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本文采用室内冻结红层单轴强度试验、单轴蠕变试验、三轴剪切强度试验、有限元数值分析等相结合的方法,研究我国红层人工冻结软岩热物理参数、冻结红层力学特性及冻结壁设计。获得如下主要研究成果：通过红层热物理参数试验研究获得冻结红层地层岩石导热系数位于2.368～2.664Kcal/mh℃之间；冻结红层湿比热介于0.908～1.149J·g-1·K-1之间；红层冻结温度在-2.7～-3.8℃之间,比表土段黏土的大0.7～2.3℃。冻结表土的单轴抗压强度随温度降低增加明显,并近乎呈线性规律增长；冻结红层岩石受冻结温度影响较小,负温条件下岩样较之常温下强度有不同程度提高,线性关系不好；单轴瞬时强度以及弹性模量：-5℃到-10℃增长较其它温度段的大；室温下红层有类似软岩的力学性质。应力水平较低条件下(0.2σx、0.3σx和0.5σs)冻结红层蠕变上属于稳定性蠕变,只发生蠕变的第一和第二阶段；当应力水平较高时(0.7σx)红层发生非稳定性蠕变变形阶段；冻结红层地层是典型的黏弹塑性岩土材料。冻结红层三轴剪切试验结果表明：红层岩样的破坏准则服从修进的的德鲁克—普拉格准则。红层三轴偏应力强度值随围压的增大,呈增大趋势,内摩擦角位于2.31-5.52度之间,黏聚力介于10.14～11.16MPa之间。采用黏弹塑性本构模型和修进的德鲁克-普拉格准则经简化后进行理论推导了红层冻结壁应力场和位移场。通过红层冻结壁温度场有限元数值模拟和优化设计,获得冻结温度场发展变化规律,冻结管单圈孔插花布置方案最合理,冻结红层65天交圈,开挖至相应的深度红层冻结壁厚度能够达到设计要求。本文研究成果是红层地层人工冻软岩冻结壁热力学计算的基础,为冻结温度场分析与工程预测提供科学指导,对推动我国冻结法凿井理论与技术进步具有重大意义。