力学参数如表 所示。 表 冻土、常规土的力学参数 第 20 页 冻土的流变性 冻土流变性包括蠕变和松弛两个方面，所谓蠕变，就是在不变的应力作用下，变形随时间而发展；所谓松驰，就是在固定的变形条件下，应力随时间而衰减。 冻土之所以存在流变性质，是由其中的冰和未冻水所决定的，冰一水在一定的温度和压力下处于平衡状态。 未冻水以薄膜形式包裹在矿物颗粒和胶结冰晶体上。 在荷 载作用下，土骨料的个别地方出现应力集中使冰一未冻水体系的平衡状态破坏，冰融化以融化的水来补充薄膜水。 而这水分又由较高应力区被挤压到较低应力区，在那里重新冻结，并达到新的平衡状态。 在水分挤出的同时，冻土中的冰发生粘滞性流动，土颗粒及其集合体发生位移。 伴随以土颗粒的重新组合与重新定向，力图使自己的基面沿最大剪应力的方向排列，占据与最小位能相应的位置。 土结构的损坏先发生在土结构的缺陷处，即土的骨架联结最薄弱处，随后随着土颗粒继续位移而迅速扩成网状大裂缝。 对遭受塑性破坏的土，缺陷发展不会破坏土的连续性，但却以不断增 长速度促使塑性变形逐渐发展。 对遭受脆性破坏的土，微裂缝扩大合并成大裂缝，这时土的连续性受到破坏并形成缺口。 冻土蠕变可由于冻土上作用的荷载的大小分为两种类型 :非衰减蠕变和衰减蠕变。 典型的冻土非衰减蠕变过程共有四个阶段 (图 )。 第一阶段是瞬时变形阶段，亦即在加载后土体迅速产生一定的变形 (0A):第二阶段是非稳定的减速蠕变阶段，其特征是蠕变速率随时间的推移而趋于减小，趋向于一个定值 (AB)。 第三阶段是等速蠕变阶段，亦即粘塑流阶段 (BC)。 最后，第四阶段为渐进流阶段，蠕变速度趋于增大，土体发生破坏 (CD)。 出现何种类型的蠕变，决定于荷载的大小，也决定于土的含水 (冰 )量的大小。 在荷载小于土的长期强度时，变形随时间的推移趋于稳定；当荷载大于土的长期强度时，就产生如上段所描述的典型的蠕变过程，这时，土的形变随加载时间而 第 21 页 增大，最后土趋于破坏，这就是非衰减蠕变。 荷载越大，变形越大，破坏越快。 发生何种类型的蠕变，还取决于冻土含水 (冰 )量的大小。 当土的含水量超过某一临界值时，冰已成为冻土的基本骨架，土颗粒基本悬浮在冰中，此时，即使在极小荷载作用下，它也和冰一样 .发生非衰减蠕变。 只有冻土含水量低于临界值时，当荷载小于长期强 度，出现衰减蠕变，当荷载大于长期强度，出现非衰减蠕变。 图 冻土非衰减蠕变曲线 冻土的冻胀融沉特性 当大量的水分从液相转入固相时，土便发生冻胀，水结冰后体积膨胀约 9%。 由于在冻结过程中水分迁移使细粒土的含水量增加，迁移水的体积加剧了湿土的冻胀。 当水从固相转变为液相时，土便发生融化下沉，在有外荷载作用下还会发生融化压缩。 这些与温度变化和水的相变相伴而生的体积变化，影响着土的工程性质。 所谓冻胀，就是土在冻结过程中，土中水分 (包括土体孔隙中原有水分以及从外部迁移到土体来 的水分 )转化为冰，引起土颗粒间的相对位移，使士体体积产生膨胀、土表升高。 冻胀一般都是不均匀的，不均匀而且巨量的冻胀将导致建筑物冻胀变形的基本特征值是冻胀量和冻胀率。 土层冻结量，冻胀量与该土层原始厚度的比值，称为冻胀率 ( f ） 第 22 页 000 01000 100100  h hhh hf 式中： 0h — 冻结前土层的厚度。 1h — 冻结后土层的厚度。 土的冻胀率，受土的机械组成、土的密实程度、土的含水量、土的冻结速率以及土体与地下水位的距离等因素的控制。 在土体温度升高，冰融化时，土体往往在自重作用下产生一定量的下沉。 在土的自重和外荷载作用下，水逐渐排出，使土进一步压缩下沉。 冻土融化时在自重作用下发生的下沉称为融化下沉，融化时在荷载作用下体积的压缩，称为融化压缩。 一般土体在荷载作用下，这两种作用是结合在一起的，很难予以区分。 为便于研究起见， (1985)建议将测定冻土融化下沉和压缩的实验工作分成两步。 第一步，在等于土自重的荷载的作用下令土充分加热并融化，定义土层在无侧向压缩时融化前后厚度差△ h 为融化下沉量，融化下沉量与土融化前厚度 h 之比 A0为融化下沉系数。 000 100 hhA 第二步，在土完全融化后，对土逐级加荷，土孔隙比的变化  和相应的荷载增量  p 之比 0a 称为融化压缩系数。 P 0 测定了这两个系数，就可以近似地计算土在融化下沉和压缩后的形变。 表征土的融化下沉和融化压缩能力的两个指标 A。 和 a。 ，取决于土的机械组成、含冰 (水 )量以及土的干容重。 砾石土的融沉性最 低，砂类土次之，粘性土，特别是有机质土最高。 在一定的含水量界限以下，土的融化下沉量很小甚至可以忽略，在此界限以上，融化下沉系数随含水量的增加而增大。 同样，在一定的干容重界限以上，土的融化下沉与融化压缩系数很小，甚至可以忽略，而在此界限以下，随着干容重的减小 (空隙比增大 )，融化下沉和融化压缩系数在增大。 对冻土水分迁移机理及水一冰相态转换是从微观角度研究冻土物理力学性质和土体冻胀融沉的基点。 由于水分迁移过程受很多因素的影响，使这一问题的研究到目前为止仍是一个人工冻土学中激烈争论的问题。 在众多的理论中，为大 第 23 页 多数 学者所接受的是吸附一薄膜水理论。 通过室内试验得到了正冻土中由温度梯度引起的水分迁移的驱动力三要素：温度、未冻水含量和土水势之间的关系，提出了水分迁移的经验公式。 dfwfdbfobWWxcWxbwaW 0 式中： W0 — 土的初始含水量； f — 含水量时冻结 温度； wfx — 断裂点的土水势； Wf — 断裂点的含水量； a、 b、 c、 d— 与土质有关的系数。 根据这些方程可通测定冻结过程中温度梯度确定土水势对冻土的析冰作用，研究表明，正冻土中的析冰作用与土体类型、含水量、水分分布、温度、载荷条件有关系。 冻结壁厚度计算理论 为科学合理确定适合大南湖主斜井冻结壁厚度，借 鉴轴对称平面力学模型计算方法 无限长弹性厚壁圆筒公式 视冻结壁为在均布外压作用下的无限长弹性厚壁圆筒，即 ))(( 23。