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近年来,随着立井深度和直径增大,冻结井筒内壁开裂、漏水日益严重,机理不明,造成重大安全威胁和经济损失。揭示凿井期新筑内层井壁混凝土开裂机理是科学防治冻结井筒渗漏水害的前提。本文首先模拟新筑内壁真实的温度条件,研究了内壁混凝土热物理、力学参数随龄期和温度的演化规律,为后续研究提供温度数据;然后,基于电热原理,研制了可以突破水泥水化放热相似模拟难题的导电混凝土相似材料;最后,通过相似模拟试验,初步验证了采用导电混凝土弥补内壁缩比模型水化热缺口的可行性。上述研究为进一步开展内壁混凝土开裂机理数值计算与相似模拟试验提供了保证,具有重要的应用价值。主要研究结果如下:1)利用有限元软件建立新筑冻结井筒计算模型,计算内层井壁在不同内层井壁厚度、井内风速、井内空气温度条件下的温度场变化规律。研究表明:(1)内层井壁浇筑后的初期,混凝土经历四个变化阶段:快速升温(0.82℃/h～1.62℃/h)、缓慢升温(0.11℃/h～0.28℃/h)、快速降温(≥0.02℃/h)、缓慢降温(≤0.01℃/h);(2)井筒内部温度发展比井筒表面发展要快,当内层井壁厚度为1.6m时,内层井壁最高温达到79.5℃,最大温差达到38.0℃。(3)内壁最高温出现位置在靠近内缘大概80～180mm处,并且随着内壁厚度、井内风速的增大而逐渐远离内壁内缘。(4)减小内层井壁厚度、降低井内风速可以有效降低内层井壁温度,减少裂缝的出现。(5)内壁温度场受内壁厚度影响较大。2)在真实的温度环境条件下模拟内层井壁混凝土浇筑,研究内壁混凝土热物理、力学参数在不同井壁厚度下随龄期和温度的演化规律。研究表明:(1)浇筑温度曲线呈现诱导期、缓慢升温、快速升温、快速降温、缓慢降温五个阶段,最高水化温度随着井壁厚度的增加而增加,同时达到最高温的时间往后推迟。最高温达到79.3℃,内外最大温差16.4℃,到达时间为浇筑后16h(浇筑厚度1.5m中层温度)。与第二章冻结内层井壁温度场相比,总结如下:内壁温度变化趋势相同,均经历快速升温、缓慢升温、快速降温、缓慢降温阶段;内壁厚度影响相同,内层井壁厚度越高,内壁混凝土水化温度越高,同时到达最高温的时间向后推迟。在升温速率、到达最高温时间等方面与数值计算存在差异,但在最高温方面可以达到一致。(2)混凝土早期抗压强度发展迅速,第1d强度达到61%～85%,第3d强度达到81%～95%,第7d强度达到85%～99%。整体变化范围在37MPa～58MPa。(3)弹性模量在第1d～第3d增长较快,在第3d～第7d增长趋于缓慢,变化范围很小。整体数值范围在3.19×10~4MPa～3.57×10~4MPa。(4)劈裂抗拉强度随龄期表现为非线性增长,第1d～第3d增长较快,在第3d到第7d增长幅度降低。整体变化范围在2.78MPa～4.26MPa。(5)导热系数和比热均在第1d达到最大值,随着龄期的增加逐渐下降。导热系数整体数值范围在0.823W/m·K～2.386W/m·K,比热容整体数值范围在0.662k J/kg℃～0.984k J/kg℃。(6)在三种浇筑厚度中,抗压强度随井壁厚度的增加而逐渐增加,但在各龄期下的增长情况不相同;弹性模量随井壁厚度的增加而逐渐增加,总体增长幅度随龄期的增加而逐渐较小;劈裂抗拉强度随井壁厚度的增加而接近于线性增长,这种现象在第3d和第7d较为明显;导热系数随井壁厚度的增加呈现处线性增长规律,井壁厚度每增加20cm,导热系数增加0.06W/m·K左右;比热容随井壁厚度的增加而逐渐增大。3)为解决新筑内壁缩比模型水泥水化热不相似得难题,选用钢渣微粉作为导电相材料利用导电混凝土的电热效应来模拟。通过调节钢渣掺量和电压大小来满足温度场相似,再通过正交试验调节水灰比、砂率、砂子用量来满足力学参数相似。研究表明:(1)钢渣混凝土电热效应明显,其温度变化规律与原型相似,混凝土加上电压后,最高温提高12.3℃～52.4℃,达到最高温时间提前10h～21h。(2)在10V和20V电压下的混凝土升温速率(0.6℃/h～1.49℃/h)、最高温(35.7℃～52.3℃)均低于第三章温度场数据(升温速率1.95℃/h～3.12℃/h、最高温58.9℃～79.3℃),最高温到达时间推迟8h～28h。可以满足温度场的相似的电压大小为30V(升温速率1.94℃/h～3.38℃/h、最高温58.2℃～76℃)。满足温度场和力学场相似的钢渣掺量(与水泥的质量比)为0.7。(3)通过9组正交试验测出力学参数,在满足温度场相似前提下确定出满足力学参数也相似的导电混凝土配方为第5组(水灰比W/C取0.34,砂率取38%,砂子用量取770m~3)。4)采用导电混凝土相似材料,建立内层井壁的缩比模型。通过在内壁两端加上合理的电压,利用电热效应弥补水泥水化热缺口。研究结果如下:(1)导电混凝土相似材料的电热效应明显,可以有效弥补缩比模型水泥水化热不足的问题,将内层井壁最高温提高至80℃以上。(2)内壁缩比模型的升降温曲线与第三章内壁浇筑试验规律相同,均经历快速升温(1.6℃/h～5.33℃/h)、缓慢升温(1.05℃/h～2.22℃/h)、快速降温(0.1℃/h～1.1℃/h)、缓慢降温(0.1℃/h～0.2℃/h)阶段。其升温阶段速率相较于数值计算和模拟浇筑有所提高,但总体的平均升温速率和降温速率接近。(3)与第三章模拟浇筑的内壁温度场相比,最高温到达时间推迟2.7h以上,内外缘最大温差减小16℃,但在升温速率、最高温方面与其基本接近,验证了采用导电混凝土弥补内壁缩比模型水化热缺口的可行性。