高強鋼筋混凝土井壁水平極限承載特性實驗

摘要：針對西部地區某煤礦凍結井筒的支護問題，根據相似理論，采用模型實驗方法研究了高強混凝土井壁的水平極限承載特性。實驗結果表明：井壁結構在水平荷載達到10MPa后，鋼筋應力進入屈服應力階段，表現出明顯的塑性流動；井壁破壞荷載達18.4MPa，破壞前混凝土的最大環向應變可達-3400×10 -6。實驗結果可為井筒支護參數優選和工程監測提供參數。

關鍵詞：高強井壁；水平極限承載；模型試驗

中圖分類號：TD262文獻標志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2012）04-0056-04

作者簡介：吳娟（1988-），女，安徽舒城人，在讀碩士，研究方向：工程結構分析。

近些年來西部大開發戰略的大力實施，西部煤炭的開發也在大規模的進行。西部礦井的井筒直徑較大，且所處的白堊系和侏羅系地層成巖晚、強度低。以內蒙古紅慶河煤礦為例，其主井筒的設計凈值是9.5m，在累深495.71m處需穿過白堊系及侏羅系地層，地層巖性以細砂、粉細砂為主。井筒穿過的三個主要含水層中，第一含水層位于白堊系地層中，第二、第三含水層位于侏羅系地層。采用凍結法施工時，地層的凍結特性及水文地質條件與中、東部地區的差異較大，地層凍脹性能等不確定因素多，因此井壁多采用高強鋼筋混凝土結構進行支護。

對于高強鋼筋混凝土井壁結構的力學特性研究方面，國內已有較多的研究成果，如對深表土中高強鋼筋混凝土井壁力學性能的研究[1-2]，這些研究成果對高強井壁結構設計及應用方面有重要指導意義。鑒于東、西部地區工程地質等方面的差異，井壁設計參數并不能完全通用，因此針對高強混凝土井壁在西部地區的應用開展相應井壁結構實驗，對優選支護參數和為工程監測提供參數等方面有重要意義。

1實驗模型設計

1.1井壁原型

紅慶河礦主井井筒深786.0m，其井筒設計凈值9.5m，井壁采用雙層鋼筋混凝土結構，井壁厚度1.8m，采用的混凝土強度等級C60～C70。

1.2相似模型設計

為弄清井壁的力學特性，模型設計不僅需要滿足應力和變形相似條件，還應滿足強度相似條件。依據相似理論和彈性力學的基本方程，采用方程分析法，推導出井壁模型相似準則[3]。

由幾何方程得C εC l/C δ=1；由邊界方程得C P/Cσ=1；由物理方程得C EC ε/C σ=1，C ν=1。其中C l為幾何常數；C P為荷載（面力）相似常數；C E為彈性模量相似常數；C δ為位移相似常數；C ε為應變相似常數；C σ為應力相似常數；C ν為泊松比相似常數。

為使模型和原型井壁各部分的破壞荷載和破壞形態與原井壁完全相似，不僅要滿足上述彈性狀態下應力、應變相似條件，還應滿足以下強度相似條件：井壁模型與原型的材料在加載全過程中應力-應變曲線相似；井壁各部分材料的強度相似；井壁破壞的強度準則相似。故試驗模型采用原井壁結構材料，有C E=C σ=C P=C R=1；C ε=1；C μ=1；C R為強度相似常數；C μ為配筋率相似常數。該情況下，只需確定合適的幾何相似常數即可。為使研究結果更具廣泛性，試驗中不以某個具體井筒作為模擬對象，而是考慮厚徑比（即壁厚與內半徑之比）的應用范圍，則相似常數C K=1。根據凍結井壁的設計參數，使通常井壁的厚徑比都包括在內并結合試驗加載裝置尺寸，確定的井壁模型參數如表1所示，混凝土強度等級設計為C60～C70。模型試件的外徑和高度分別為925mm和562.5mm，井壁模型結構如圖1所示。

1.3試驗加載與測試方法

為了進行試驗應力分析，試驗前在每一模型試件的內、外混凝土表面和鋼筋上沿圓周方向布置4個點并粘貼電阻應變片（見圖2～圖3），并采用精密壓力表和油壓傳感器測量施加的油壓值，井壁加載裝置如圖4所示。試驗時，先預加壓6.0MPa，然后分級穩壓加載，并記錄下每級荷載下的應變及最終的破壞荷載。

2實驗結果分析

2.1應變變化規律

水平加載過程得到的荷載與應變曲線如圖5～圖6所示，鋼筋與混凝土的豎向應變曲線形狀較為一致，說明鋼筋與混凝土的復合協調作用良好。在加載初期水平荷載不大于8MPa時，混凝土與鋼筋的變形主要表現為線彈性變形，且其內側的應變明顯大于外側應變。隨著水平荷載增大到10MPa，鋼筋達到應力屈服，其應變值為-1400×10-6。高強井壁的破壞荷載為18.4MPa，破壞前混凝土達到的最大環向應變為-3400×10 -6。

2.2破壞特征與極限荷載

鋼筋在水平荷載達到10MPa進入塑性流動階段，將不在分擔井壁的外荷載（見圖7）。因而，均勻側壓下鋼筋能增加高強混凝土的延性，但不能提高井壁的承載能力。

加載初期即水平荷載不大于8MPa時，井壁的混凝土表現為近似的線彈性特征（見圖8），截面的應力符合彈性厚壁筒應力分布規律。試驗得到井壁極限承載力為18.4MPa，破壞前井壁內緣混凝土的最大應力約為100MPa。在受力全過程中，混凝土沒有明顯的彈塑性階段，這表明高強混凝土井壁具有明顯的脆性特征，故結構破環時沒有明顯的變形特征。

當井壁承受較大的外荷載時，井壁內緣混凝土環向應力首先達到極限強度，由于內側方向為自由方向，因此內側混凝土將出現微小斜裂紋，且局部有脫皮現象（見圖9）。隨外荷載的繼續增加，超過極限強度的高應力區由井壁內側迅速向外側發展，最終會在井壁混凝土質量較差處發生壓剪破壞，形成一個貫穿整個厚度的破壞面（見圖10）。井壁破裂時，有大塊的脫落，并出現斜向的斷裂裂紋，環向鋼筋沿破壞面發生塑性彎曲，破壞面與最大主應力方向的夾角為25°～30°（見圖11），且由于高強鋼筋混凝土井壁在破壞前內部積聚了大量能量，所以試件破壞時發生的破裂聲比普通鋼筋混凝土井壁大。

3結論

針對紅慶河礦井凍結井筒的支護問題，依據相似理論，通過采用模型實驗方法來研究高強混凝土井壁的水平極限承載特性。實驗結果表明：

1）井壁結構在水平荷載達10MPa后，鋼筋進入屈服應力階段，表現出明顯的塑性流動；

2）井壁破壞荷載達18.4MPa，破壞時混凝土的環向應變可達-3400×10-6，混凝土的最大環向應力約為100MPa；

3）井壁發生壓剪破壞，且破壞面與最大主應力方向的夾角為25°～30°；

4）實驗結果可為井筒支護參數優選和工程監測提供參數，且該試驗方案及試驗參數可作此類井壁結構設計參考。

參考文獻：

[1]姚直書，程樺，楊俊杰.深表土中高強鋼筋混凝土井壁力學性能的試驗研究[J].煤炭學報，2004，29（2）：167-171.

[2]榮傳新，王秀喜，程樺，等.深厚沖積層高強鋼筋混凝土井壁力學特性研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27（S1）：2841-2847.

[3]姚直書，程樺，榮傳新.深凍結井筒內層鋼板高強鋼筋混凝土復合井壁試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2008，27（1）：153-160.

[4]崔云龍.簡明建井工程手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2003：1423-1429.

[5]黃小飛.特厚表土層凍結井壁的受力機理及設計理論研究[D].淮南：安徽理工大學，2006.

[6]韓濤，楊維好，任彥龍，等.鋼骨混凝土井壁水平極限承載特性的試驗研究[J].采礦與安全工程學報，2011，28（2）：181-186.

（責任編輯：何學華，吳曉紅）