凍結(jié)管保溫條件下井架基礎(chǔ)變形研究

王 恒

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

1 研究背景

針對(duì)當(dāng)前一些井筒永久井架基礎(chǔ)施工與凍結(jié)同期進(jìn)行或者事故井筒重新選用凍結(jié)法施工的情況，為防止凍脹融沉的安全隱患，必須考慮已施工或凍結(jié)期內(nèi)將要施工的井架基礎(chǔ)防凍問題［1-3］。目前井架基礎(chǔ)防凍一般采取隔溫孔、差異凍結(jié)或保溫方法，本文所依托井筒即采用凍結(jié)管保溫方法，對(duì)井架基礎(chǔ)附近的凍結(jié)管采取聚氨酯保溫措施。然后通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到聚氨酯保溫條件下的井架基礎(chǔ)變形情況［4-6］。

2 工程概況

該副井井筒采用永久井架提升結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)位于井心的東南、東北、西南和西北方向。井筒凍結(jié)設(shè)計(jì)為四圈孔，包括主凍結(jié)孔(長短腿)、輔助凍結(jié)孔和兩圈防片幫孔(內(nèi)外兩圈采用插花布置)，如圖1所示。

圖1 副立井井架基礎(chǔ)及凍結(jié)孔位置分布圖

為減輕凍脹作用對(duì)井架基礎(chǔ)(JC1和JC2為主井架基礎(chǔ))的影響，對(duì)主凍結(jié)孔W3～W13，W19～W27，W33～W41及 W47～W57共計(jì)40個(gè)孔，輔助凍結(jié)孔Z3～Z7，Z12～Z15，Z20～Z23及 Z28～Z32共計(jì)18個(gè)孔凍結(jié)管進(jìn)行保溫處理，保溫材質(zhì)為聚氨酯，保溫厚度為50mm，保溫深度為0m～－40m段。圖1中下半部分為基礎(chǔ)JC1的放大圖，其中測(cè)點(diǎn)CD1和CD2為水平位移觀測(cè)點(diǎn)，CD5為豎向位移觀測(cè)點(diǎn)，JC2上相應(yīng)分布位移觀測(cè)對(duì)照點(diǎn)。

3 數(shù)值模擬

引起井架基礎(chǔ)變形因素除自身重力外，凍結(jié)引起的凍脹力是主要因素，因此研究基礎(chǔ)的位移，建立熱力耦合模型，首先分析凍結(jié)引起周圍地層溫度變化情況，其次為初始條件對(duì)井架基礎(chǔ)進(jìn)行位移變形分析。

3.1 凍結(jié)參數(shù)選擇

根據(jù)井檢孔土工試驗(yàn)參數(shù)，結(jié)合基礎(chǔ)(包括灌注樁)所在位置，研究土層為砂質(zhì)粘土，含水率為22%，凍結(jié)溫度為－0.48℃，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容見表1。

表1 研究土層土體熱參數(shù)

該層位所處位置凍結(jié)管規(guī)格為φ159×6mm，聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)為0.023W/(m·K)，厚度為50mm，凍結(jié)時(shí)間為360d。

3.2 數(shù)值模型的建立

為研究方便，對(duì)土體進(jìn)行如下假設(shè):1)土體均勻連續(xù)，豎直方向不存在導(dǎo)熱;2)凍結(jié)管在保溫段無偏斜;3)研究土層為粘彈性質(zhì)體;4)井架基礎(chǔ)位置某點(diǎn)土體位移即為基礎(chǔ)位移?；谝陨霞僭O(shè)，該熱力耦合場(chǎng)可進(jìn)行簡(jiǎn)化，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 熱力耦合幾何模型及網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件設(shè)定

井架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)位移變化要以溫度場(chǎng)模擬結(jié)果為初始條件，該溫度場(chǎng)模擬初始條件設(shè)定為:土體初始溫度為20℃，遠(yuǎn)端邊界溫度維持原始地溫20℃，凍結(jié)管管壁溫度(即鹽水溫度)依次選取20℃，5℃，0℃，－15℃，－24℃，－27℃，－30℃。

3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)假設(shè)與邊界條件，溫度荷載施加于結(jié)構(gòu)模型后，經(jīng)聚氨酯保溫后凍結(jié)管圈徑外側(cè)不同距離處的測(cè)點(diǎn)沉降變化如圖3所示。

由圖3可知，積極凍結(jié)期開始后，在豎直方向上井架基礎(chǔ)不同位置處均有一定程度的沉降，隨著凍結(jié)期延長及水土相變發(fā)生，各位置測(cè)點(diǎn)豎向位移發(fā)生變化，距離凍結(jié)管越近，基礎(chǔ)抬升發(fā)生越早，抬升量越大，遠(yuǎn)端測(cè)點(diǎn)(見圖3中16.92m和17.92m處)在監(jiān)測(cè)期內(nèi)已經(jīng)沒有抬升趨勢(shì)。

4 井架基礎(chǔ)變形測(cè)量

永久井架基礎(chǔ)受3種力作用:自身重力(包括井架鋼結(jié)構(gòu)重力及提升附加的外力)、凍脹力和井筒開挖過程的附加力。凍結(jié)壁形成過程中，由于土體發(fā)生膨脹，因此井架基礎(chǔ)在豎向和水平方向都會(huì)變形，豎向表現(xiàn)為隆起，水平方向表現(xiàn)為凍土向外側(cè)的擠壓。由于凍結(jié)管采取了聚氨酯保溫措施，保溫層外側(cè)土體溫度下降緩慢，土體中水溫降至凍結(jié)溫度所需時(shí)間長、相變范圍小、強(qiáng)度低，從而在豎向和水平方向由于凍脹作用引起的變形都較小［7］。

圖3 保溫管外不同圈徑處節(jié)點(diǎn)豎向位移變化曲線

4.1 豎向位移測(cè)量

豎向位移采用高精度水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程測(cè)量，儀器操作、觀測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)處理均符合JGJ 8-2007建筑變形測(cè)量規(guī)范中利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降觀測(cè)的要求，對(duì)觀測(cè)期內(nèi)各高程值進(jìn)行平差處理，結(jié)果如圖4所示。

圖4 井架基礎(chǔ)沉降變形曲線

從圖4可知，自監(jiān)測(cè)開始，基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)維持沉降趨勢(shì)，270d監(jiān)測(cè)期內(nèi) JC1和 JC2分別下降52.5mm和47.6mm，沉降差為4.9mm。該永久井架為雙斜撐式，JC1與JC2水平距離為11.379m，根據(jù)《礦山井架設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，井架基礎(chǔ)沉降不超過80mm，沉降差不超過0.0005L(L為相鄰樁基水平中心距)，該副井井架基礎(chǔ)沉降變形量在允許范圍內(nèi)。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，150d后井架基礎(chǔ)沉降變形變緩，150d內(nèi)凍結(jié)鋒面發(fā)展至管外840mm處，基礎(chǔ)的灌注樁并不在凍結(jié)影響范圍之內(nèi)，因此井架基礎(chǔ)豎向沉降變形并非凍脹所致，主要原因是井架自重。

4.2 水平方向位移測(cè)量

水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在凍結(jié)管保溫區(qū)井架基礎(chǔ)上，定位于井心方向的兩個(gè)側(cè)面上，JC1基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)為CD1和CD2，JC2基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)為CD3和CD4，各測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

井架位移監(jiān)測(cè)采取雙向位移監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置符合JGJ 8-2007建筑變形測(cè)量規(guī)范的要求，監(jiān)測(cè)采用小角法，采用雙直線垂線定點(diǎn)，利用經(jīng)緯儀監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)水平位移，監(jiān)測(cè)過程固定基準(zhǔn)點(diǎn)，忽略鋼尺自身熱脹冷縮影響，測(cè)點(diǎn)水平位移曲線如圖5所示。

圖5 井架基礎(chǔ)水平位移變形曲線

由圖5位移曲線可知，JC1與JC2水平方向變化趨勢(shì)一致，CD1，CD3變形量先減小后增大，監(jiān)測(cè)期變形量在10mm以內(nèi)，CD2，CD4呈指數(shù)曲線趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)期變形量在15mm內(nèi)，基礎(chǔ)整體朝遠(yuǎn)離井心方向發(fā)展。

5 結(jié)語

根據(jù)凍結(jié)管采取聚氨酯保溫措施后對(duì)井架基礎(chǔ)變形實(shí)測(cè)，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果與未保溫情況實(shí)測(cè)對(duì)比，可得如下結(jié)論:

1)受重力影響，井架基礎(chǔ)在260d監(jiān)測(cè)期內(nèi)測(cè)點(diǎn)分別下沉52.5mm 和 47.6mm，最大沉降差為 4.9mm;

2)井架基礎(chǔ)水平位移在凍結(jié)210d后，水平位移值為10mm～15mm，方向遠(yuǎn)離井心，且變形量存在繼續(xù)增大的趨勢(shì);

3)凍結(jié)管保溫后土體發(fā)生相變范圍小，井架基礎(chǔ)受凍脹力影響小，未發(fā)生明顯的抬升;

4)凍結(jié)期結(jié)束后，地表段自然解凍速度快，發(fā)生融沉范圍小，對(duì)井架基礎(chǔ)安全性能有一定保障作用。

［1］肖朝昀.人工地層凍土帷幕形成與解凍規(guī)律研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

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［9］JGJ 8-2007，建筑變形測(cè)量規(guī)范［S］

［10］GB 50385-2006，礦山井架設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.