地層凍融過程井壁受力模型試驗(yàn)研究

王 博，劉志強(qiáng)，孫方浩，袁 帥

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

我國煤炭、鐵礦等固體礦產(chǎn)資源開采深度逐漸增加，深部資源賦存的地質(zhì)及水文條件愈加復(fù)雜。人工凍結(jié)技術(shù)在深厚表土礦井井筒建設(shè)中被廣泛采用，有時甚至是唯一的選擇[1-2]。然而，凍結(jié)壁解凍地層融沉關(guān)聯(lián)的井壁受力附加乃至導(dǎo)致井壁破裂問題也長期存在，據(jù)統(tǒng)計我國華東地區(qū)發(fā)生的井壁災(zāi)害多達(dá)150余個[3-4]。隨著新建深立井井筒穿越表土深度的增加，井壁受力更大更復(fù)雜，井壁-解凍凍結(jié)壁相互作用問題日益嚴(yán)峻。

外荷載的復(fù)雜性和不確定性是影響凍結(jié)壁解凍階段井壁受力的重要根源[5-6]。然而從可查文獻(xiàn)來看，相對于礦井生產(chǎn)經(jīng)營階段井壁受力或凍結(jié)壁本身（凍土強(qiáng)度）等的研究相比，凍結(jié)壁解凍地層融沉對井壁受力影響的研究還十分有限。付厚利[7]通過物理模擬和數(shù)值試驗(yàn)較系統(tǒng)地研究了深厚表土中井壁融沉附加力的變化規(guī)律，指出融沉附加力主要與土層性質(zhì)、深度和時間有關(guān)，且不同性質(zhì)的土層，融沉附加力的發(fā)展過程具有非同步性。在地層融沉對井壁等結(jié)構(gòu)物形成負(fù)向摩擦力的同時，井壁本身也會因溫度升降而發(fā)生脹縮作用，并因此與周圍土體形成相對運(yùn)動趨勢而產(chǎn)生剪切力作用。經(jīng)來旺[8]等對溫度應(yīng)力引起的井壁所受負(fù)向摩擦力進(jìn)行了理論研究，分析了凍結(jié)壁融化過程中立井井壁溫度應(yīng)力的形成機(jī)理與變化規(guī)律。凍結(jié)法鑿井井壁所受的融沉附加力與建筑工程中樁基所受負(fù)摩擦力有相似之處，一定程度上可以相互借鑒，但由于井壁結(jié)構(gòu)直徑、深度更大，穿越地層的凍融性質(zhì)差異巨大，使得井壁所受融沉附加力性狀更復(fù)雜。李正東[9]和陸建飛[10]等開展了凍土-群樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析了單向凍結(jié)過程中融沉土體與群樁的相互作用，結(jié)果表明融沉過程中樁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)正負(fù)交替分布的狀態(tài)。

從以上文獻(xiàn)分析可見，凍融土與結(jié)構(gòu)相互作用問題不是凍結(jié)法鑿井工程所特有，而是涉及到寒區(qū)工程、人工凍結(jié)法應(yīng)用的地鐵隧道等城市地下工程等多個領(lǐng)域，但由于凍結(jié)法鑿井工程中凍結(jié)壁體量大、解凍周期長，尤其所處的土層性質(zhì)差異、復(fù)雜的應(yīng)力歷史等特點(diǎn)，使得凍結(jié)法鑿井井壁融沉附加力研究是凍融土-結(jié)構(gòu)相互作用問題研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，本文自行研制了凍融土-井壁相互作用模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了初步的凍融過程中井壁受力的物理模擬試驗(yàn)，對凍融過程中井壁受力特性及變化規(guī)律進(jìn)行了細(xì)致討論。研究成果可為我國進(jìn)一步應(yīng)用凍結(jié)法進(jìn)行深立井以及凍土區(qū)樁基工程建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 模擬試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)平臺

如圖1所示，模擬試驗(yàn)平臺主要由低溫環(huán)境箱、筒形土槽、模型井壁及控溫系統(tǒng)等組成。低溫環(huán)境箱采用風(fēng)冷方式，為模型試驗(yàn)提供環(huán)境溫度可控的空間，用于放置筒形土槽等試驗(yàn)裝置。筒形土槽設(shè)計高度1 000 mm、內(nèi)徑800 mm，為方便組裝與重復(fù)拆卸，土槽采用兩個半筒結(jié)構(gòu)，兩者之間及其與底板連接采用螺栓固定。

圖1 試驗(yàn)平臺示意圖

試驗(yàn)控溫系統(tǒng)采用直徑30 mm的銅管制作而成，通過硅膠管與高低溫恒溫冷浴連接，可實(shí)現(xiàn)筒形土槽外邊界溫度的精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中土體凍結(jié)和解凍過程的模擬。高低溫恒溫冷浴控溫范圍為-30～50 ℃，控制準(zhǔn)確度可達(dá)0.2 ℃。

1.2 模型井壁與土樣

模型井壁由5個鋼質(zhì)普通節(jié)段和5個銅質(zhì)測力節(jié)段組裝而成，模型井壁外徑為50 mm、壁厚2 mm、高度1 000 mm，其他設(shè)計尺寸如圖2所示。測力節(jié)段內(nèi)沿長度方向粘貼有應(yīng)變片，應(yīng)變片導(dǎo)線通過井壁內(nèi)空引出與數(shù)據(jù)采集儀連接。為消除凍結(jié)過程中溫度應(yīng)力影響，應(yīng)變片采用對稱橫豎貼片方式，貼片后采用有機(jī)硅膠進(jìn)行保護(hù)，防止凍融過程中水分侵入損傷[11-13]。模型井壁下端固定在筒形土槽的底板上，土樣填裝前應(yīng)檢查，確保連接穩(wěn)固，防止試驗(yàn)過程中因?yàn)槟Ｐ途?土體的相互作用而產(chǎn)生松動。

圖2 模型井壁示意圖

試驗(yàn)土樣采用徐州客運(yùn)站附近工地的粉質(zhì)黏土，將采集后的土樣經(jīng)過暴曬、風(fēng)干、碾碎后過2 mm曬，測定土樣液限為34.6%，塑限為21.4。根據(jù)土工試驗(yàn)方法，配置填裝土樣含水量為25%（略低于飽和含水量），分層填裝到模型土槽中，填裝干密度為1.7 g/cm3。粉質(zhì)黏土層下部填裝了100 mm厚飽和砂層，除此之外整個試驗(yàn)過程中無外部水源補(bǔ)給。

1.3 測點(diǎn)布置與數(shù)據(jù)采集

模型試驗(yàn)中主要測點(diǎn)包括溫度測點(diǎn)、應(yīng)變片測點(diǎn)和位移測點(diǎn)，具體布置如圖3所示。

圖3 測點(diǎn)布置示意圖（單位：mm）

溫度測點(diǎn)主要布置在模型土槽內(nèi)部，土體內(nèi)不同高度處沿徑向共布置了3串溫度測點(diǎn)，分別編號為 T1～T3、T4～T6、T7～T9，土體表面溫度、環(huán)境箱溫度、循環(huán)冷浴溫度也都應(yīng)監(jiān)控測量。應(yīng)變片測點(diǎn)布置在模型井壁的測力節(jié)段上，從下至上依次為S1～S5。位移測點(diǎn)主要布置在土體表面，測點(diǎn)與模型井壁的中心距不同，依次編號為D1～D3。試驗(yàn)中采用DT85G數(shù)據(jù)采集儀對上述測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與記錄，數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)置為5 min。

1.4 試驗(yàn)過程

模型試驗(yàn)過程主要包括以下步驟：

1）試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)準(zhǔn)備工作主要包括筒形土槽和模型井壁的組裝，各組成部件縫隙處用中性硅膠進(jìn)行密封，筒形土槽內(nèi)壁要涂好凡士林以減小土槽的邊界效應(yīng)。將控溫銅管靠近土槽內(nèi)壁放置，準(zhǔn)備裝填土樣。

2）土樣填裝

土樣采用分層裝填，每層厚度大約10 cm，每層之間的土樣表面應(yīng)刮毛，填裝過程中在設(shè)計位置應(yīng)進(jìn)行溫度測點(diǎn)的埋設(shè)。土樣裝填完畢后，表面用保鮮膜覆蓋，防止凍結(jié)過程中水分散失。在設(shè)計位置放置3塊塑料片，用于布置位移傳感器。

3）土樣凍結(jié)與融化

土樣凍結(jié)應(yīng)先啟動控溫冷浴，再啟動低溫環(huán)境箱，兩者設(shè)置目標(biāo)溫度-15 ℃。在土樣溫度測點(diǎn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定至目標(biāo)溫度超過12 h后認(rèn)為凍結(jié)階段完成。土樣融化先關(guān)閉低溫環(huán)境箱，再設(shè)置冷浴循環(huán)目標(biāo)溫度為正溫，模擬凍結(jié)土樣的融化過程。

4）停止試驗(yàn)與清理

根據(jù)土樣溫度和位移測點(diǎn)判斷是否達(dá)到停止試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，停止溫度和位移測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行土樣的清理工作，本次試驗(yàn)結(jié)束。根據(jù)實(shí)際情況，對模型井壁等試驗(yàn)裝置進(jìn)行必要維護(hù)，為下一次試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 井壁周圍土體溫度場變化趨勢

井壁周圍土層的溫度隨時間變化曲線如圖4和圖5所示，可以看出土體溫度在0 ℃附近有明顯的臺階變化，這與土體中液態(tài)水-冰相變溫度一致，臺階線性在靠近模型井壁的土體溫度測點(diǎn)T1、T4和T7比較明顯。溫度測點(diǎn)數(shù)據(jù)還顯示，在距離模型井壁相同距離的溫度變化具有較好的一致性。根據(jù)溫度測點(diǎn)數(shù)據(jù)，模型試驗(yàn)張凍結(jié)至70 h后，土體溫度基本達(dá)到-15 ℃，可以認(rèn)為土層凍結(jié)穩(wěn)定。在試驗(yàn)停止凍結(jié)后，關(guān)閉低溫環(huán)境箱，設(shè)置循環(huán)冷浴溫度至40 ℃，溫度測點(diǎn)有較好的響應(yīng)。

圖4 井壁周圍土體溫度隨時間變化

在凍結(jié)和融化過程中，井壁周圍土體溫度沿徑向由外向內(nèi)開始凍結(jié)或融化，且不同位置處的溫度測點(diǎn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性，說明土樣凍結(jié)或融化狀態(tài)與實(shí)際凍結(jié)法鑿井工程中凍結(jié)壁的一維凍結(jié)和融化狀態(tài)接近。圖5凍結(jié)過程中土體徑向溫度梯度最大值為-70 ℃/m，融化過程中土體徑向溫度梯度最大值約為140 ℃/m，融化過程中溫度梯度增大的主要原因是循環(huán)冷浴溫度比環(huán)境溫度高，試驗(yàn)結(jié)束時土體的平均溫度接近26 ℃。為了能清楚地觀察土體中溫度場的變化，圖6為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的井壁周圍土體溫度場分布云圖，土中模型井壁頂部軸心為原點(diǎn)，向外為橫坐標(biāo)正，向下為縱坐標(biāo)正。以模型從云圖中可以看出，模擬試驗(yàn)的凍結(jié)或融化過程與實(shí)際井壁沿深度方向較深，其融化或凍結(jié)過程近似為徑向一維凍結(jié)的模式是相似的。

圖5 井壁周圍土體溫度梯度隨時間變化

圖6 井壁周圍土體溫度場云圖

2.2 凍融過程中井壁受力變化趨勢

模型井壁受力不能像溫度測點(diǎn)那樣直接讀取，需要對應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。凍土融沉狀態(tài)下井壁受力特性研究主要是來自周圍土體的凍結(jié)壓力減弱，同時周圍土體沉降對井壁將產(chǎn)生向下的側(cè)向力。模型井壁軸力及側(cè)向摩阻力可以表達(dá)為：

式中：Si——第i段井壁下部的軸力，受壓為正，N；

E——模型井壁彈性模量，MPa；

A——井壁橫截面積，mm2；

εi——第i段井壁下部軸向應(yīng)變；

fi——第i段井壁側(cè)摩阻力，向下為正，kPa；

D——井壁外徑，mm；

ΔL——相鄰井壁測力節(jié)段的垂直距離，mm。

在融化階段，模型井壁S1～S5測力節(jié)段的軸力變化如圖7所示，圖中縱坐標(biāo)為模型井壁的埋置深度，以井壁頂部中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。

由圖7可知，融化過程中模型井壁融沉附加力（模型井壁測力節(jié)段在融化過程中的軸力變化，以向下受壓為正）隨著深度增加有增加趨勢，但附加力最大增幅出現(xiàn)在模型井壁倒數(shù)第2節(jié)位置。而且，從圖7（b）可以看出，井壁融沉附加力增加主要發(fā)生在井壁周圍土體的冰點(diǎn)附近，即凍土的熱融壓縮階段產(chǎn)生，融沉附加力占比（與土體自重應(yīng)力比較）最大值在50%左右。由于試驗(yàn)中土體融化后并未繼續(xù)發(fā)生明顯的壓密變形，在無外界荷載作用下井壁的融沉附加力并未繼續(xù)增加。溫度在冰點(diǎn)附近，土體在凍土和融土兩種性質(zhì)土體之間動態(tài)轉(zhuǎn)換，熱脹融沉作用共存，使得融土與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更為復(fù)雜的相互作用現(xiàn)象。

圖7 模型井壁融化過程中受力變化

3 結(jié)束語

在自行設(shè)計的模擬試驗(yàn)平臺上，進(jìn)行了土體凍融過程中模型井壁受力模型試驗(yàn)研究，分析了土體凍融溫度場、模型井壁受力等的變化規(guī)律，可以得出如下主要結(jié)論：

1）自行設(shè)計的試驗(yàn)平臺可較好模擬實(shí)際凍結(jié)法鑿井工程中凍結(jié)壁-井壁的徑向一維凍融過程，采用的模型井壁受力、溫度控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以滿足試驗(yàn)土體凍融及數(shù)據(jù)采集需求。

2）凍融過程中，井壁周圍地層受到較大的水平向溫度梯度作用，模擬試驗(yàn)中溫度梯度變化范圍在-70～140 ℃/m，凍結(jié)法施工結(jié)束后如采用強(qiáng)制解凍模式，作用在地層中的溫度梯度還會進(jìn)一步加大。

3）在無外界荷載作用下，井壁融沉附加力主要產(chǎn)生在周圍凍土的熱融壓縮階段，融沉附加力的最大值接近土體自重應(yīng)力水平的50%，在凍結(jié)法工程實(shí)踐中應(yīng)予以重視。