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书名：深厚冲积层冻结法凿井理论与技术
定价：218.0
ISBN：9787030460639
作者：程桦
版次：1
出版时间：2016-10
内容提要：
本书针对黄淮地区（特别是两淮地区）深厚冲积层冻结法凿井存在的理论与关键技术问题，系统总结了作者及其学术团队二十多年在该方面研究成果。全书共十二章，主要内容包括：通过大量的试样室内试验，分析深厚冲积层土质物理特性、冻土力学与变形性质；采用理论分析、模型试验和数值模拟相结合的方法，揭示深井多排孔冻结温度场形成规律、冻结壁的力学特性和变形特征、冻结壁与井壁共同作用机理、冻结压力形成机制和分布规律；提出满足不同水文与工程地质条件的新型冻结井壁结构形式，建立新型井壁结构设计计算方法；介绍研究成果在深井冻结法凿井成功应用的典型案例。
目录：
目录
前言
第1章 总论l
1.1冻结法凿井应用概况l
1.1.1国外l
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 冻结井简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鋪拟酿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口孜东矿冻结法餅工程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
12.24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
在线试读：
第1章总论
冻结法凿井是在井筒开挖前，用人工制冷的方法，暂时将井筒周围的含水岩土层冻结成封闭的冻结壁，以抵抗水土压力隔绝地下水和井筒的联系，然后在冻结壁的保护下，进行井筒掘砌施工的一种特殊方法。
自1883年德国工程师提出人工地层冻结原理并成功应用于阿尔巴里德煤矿9号井凿井工程之后，随着人工制冷技术的发展以及冻土热力学、力学研究的不断深入，冻结施工工艺日趋完善，冻结法施工技术已成为一种可行的和极具竞争力的软土及不稳定含水地层中土层加固、隔水的有效工方法。人工冻结壁具有隔水性好、适应性强、对环境影响小、支护结构灵活、易于控制等优越性，越来越受到国内外土木工程界的关注，其細也逐步推广。1955年我国首次和波兰合作，在开涞林西矿风井采用冻结法。此后，在双鸭山、铁法、开涞、兖州、邯郸、大屯、徐沛、淮北、淮南、平顶山、永夏等主要煤炭基地建设中，冻结餅法得到了广泛的应用。进入21世纪以来，随着我国西部大开发战略的实施，陕西、甘肃、山西、宁夏、内蒙古等地区展开了史上*大规模的煤矿新井建设，冻结法又在该地区含水基岩竖、斜井井筒施工中得到广泛应用。
冻结凿井法在煤矿建设实践中显示了明显的优势，它既能用于不稳定的冲积层，又可用于基岩含水层；既可以应用于立井又可以应用于斜井及风道口工程黯防水性好、适应性强、技术可靠、人工冻土自承能力高、工期易于保证等优点，已成为我国在冲积地层和西部地区富(含)水基岩中开凿立井井筒使用*为广泛的特工方法。
由于冻结法凿井穿越的地层水文地质与工程地质层复杂、多变，具有强烈的不确定性，其施工难度不但与水文与工程地质条件、冻结深度以及井筒几何尺寸等客观条件有关，而且取决于设计舰、施工关键技术与工艺以及凿井施工装备等。在理论研究方面，主要包括人工冻土物性錄与力学特性、冻结温度场形成规律、冻结壁稳定性、井壁结构设计理论等；在施工关术与工艺方面，主要涉及冻结孔成孔、冻结壁形成与控制、井筒掘砌以及施工装备等。纵观冻结法餅130多年的发展历史，虽然其源于欧洲，先于我国70余年，但20世纪70年代以后，随着欧洲发达国家能源结构的调整，煤炭行业发展停滞，相关的舰与技术酿几近停顿。而我国是富煤贫油的国家，煤炭占一次能源的比例长期维持在700左右，尤其是“十一五”以来，随着我国经济快速发展，对煤炭需求大幅增长，新建煤矿多为酒大型矿井，冻结法凿井设计舰与技术又有了较大进步。
1.1冻结法凿井应用概况
1.1.1国外
德国于1883年首先細冻结法凿井获得成功。1958年前，鲁尔矿区施工的250个井筒多縣用冻结法施工。1981年施工的瓦尔朱姆矿维尔德矿风井，井深1060m，净直径6.0m，冻深581.0m。据1983年报道，伏尔德矿的冻结深度600m，是当时德国冻结*深的井筒。波兰于1885年开始采用冻结法凿井，至20世纪70年代末已建成立井井筒250个，其中卢布林矿区*大冻结深度为760m。
英国于1909年开始采用冻结法，冻结砂岩含水层。20世纪70年代初建成的博尔比钾盐矿进风井，净直径5.0m，冻结深度930m，采用双层钢板混凝土复合井壁。20世纪70年代末建设的赛尔比煤矿，年产商品煤1000万1,5对立井10个井筒和2个提煤斜井均采用了冻结法施工。
苏联于1928年开始采用冻结法凿井，是世界上采用冻结法施工规模*大的国家之一，施工约500个，雅可夫列铁矿2号罐笼井冻结620m，是*深的冻结井筒。加拿大萨尔修切温钾盐1号矿，*大的冻结915.0m〔表1-1和表1-2）。
表1-1国外井筒*大冻深―览表
表1-2世界各国深冻结井-览表
国外冻结法凿井按其地质条件可分为两类一类是地质条件较好，但深部地层含水大或岩层不完整采用娜局部冻结或差异冻结。另一类是第三、第四系地层特厚条件复杂，要对其全深冻结。需要指出的是，表1-2所列的各井筒所穿越的地层均以基岩为主，属基岩冻结范畴。
1.1.2国内
纵观我国冻结凿井法半个多世纪以来从无到有规模从小到大，冻结深度从深的发展，经历了探索、推广应用、巩固提高、创新发展四个阶段。
新中国成立初期，煤矿建设施工只能采用板桩法、料石沉井法穿过井筒上部近10m深的不稳定表土层，以至于当时不少井筒施工因遇到表土流沙层而陷入困境。例如，汾西河翻矿井井筒采用短段吊挂井壁施工失败，且发生了人身伤亡和淹井事故;有些井筒开凿后遇到流沙层面被迫淹井停工等。1955年，我国引进波兰冻结法凿井技术与装备，由开煤矿与波兰凿井队协作，在林西风井首次采用冻结法凿井获得成功。随后又在开滦唐家庄风井，当时在苏联专家的指导下，采用国产设备，这是我国自主成功设计施工的第*个冻结井筒，为我国冻结法凿井技术的应用培养技术力量打下了基础。
在20世纪70年代以前，我国对冻结法凿井技术进行完善和推广。在使用地区上，由原先的开溧矿区扩展到邢台矿区、淮北矿区、淮南矿区等，在冻结深度上，由100m左右发展到260m，不少矿区的立井井筒全部采用该法。但是随着冻结深度的增加，带来了诸如冻结孔造孔技术，冻结壁厚度设计与变形，掘进段高的合理确定，井壁破裂及漏水等新问题。由于当时国内对冻结法凿井理论与技术缺乏深入、系统的研究，工程经验少，尽管试图从国外(苏联、联邦德国、波兰等)的资料与经验中找到解决问题的办法，但因水文与工程地质的差异，收效甚微，亟待研究解决。
社会需求是推动科学技术发展的动力。从20世纪70年代中期开始，淮南矿区和淮北矿区（以下简称两淮地区\大屯矿区、兖州矿区、徐州矿区和平顶山矿区(东部〕等开展了大规模的矿井建设。这些矿区均被深厚冲积层所覆盖，除少数采用沉井法施工以外，均采用了冻结法施工。如河南省永夏矿区陈四楼煤矿副井(冲积层厚达3743〕；安徽淮南矿区潘二煤矿副井(成井直径达83m，掘进直径达11.53m。期间，冻结管断裂、冻结壁变形大、井壁裂漏等问题一直困扰着国内建井界。直至20世纪70年代末期，在原两淮煤炭指挥部组织领导下，经国内科研单位、高校以及相关单位有关专家共同攻关，揭示了井壁裂漏机理后，通过采用塑料夹层钢筋混凝土双层井壁结构，有效制止了井壁的裂漏，解决了当时突出的井壁漏水问题。
20世纪80年代初，我国冻结法凿井技术、装备水平与50年代相比，有了飞跃的进步。据不完全统计1953-1980年，采用特殊凿井法施工的井筒共有346个，其中采用沉井法114个，采用钻井法25个，采用混凝土帷幕法20个，采用冻结法187个，占总数的54%(图1-1)
图1-1我国冻结法凿井施工规模增长状况⑴
1998年以后，随着我国经济的快速发展，首先，在山东、安徽、河南、河北等地掀起了有史以来*大规模的煤矿新井建设高潮，期间，冻结將越的冲积层厚度不断加深。以黄淮地区为例，从山东济西矿侧叫年安徽丁集矿年八龙固矿,可看出，在短短5年内，我国中东部地区冻结立井穿越冲积层*大厚度增加了近110m。
其后随着我国西部大开发战略的实施西部煤炭资源开发如火如荼，在陕西北部、宁夏、内蒙古鄂尔多斯、新疆等地区，已开工建设多个矿区。与中、东部地区新井建设相比，这些新建煤矿具有井型大、新生界地层薄(多为30m以浅）、矿井穿越地层以白垩系、侏罗系为主，开拓方式立井和斜井并重等特点。
图1-1、表1-3所示为我国1955-2010年以来冻结法凿井施工规模、冻结深度等。统计1955-2010年，全国采用冻结法施工的立井井筒968个，累计井筒总长度约22、7万米。其中在21世纪头10年建成立井井筒494个，“十一五”时期施工了254个。20世纪冻结不超过500m，“十一五”时期冻结深度增加很快，东部地区冲积层中*大冻结淮南国投新集杨村煤矿，2010年西部地区基岩含水层中*大冻结深度陕西高空堡矿副井，21世纪头10年，500-800m深井冻结施工了100个井筒，其中约700m的11个，约800m的4个。
表1-31955-2010年我国冻结法凿井施工规模及冻结深度统计
表1-4表明，我国在“十一五”期间开工建设的许多井筒深度超过了波兰、俄罗斯、德国等国家。2011年开工建设的甘肃省核桃峪矿副井，井深1005m，净直径90m，冻结深度950m，超过英国9303的世界纪录。
表1-42003年以来部分深厚冲积层冻结法凿井项目统计数据
1.2人工冻结温度场
由人工冻结法基本原理可知，冻结法施工的成败在于作为支挡结构的冻结壁的可靠性，而冻结壁的力学性能则取决于冻土的力学性能和负温条件。由此可见，要确保冻结壁安全可靠首先应研究冻结温度场的形成规律掌握冻土的物理性能从而为分析冻结壁稳定性提供基础。
人们对冻土温度场的研究已有160多年历，但早期由于相关学科的局限和研究手段的落后，对冻土温度场的认识一直停留在感性阶段。直至20世纪早期，苏联成立了冻土委员会以后，才开展了较为系统、广泛的研究。20世纪中叶年和1961-1971年)又经历了两个较快的发展期，先后开展了与温度场有关的热力学、热物理学、土壤水热改良、工程建筑地基稳定性以及地球表面和岩石圈层的形成等方面的试验研究和以解析解为主的舰计算研究。20世纪70年代以后，计算机和数值方法在苏联冻土研究领域得到广泛应用，有力推动了该学科的发展，使以前许多难以解决的具有复杂几何形状和地质条件、考虑热质交换的非线性问题在深度和广度上都有了新的进展。但真正开始舰性研究并被公认这门学科舰奠基人的是苏联学者在温度场等热物理研究方面为杰出代表。
与苏联一样，北美、西北欧的一些国家和地区，由于自然资源开发的需要，也推动了冻土温度场及其相关学科的酿进展。20世纪初阿拉斯加金矿的开采和1942年北美战备公路的严重冻害的出现促进了对天然冻土温度场舰较全面研究。在加拿大这方面研究主要起源于对极地多年冻土区石油、天然气等资源的开发。20世纪70年代，这些国家相继进入了研究高潮，除自然资源的开发需要外，现代监测技术和计算机技术在冻土酿领域中的应用也加速了该学科的发展。
我国在人工冻土温度场的研究上起步相对较晚。20世纪50年代，余力教授首次采用水利积分仪对人工冻结法餅温度场进行研究，根据圆管稳定导热方程推导了计算单管冻结时间的经验方程;60年代，徐枚研究了天然细砂地基的温度场。此间的研究，主要集中在开展室内、外观测和经验方程的建立方面。直至70年代后期，才逐渐开展非线性相变温度场的雖模拟。张燕和干松水㈤就立井井筒的冻结壁温度场进行了有限元雖模拟计算;陈文豹、汤志斌、王长生等1973-1980年先后在潘集冻结试验井、潘一东风井、潘二南风井等矿井，对单圈冻结孔和双排孔冻结情况的冻结壁温度场进行了大量的工程实测，获得了冲积层深400m以内的冻结壁形成与解冻的规律与特性，建立了冻结壁平均温度的经验计算公式(成冰公式)。
进入21世纪后，我国黄淮地区冻结法凿井穿越冲积层厚度冻结均不断加大，为满足冻结壁厚度的设计要求，出现了双排及以上冻结孔布孔方式。为此，国内相关科研、高校和施工单位开展了大量的多排孔冻结壁温度场舰与工程实测研究，获得了4003以深冻结壁温度场分布规律，取得了一系列研究成果，为深冻结井设计与施工提供了舰依据。
近年来随着我国西部大开发战略的实施，针对内蒙古、山西、宁夏等地区特殊的水文与工程地质条件，基于对该地区冻土物理力学性质不断的深入认识，以及深立井基岩冻结法施工的成功经验的总结，对指导我国西部地区煤矿深立井建设起到重要作用。但是，由于岩(土)热物质黯强烈的不确定性，加之，岩(土)冻结时水分迁移机制复杂，亟待进一步酿揭示。因此，对深冻井温度场的酿尚不能满足工程设计与施工要求，仍需围绕酒人工冻〔岩)土物理特性、深井冻结壁温度场分布规律、深井冻结热工计算等方面开展深入系统研究，以满足工程设计与施工需要。
1.3冻土力学性质
冻土是一种温度低于且含有冰的岩土⑺，是颗粒相互联结的多成分和多相体系，普遍认为它由土颗粒、冰与土之间界面上的未冻水、土颗粒之间的冰和冰孔隙中的气体等四种成分组成,影响冻土力学性质主要因素有土颗粒组成、冻结温度、土的含水率、荷载作用时间以及冻结速度等。冻土的力学性质主要包括抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、弹性模量、压缩模量、蠕变等。
1927-1937年，人们通过试验研究，首次获得了冻土抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗扭强度与其矿物成分、含水量以及温度等之间关系的资料，并开展了冻土在局部荷载和侧限条件下融化下沉总量的试验研究证明了定量热工计算时应考虑正冻和正融土中水分相变的必要性。1940年，苏联学者研究了土中冰对冻土力学性质的影响揭示了冻土中存在未冻水的事实，并说明了未冻水含量直接与负温条件有关。
1955年，维亚洛夫首次提出了冻土长期强度的概念，认为冻土是一种在外荷载作用
定价：218.0
ISBN：9787030460639
作者：程桦
版次：1
出版时间：2016-10
内容提要：
本书针对黄淮地区（特别是两淮地区）深厚冲积层冻结法凿井存在的理论与关键技术问题，系统总结了作者及其学术团队二十多年在该方面研究成果。全书共十二章，主要内容包括：通过大量的试样室内试验，分析深厚冲积层土质物理特性、冻土力学与变形性质；采用理论分析、模型试验和数值模拟相结合的方法，揭示深井多排孔冻结温度场形成规律、冻结壁的力学特性和变形特征、冻结壁与井壁共同作用机理、冻结压力形成机制和分布规律；提出满足不同水文与工程地质条件的新型冻结井壁结构形式，建立新型井壁结构设计计算方法；介绍研究成果在深井冻结法凿井成功应用的典型案例。
目录：
目录
前言
第1章 总论l
1.1冻结法凿井应用概况l
1.1.1国外l
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 冻结井简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鋪拟酿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口孜东矿冻结法餅工程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
12.24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
在线试读：
第1章总论
冻结法凿井是在井筒开挖前，用人工制冷的方法，暂时将井筒周围的含水岩土层冻结成封闭的冻结壁，以抵抗水土压力隔绝地下水和井筒的联系，然后在冻结壁的保护下，进行井筒掘砌施工的一种特殊方法。
自1883年德国工程师提出人工地层冻结原理并成功应用于阿尔巴里德煤矿9号井凿井工程之后，随着人工制冷技术的发展以及冻土热力学、力学研究的不断深入，冻结施工工艺日趋完善，冻结法施工技术已成为一种可行的和极具竞争力的软土及不稳定含水地层中土层加固、隔水的有效工方法。人工冻结壁具有隔水性好、适应性强、对环境影响小、支护结构灵活、易于控制等优越性，越来越受到国内外土木工程界的关注，其細也逐步推广。1955年我国首次和波兰合作，在开涞林西矿风井采用冻结法。此后，在双鸭山、铁法、开涞、兖州、邯郸、大屯、徐沛、淮北、淮南、平顶山、永夏等主要煤炭基地建设中，冻结餅法得到了广泛的应用。进入21世纪以来，随着我国西部大开发战略的实施，陕西、甘肃、山西、宁夏、内蒙古等地区展开了史上*大规模的煤矿新井建设，冻结法又在该地区含水基岩竖、斜井井筒施工中得到广泛应用。
冻结凿井法在煤矿建设实践中显示了明显的优势，它既能用于不稳定的冲积层，又可用于基岩含水层；既可以应用于立井又可以应用于斜井及风道口工程黯防水性好、适应性强、技术可靠、人工冻土自承能力高、工期易于保证等优点，已成为我国在冲积地层和西部地区富(含)水基岩中开凿立井井筒使用*为广泛的特工方法。
由于冻结法凿井穿越的地层水文地质与工程地质层复杂、多变，具有强烈的不确定性，其施工难度不但与水文与工程地质条件、冻结深度以及井筒几何尺寸等客观条件有关，而且取决于设计舰、施工关键技术与工艺以及凿井施工装备等。在理论研究方面，主要包括人工冻土物性錄与力学特性、冻结温度场形成规律、冻结壁稳定性、井壁结构设计理论等；在施工关术与工艺方面，主要涉及冻结孔成孔、冻结壁形成与控制、井筒掘砌以及施工装备等。纵观冻结法餅130多年的发展历史，虽然其源于欧洲，先于我国70余年，但20世纪70年代以后，随着欧洲发达国家能源结构的调整，煤炭行业发展停滞，相关的舰与技术酿几近停顿。而我国是富煤贫油的国家，煤炭占一次能源的比例长期维持在700左右，尤其是“十一五”以来，随着我国经济快速发展，对煤炭需求大幅增长，新建煤矿多为酒大型矿井，冻结法凿井设计舰与技术又有了较大进步。
1.1冻结法凿井应用概况
1.1.1国外
德国于1883年首先細冻结法凿井获得成功。1958年前，鲁尔矿区施工的250个井筒多縣用冻结法施工。1981年施工的瓦尔朱姆矿维尔德矿风井，井深1060m，净直径6.0m，冻深581.0m。据1983年报道，伏尔德矿的冻结深度600m，是当时德国冻结*深的井筒。波兰于1885年开始采用冻结法凿井，至20世纪70年代末已建成立井井筒250个，其中卢布林矿区*大冻结深度为760m。
英国于1909年开始采用冻结法，冻结砂岩含水层。20世纪70年代初建成的博尔比钾盐矿进风井，净直径5.0m，冻结深度930m，采用双层钢板混凝土复合井壁。20世纪70年代末建设的赛尔比煤矿，年产商品煤1000万1,5对立井10个井筒和2个提煤斜井均采用了冻结法施工。
苏联于1928年开始采用冻结法凿井，是世界上采用冻结法施工规模*大的国家之一，施工约500个，雅可夫列铁矿2号罐笼井冻结620m，是*深的冻结井筒。加拿大萨尔修切温钾盐1号矿，*大的冻结915.0m〔表1-1和表1-2）。
表1-1国外井筒*大冻深―览表
表1-2世界各国深冻结井-览表
国外冻结法凿井按其地质条件可分为两类一类是地质条件较好，但深部地层含水大或岩层不完整采用娜局部冻结或差异冻结。另一类是第三、第四系地层特厚条件复杂，要对其全深冻结。需要指出的是，表1-2所列的各井筒所穿越的地层均以基岩为主，属基岩冻结范畴。
1.1.2国内
纵观我国冻结凿井法半个多世纪以来从无到有规模从小到大，冻结深度从深的发展，经历了探索、推广应用、巩固提高、创新发展四个阶段。
新中国成立初期，煤矿建设施工只能采用板桩法、料石沉井法穿过井筒上部近10m深的不稳定表土层，以至于当时不少井筒施工因遇到表土流沙层而陷入困境。例如，汾西河翻矿井井筒采用短段吊挂井壁施工失败，且发生了人身伤亡和淹井事故;有些井筒开凿后遇到流沙层面被迫淹井停工等。1955年，我国引进波兰冻结法凿井技术与装备，由开煤矿与波兰凿井队协作，在林西风井首次采用冻结法凿井获得成功。随后又在开滦唐家庄风井，当时在苏联专家的指导下，采用国产设备，这是我国自主成功设计施工的第*个冻结井筒，为我国冻结法凿井技术的应用培养技术力量打下了基础。
在20世纪70年代以前，我国对冻结法凿井技术进行完善和推广。在使用地区上，由原先的开溧矿区扩展到邢台矿区、淮北矿区、淮南矿区等，在冻结深度上，由100m左右发展到260m，不少矿区的立井井筒全部采用该法。但是随着冻结深度的增加，带来了诸如冻结孔造孔技术，冻结壁厚度设计与变形，掘进段高的合理确定，井壁破裂及漏水等新问题。由于当时国内对冻结法凿井理论与技术缺乏深入、系统的研究，工程经验少，尽管试图从国外(苏联、联邦德国、波兰等)的资料与经验中找到解决问题的办法，但因水文与工程地质的差异，收效甚微，亟待研究解决。
社会需求是推动科学技术发展的动力。从20世纪70年代中期开始，淮南矿区和淮北矿区（以下简称两淮地区\大屯矿区、兖州矿区、徐州矿区和平顶山矿区(东部〕等开展了大规模的矿井建设。这些矿区均被深厚冲积层所覆盖，除少数采用沉井法施工以外，均采用了冻结法施工。如河南省永夏矿区陈四楼煤矿副井(冲积层厚达3743〕；安徽淮南矿区潘二煤矿副井(成井直径达83m，掘进直径达11.53m。期间，冻结管断裂、冻结壁变形大、井壁裂漏等问题一直困扰着国内建井界。直至20世纪70年代末期，在原两淮煤炭指挥部组织领导下，经国内科研单位、高校以及相关单位有关专家共同攻关，揭示了井壁裂漏机理后，通过采用塑料夹层钢筋混凝土双层井壁结构，有效制止了井壁的裂漏，解决了当时突出的井壁漏水问题。
20世纪80年代初，我国冻结法凿井技术、装备水平与50年代相比，有了飞跃的进步。据不完全统计1953-1980年，采用特殊凿井法施工的井筒共有346个，其中采用沉井法114个，采用钻井法25个，采用混凝土帷幕法20个，采用冻结法187个，占总数的54%(图1-1)
图1-1我国冻结法凿井施工规模增长状况⑴
1998年以后，随着我国经济的快速发展，首先，在山东、安徽、河南、河北等地掀起了有史以来*大规模的煤矿新井建设高潮，期间，冻结將越的冲积层厚度不断加深。以黄淮地区为例，从山东济西矿侧叫年安徽丁集矿年八龙固矿,可看出，在短短5年内，我国中东部地区冻结立井穿越冲积层*大厚度增加了近110m。
其后随着我国西部大开发战略的实施西部煤炭资源开发如火如荼，在陕西北部、宁夏、内蒙古鄂尔多斯、新疆等地区，已开工建设多个矿区。与中、东部地区新井建设相比，这些新建煤矿具有井型大、新生界地层薄(多为30m以浅）、矿井穿越地层以白垩系、侏罗系为主，开拓方式立井和斜井并重等特点。
图1-1、表1-3所示为我国1955-2010年以来冻结法凿井施工规模、冻结深度等。统计1955-2010年，全国采用冻结法施工的立井井筒968个，累计井筒总长度约22、7万米。其中在21世纪头10年建成立井井筒494个，“十一五”时期施工了254个。20世纪冻结不超过500m，“十一五”时期冻结深度增加很快，东部地区冲积层中*大冻结淮南国投新集杨村煤矿，2010年西部地区基岩含水层中*大冻结深度陕西高空堡矿副井，21世纪头10年，500-800m深井冻结施工了100个井筒，其中约700m的11个，约800m的4个。
表1-31955-2010年我国冻结法凿井施工规模及冻结深度统计
表1-4表明，我国在“十一五”期间开工建设的许多井筒深度超过了波兰、俄罗斯、德国等国家。2011年开工建设的甘肃省核桃峪矿副井，井深1005m，净直径90m，冻结深度950m，超过英国9303的世界纪录。
表1-42003年以来部分深厚冲积层冻结法凿井项目统计数据
1.2人工冻结温度场
由人工冻结法基本原理可知，冻结法施工的成败在于作为支挡结构的冻结壁的可靠性，而冻结壁的力学性能则取决于冻土的力学性能和负温条件。由此可见，要确保冻结壁安全可靠首先应研究冻结温度场的形成规律掌握冻土的物理性能从而为分析冻结壁稳定性提供基础。
人们对冻土温度场的研究已有160多年历，但早期由于相关学科的局限和研究手段的落后，对冻土温度场的认识一直停留在感性阶段。直至20世纪早期，苏联成立了冻土委员会以后，才开展了较为系统、广泛的研究。20世纪中叶年和1961-1971年)又经历了两个较快的发展期，先后开展了与温度场有关的热力学、热物理学、土壤水热改良、工程建筑地基稳定性以及地球表面和岩石圈层的形成等方面的试验研究和以解析解为主的舰计算研究。20世纪70年代以后，计算机和数值方法在苏联冻土研究领域得到广泛应用，有力推动了该学科的发展，使以前许多难以解决的具有复杂几何形状和地质条件、考虑热质交换的非线性问题在深度和广度上都有了新的进展。但真正开始舰性研究并被公认这门学科舰奠基人的是苏联学者在温度场等热物理研究方面为杰出代表。
与苏联一样，北美、西北欧的一些国家和地区，由于自然资源开发的需要，也推动了冻土温度场及其相关学科的酿进展。20世纪初阿拉斯加金矿的开采和1942年北美战备公路的严重冻害的出现促进了对天然冻土温度场舰较全面研究。在加拿大这方面研究主要起源于对极地多年冻土区石油、天然气等资源的开发。20世纪70年代，这些国家相继进入了研究高潮，除自然资源的开发需要外，现代监测技术和计算机技术在冻土酿领域中的应用也加速了该学科的发展。
我国在人工冻土温度场的研究上起步相对较晚。20世纪50年代，余力教授首次采用水利积分仪对人工冻结法餅温度场进行研究，根据圆管稳定导热方程推导了计算单管冻结时间的经验方程;60年代，徐枚研究了天然细砂地基的温度场。此间的研究，主要集中在开展室内、外观测和经验方程的建立方面。直至70年代后期，才逐渐开展非线性相变温度场的雖模拟。张燕和干松水㈤就立井井筒的冻结壁温度场进行了有限元雖模拟计算;陈文豹、汤志斌、王长生等1973-1980年先后在潘集冻结试验井、潘一东风井、潘二南风井等矿井，对单圈冻结孔和双排孔冻结情况的冻结壁温度场进行了大量的工程实测，获得了冲积层深400m以内的冻结壁形成与解冻的规律与特性，建立了冻结壁平均温度的经验计算公式(成冰公式)。
进入21世纪后，我国黄淮地区冻结法凿井穿越冲积层厚度冻结均不断加大，为满足冻结壁厚度的设计要求，出现了双排及以上冻结孔布孔方式。为此，国内相关科研、高校和施工单位开展了大量的多排孔冻结壁温度场舰与工程实测研究，获得了4003以深冻结壁温度场分布规律，取得了一系列研究成果，为深冻结井设计与施工提供了舰依据。
近年来随着我国西部大开发战略的实施，针对内蒙古、山西、宁夏等地区特殊的水文与工程地质条件，基于对该地区冻土物理力学性质不断的深入认识，以及深立井基岩冻结法施工的成功经验的总结，对指导我国西部地区煤矿深立井建设起到重要作用。但是，由于岩(土)热物质黯强烈的不确定性，加之，岩(土)冻结时水分迁移机制复杂，亟待进一步酿揭示。因此，对深冻井温度场的酿尚不能满足工程设计与施工要求，仍需围绕酒人工冻〔岩)土物理特性、深井冻结壁温度场分布规律、深井冻结热工计算等方面开展深入系统研究，以满足工程设计与施工需要。
1.3冻土力学性质
冻土是一种温度低于且含有冰的岩土⑺，是颗粒相互联结的多成分和多相体系，普遍认为它由土颗粒、冰与土之间界面上的未冻水、土颗粒之间的冰和冰孔隙中的气体等四种成分组成,影响冻土力学性质主要因素有土颗粒组成、冻结温度、土的含水率、荷载作用时间以及冻结速度等。冻土的力学性质主要包括抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、弹性模量、压缩模量、蠕变等。
1927-1937年，人们通过试验研究，首次获得了冻土抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗扭强度与其矿物成分、含水量以及温度等之间关系的资料，并开展了冻土在局部荷载和侧限条件下融化下沉总量的试验研究证明了定量热工计算时应考虑正冻和正融土中水分相变的必要性。1940年，苏联学者研究了土中冰对冻土力学性质的影响揭示了冻土中存在未冻水的事实，并说明了未冻水含量直接与负温条件有关。
1955年，维亚洛夫首次提出了冻土长期强度的概念，认为冻土是一种在外荷载作用