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特殊法凿井虚拟仿真实验
2014-10-10 00:03   审核人:

  

冻结法凿井是安徽理工大学特色专业学科方向之一,具有鲜明的学科特色。拥有国内先进的、测试内容较为全面的冻土物理力学性能试验仪器设备,是国内一个重要的人工冻土物理力学性能试验基地,在国内同行中享有重要的学术地位。下设冻结信息化仿真模拟实验室、人工冻结法凿井相似模型实验室、冻结法凿井施工力学仿真实验室等3个。

  • 冻结法凿井信息化仿真实验

该实验借助于自主研制的冻结法凿井安全信息可视化网络系统、冻结法施工计算机信息化管理系统和冻结法凿井冻结温度实时监测系统。冻结法凿井安全信息可视化网络系统如图所示。

       冻结法凿井安全信息可视化网络系统

学生根据该系统设计不同冻结参数(地层、冻结布置、盐水流量、井筒直径等),计算机仿真冻结壁温度场发展情况,获得冻结壁强度及掘进参数等。

冻结法施工计算机信息化管理系统如7所示,该系统能帮助学生了解冻结法施工工艺、过程、控制措施,并能分析冻土冻结过程,解决了因现场条件等原因无法做实验、学生观察不到冻结过程,因而造成教学质量低下的问题,提供一种既能让学生动手操作、又能在计算机的显示器上观察冻结效果的仿真实验系统,以较低的成本保证了教学效果与质量,提高了教学的真实度和效果。该系统可考虑工程的不同地质和工程条件,进行冻结温度场实时监测、冻结壁发展预测,并能对人工冻结壁的温度场、应力场状态进行分析,对深井冻结法凿井工程的安全和施工安排起到了重要的指导作用,效果如图所示。

        冻结法施工计算机信息化管理系统   

基于数字式温度传感器的单片机“一线总线制”,自主研制了冻结法凿井冻结温度实时监测系统,如9所示,可同时采集多路上百个点的温度信号,量测距离超过1000m精度高(0.1),系统使用稳定方便。集计算机技术、数值模拟技术、可视化技术与一体的冻结法信息可视化管理软件,可进行冻结壁发展的预测、力学状态分析等,软件图文并茂,操作方便。

 

        冻结法凿井冻结温度实时监测系统

  • 冻结法凿井相似模型实验

工程模型试验能够提前掌握工程在实践过程的情况,对工程的实施起到预先的指导作用,同时由于模型试验能够更方便地开展各项监测工作,所以模型试验能更全面地掌握工程的性状。模型设计的主要内容包括:试验方案、制冷系统、测试系统、加载系统及程序、模型的制作等。

学生根据现场工程实践条件,设置模型相似比,进行矿井冻结模型实验,通过实验获得冻结过程中的温度场、水分场和冻胀应力场。

试验过程中对试验数据进行采集和控制,以达到试验要求并获得试验数据,实现试验目的。为了保证试验的可靠性和先进性,在试验中,通过编程实现自动控制和定时自动采集系统。试验控制、数据采集和冻结模型情况分别如图所示。 

   

              冻结模型试验控制界面

 

              仿真温度和水分数据采集界面

井筒内加热水浴(温度一般控制在40-60),模拟混凝土水化热对冻融温度场的影响,如图13所示。 

   

          模拟水化热模拟图(用热水浴)

  • 冻结法凿井施工力学仿真实验

该实验借助于大型通用有限元软件,配合课程教学课件,形成以理论课为指导、以软件为实践的数值仿真实验教学路线。冻结法凿井施工力学仿真实验教学贯穿井下结构建模、荷载计算、内力计算、内力组合、设计构造等地下工程施工全系列课程。

学生通过人工冻土单轴和三轴实验获得人工冻土应力应变曲线,基于土力学等原理,获得人工冻土系列本构模型,通过ADINA有限元程序平台实现。

根据人工冻土在卸载应力路径下的三轴蠕变和剪切时的受力状态,建立直径为61.8mm高为125.0mm的圆柱体,底部位移约束,在试样侧面施加围压,试样顶部施加轴向荷载,数值计算模型如图所示。

 

 

                 仿真人工冻土本构数值计算模型

人工冻结过程是水热多物理场耦合过程,基于ADINA软件平台研发了深井冻结壁水热力耦合数值仿真模块。如图所示。

 

              模拟冻结温度场分布

   

                 模拟水分迁移速度分布云图

用ADINA软件进行井筒开挖过程的冻结壁力学数值仿真。数值模拟能够全面的反映冻结壁的全部位移特性,包括冻结壁的超前位移和冻结壁内部位移。而现场实测,由于工程条件等特殊情况,只能量测到实际位移的一小部分。通过数值模拟学生更全面的掌握冻结壁的力学性能如图所示。 

 

                    井筒开挖后的变形图

 

         模拟冻结壁井帮位移随时间变化曲线

  • 支撑项目:岩土特殊施工、井巷特殊施工、地下工程施工、井巷工程等课程设计与工程实践,以及冻结法凿井方向毕业设计与毕业论文。

 

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