混凝土水化熱對井筒外壁受力變形影響分析

刁奶毫 姚直書 張平

摘 要：為了解決深厚沖積層凍結井筒外壁易產生環向裂縫難題，以楊村煤礦主井凍結段外壁為研究對象，采用現場實測、理論分析和實驗室試驗相結合的方法，進行了混凝土水化熱對外壁受力變形影響分析。研究結果表明，在外壁混凝土入模后，受水泥水化放熱反應的影響，混凝土溫度快速上升，外壁峰值溫度高達55.5℃。隨后又開始降溫，混凝土產生收縮，由于受到井幫凍土的約束，外壁產生豎向約束拉應力。如村煤礦主井326.7m測試水平豎向溫度應力達到了3.63MPa，這是引起凍結井筒外壁產生環向裂縫的主要原因，從而揭示了深厚沖積層凍結井筒外壁易產生環向裂縫機理，并提出了防止混凝土出現環向裂縫的技術措施。

關鍵詞：凍結井筒;外壁;混凝土水化熱;溫度應力;裂縫

中圖分類號： TU528.31文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2021）02-0062-06

收稿日期：2020-12-28

基金項目：國家自然科學基金面上資助項目（51674006）;國家重點研發計劃資助項目（2016YFC0600902）;安徽省高校學科（專業）拔尖人才學術資助項目（gxbjZD09）

作者簡介：刁奶毫（2000-），男，重慶江津人，在讀碩士，研究方向：地下工程結構。

Analysis on the Influence of the Stress Deformation of Concrete Hydration

Heat on the Outer Wall

DIAO Naihao，YAO Zhishu，ZHANG Ping

（School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001，China）

Abstract：In order to solve the problem of circular cracks easily occurring on the outer wall of frozen shaft lining in deep alluvium， taking the outer wall of frozen section of main shaft in Yangcun Coal Mine as the research object， the influence of hydration heat of concrete on the stress and deformation of outer wall was analyzed by means of field measurement， theoretical analysis and laboratory test.The results showed that the concrete temperature rose rapidly due to the influence of cement hydration exothermic reaction， and the peak temperature of the outer wall reached 55.5℃.Then the outer wall began to cool down， and the concrete shrank. Due to the constraint of frozen soil， the outer wall produced vertical constraint tensile stress. For example， the horizontal and vertical temperature stress of 326.7m main shaft in Yangcun Coal Mine reached 3.63MPa，which was the main reason for the circumferential fracture in the outer wall of frozen shaft.Therefore，the mechanism of circumferential cracks on the outer wall of frozen shaft in deep alluvium was revealed， and the technical measures to prevent circumferential cracks in concrete were put forward.

Key words：frozen shaft lining; outer wall; hydration heat of concrete; thermal stress; cracks

目前煤炭仍是我國的主要能源，無論是新建礦井還是現有煤礦安全改建工程都需要新建井筒[1]。在深厚沖積層采用凍結法鑿井時，外層井壁（外壁）施工過程中混凝土常出現環向裂縫，影響了外壁承載力[2]。當井筒建成、凍結壁解凍后這些裂縫又成為導水通道，加大了內壁的防治水壓力[3-4]。為防止凍結壁解凍后井筒出現涌漏水現象，引發淹井事故，進行外壁環向裂縫的產生機理研究具有十分重要的意義。

針對這一方面問題，已有不少學者進行了相關技術研究。文獻[5]根據彈性理論，給出了井壁內外溫差引起溫度應力的解答。文獻[6-7]針對井壁溫度應力、井壁自重、水平側壓力和豎向應力進行了研究，結果表明井壁破裂的重要原因是豎向附加力和溫度應力。文獻[8]利用凍土理論和混凝土水化熱理論，分析了在凍結法鑿井施工情況下井壁混凝土不同成分對井壁強度性能的影響。文獻[9]采用有限元法和工程監測相結合的方法，對凍結井壁的溫度和溫度應力進行了數值計算。文獻[10]通過實測，得到了井壁在施工、解凍和解凍后的一些變化規律，包括井壁溫度、凍結壓力、垂直應變和環向應變。文獻[11]研究了不同摻量水泥漿體的水化熱釋放與抗壓強度之間的定量關系。

雖然上述文章對井壁的溫度應力和變形進行了相關研究，但對于深厚沖積層凍結井外壁混凝土水化熱引起環向裂縫還缺乏深入分析。為此，本文通過現場實測、理論分析和實際算例對混凝土水化熱引起外壁豎向受力變形進行分析研究。

1 現場實測及混凝土水化熱分析

1.1 現場實測

楊村煤礦主井穿過松散層厚達538.25m，井筒凈直徑7.5m，井筒全深998m，凍結深度723m，表土層主要由粘土、砂質粘土和砂層組成。

該井筒在外壁施工到第68段高、深度約251.2～255m的粘土層位出現二道橫向裂紋，影響井筒安全施工。為此，課題組確定在深度326.7m處（該位置為21m深厚粘土層的中部）設置觀測水平，對外壁的混凝土溫度、凍結壓力和豎向混凝土應變進行了現場監測，以分析井壁產生環向裂紋的原因。實測的外壁內外側溫度隨時間變化曲線如圖1所示。

由圖1可知，由于外壁厚度大，大體積混凝土的熱量發散受到阻隔，因此在混凝土入模后1～2d左右，外壁混凝土溫度上升速度極快，最高溫度達到了55.5℃。然后受凍結壁低溫影響，于第24d變為負值，最低溫度達到了-3.8℃，第1～7d為快速降溫段，溫差達到了39.8℃。在外壁混凝土降溫過程中，如果沒有受到約束，外壁豎向將自由收縮，沒有豎向約束應力。但由于外壁受到凍結壁的凍結壓力作用，收縮變形將會受到約束，從圖2外壁所受凍結壓力實測結果可以看到。

如圖2所示，凍結壓力在前10d增長速度快，隨后增長速度變慢，最后趨于穩定。由于該處外壁對應地層為粘土層，凍結壓力達到了3MPa，凍結壓力大，外壁受到了很大的約束，不能自由收縮，將在井壁中產生約束拉應變或拉應力。為此，又對外壁的豎向變形進行了實測分析（見圖3）。

如圖3所示，在井壁澆筑后，混凝土受到了較大的豎向拉應變，且隨著時間增長持續增大，這主要是由于外壁混凝土豎向收縮受到約束，產生了較大的豎向溫度約束拉應力。

由圖1～圖3現場實測分析表明，凍結井筒外壁鑿井期內產生的豎向約束溫度應力主要是混凝土入模后經歷水化熱反應后溫度快速上升，再受凍結壁低溫影響，外壁溫度將在混凝土入模后2～3d內急劇下降，隨后緩慢降至零下，前后溫差一般可達到40～50℃，甚至更高。因此，外壁混凝土必然引起收縮變形，在凍結壓力耦合作用下，在井壁中產生豎向溫度約束拉應力， 當受到的拉應力超過混凝土極限拉應力就會使井壁產生環向裂縫，對井壁結構的整體性和承載力產生影響。

2 降溫引起豎向溫度應力分析

為了更好地探究外壁混凝土產生環向裂縫的機理，本文又進行了理論分析。

受到混凝土水化熱反應和凍結壁的影響，在混凝土入模后，整個外壁的溫度急劇升高后又快速降低，因此外壁在豎向方向將要產生收縮變形。當變形受到約束時，將會產生拉應力。因此，溫度應力的大小主要取決于外壁短時間內溫差和周圍約束條件，下面將對此進行分析。

分析外壁豎向約束溫度應力時，假設外壁混凝土入模后，水化熱反應達到頂峰，峰值溫度為t1，隨后快速降溫短時間內溫度降為t2，外壁各部分均勻收縮，但是由于凍結壁內側凍土對外壁的約束作用，外壁的自由收縮受到限制。特別是在深厚粘土層，凍結壁變形大、凍結壓力大，凍土對外壁的豎向變形限制大，類似于加強地基。因此，外壁混凝土內產生了較大的豎向約束拉應力。

2.1 豎向約束溫度應力

假設外層井壁與凍土間的約束剪力τ與外壁變形u為線性比例關系，如圖4所示。

根據彈性力學，可得任何一點的位移，是由約束位移和自由位移組成的

u=u0+αΔTz（1）

式中：u為實際位移;u0為約束位移。

σz=Eε=E（du0/dz）（2）

du/dz=（du0/dz）+αΔT（3）

dσZ/dz=E（d2u0/dz2（4）

（d2u/dz2）-Cu/tE=0（5）

令β=ChE（6）

得到以下微分方程

d2u/dz2-β2u=0（7）

得到通解后帶入邊界條件求最大值得到外壁最大豎向約束溫度應力為[12-13]

σz=αEΔT1-10Hchβ（8）

式中：σz為豎向約束溫度應力，MPa;β為計算系數;ch為雙曲線余弦函數表示符號;ΔT為井壁降溫的溫差，ΔT=t1-t2，℃;

h為井壁厚度，mm;H為井筒深度，mm;α為混凝土線膨脹系數;E為混凝土彈性模量，N/mm2;C為粘結力系數，如表1所示。

由于前期水化熱反應，混凝土早期彈性模量取折減系數為k1=0.5[14]，同時由于外壁混凝土屬于大體積混凝土，因此本文考慮混凝土徐變。由于徐變會引起外壁豎向溫度約束應力松弛，松弛系數取經驗值k2=0.5[15]，對外壁豎向溫度約束拉應力進行折減，即

σ0z=k1k2σz（9）

井壁混凝土的線膨脹系數α一般為1.0×10-5/℃，即外壁溫度每降低1℃，外壁就將產生近十萬分之一的收縮位移，外壁混凝土的極限拉應變為100με到150με，當外壁混凝土水化熱產生的溫度差超過限值，由此產生的豎向位移對于外壁來講是無法承受的。

2.2 計算實例

根據對楊村煤礦主井的現場監測，得到了井壁內外側溫度變化曲線，將現場監測數據得到的最大溫差帶入式（1），計算最大豎向約束溫度應力。

計算實例井壁厚度h=950mm，井壁溫差取快速降溫段t1=55℃、t2=9.5℃，ΔT=t1-t2=39.8℃，井筒深度H=3.267×105mm，混凝土線膨脹系數α=1.0×10-5/℃，第三水平凍結壁土層為鈣質粘土，粘結力系數C=6，E=3.65×104MPa。

將上述數據帶入式（6）、（8）、（9）可得：

β=ChE=5.88×10-4

σz=αEΔT1-10Hchβ=14.52MPa

σ0z=k1k2σz=3.63MPa

通過實例計算得到外壁在快速降溫段所受到的豎向約束拉應力將大于該處混凝土早期抗拉強度，井壁極易產生深層環向裂縫。如同處兩淮礦區的丁集煤礦風井，在埋深353m的深厚粘土層處，曾發生施工期間外壁豎向鋼筋被拉斷現象，由此可見，豎向約束溫度應力相當大。相對于不影響井壁安全的表面裂紋，深層裂縫寬度和深度都較大，對井壁混凝土的耐久性不利。特別是當井筒建成、凍結壁解凍后這些裂縫又成為導水通道，加大了壁間注漿的難度，不利于井筒的防治水工作。

3 防止外壁混凝土環向裂縫措施

為了減少凍結井筒在凍結壁解凍過程中的涌水量，確保井壁安全可靠，提高井壁混凝土的耐久性，需要采取措施防止凍結井筒外壁產生環向裂縫。

3.1 控制外壁混凝土水化熱

為了降低外壁大體積混凝土水化放熱，在混凝土配制時，應優先選用低水化熱水泥，并采用粉煤灰、磨細礦渣等其他膠凝材料替代部分水泥[16]，以降低井壁的水化熱溫度。在澆筑外壁時，特別在環境溫度較高的夏季，混凝土的粗細骨料應當進行預降溫處理，使混凝土的入模溫度保持在15～20℃，從而降低混凝土的水化熱峰值溫度[17]。

3.2 采用纖維混凝土

現有研究成果表明[18-20]，在混凝土中摻加纖維可以顯著提高混凝土的抗裂、抗拉等力學性能，改善地下工程結構物的抗滲性和耐久性。為此，本文又開展了仿鋼纖維混凝土主要力學性能試驗。

1）材料及配合比

為滿足凍結法鑿井對外壁混凝土的早強性和高強的要求，試驗選用海螺牌P.Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥。粗骨料選用粒徑為5～20mm連續級配的玄武巖碎石，其壓碎指標為3.7%。細骨料選用細度模數為2.78的天然河砂，其含泥量小于1.5%。外加劑選用NF高效復合減水劑。為了降低澆筑混凝土時的水化熱，在膠凝材料中加入Ⅰ級粉煤灰和磨細礦渣，其中磨細礦渣的比表面積為4 500cm2/g、密度為2.89g/cm3。

仿鋼纖維選用聚丙烯粗纖維（PPTF），其實物外觀如圖5所示，主要性能指標如表2所示。

針對特厚沖積層凍結法施工井壁的受力特點和施工工藝，現以凍結井壁常用的C60高性能混凝土為基礎，其基準配合比（每立方米混凝土材料用量）為：水泥400kg、磨細礦渣為110kg、粉煤灰為40kg、水為143kg、砂為626.5kg、碎石1 114kg和減水劑為16.5kg。在此基礎上，通過摻加仿鋼纖維得到纖維混凝土。為了進行對比和優化，每立方米混凝土中分別摻加0、3、5kg的仿鋼纖維，對應的試驗組編號分別為C-0、C-3、C-5。

2）試驗結果及分析

根據上述配合比，制作混凝土試件分別進行抗壓、劈裂抗拉測試，試驗結果如表3所示。

由表3可知，仿鋼纖維的加入提高了混凝土抗壓強度，但是增加幅度有限。而混凝土的抗拉強度提高顯著。相對于基準混凝土，其抗拉強度提升最大達到了30.03%。由此可見，仿鋼纖維的加入明顯提高了混凝土的抗拉性能。且其工程造價比常用的鋼纖維混凝土大大降低，推廣應用后對凍結井壁混凝土的耐久性具有積極作用。

4 結論

（1）通過對楊村礦主井326.7m測試水平的外壁內外側溫度、凍結壓力以及混凝土豎向變形進行了現場監測。結果表明，凍結井筒外壁溫度快速上升，隨后又急劇下降，前后溫差一般可達40～50℃，外壁混凝土發生收縮變形、在凍土約束作用下，井壁中并產生豎向約束拉應力，混凝土極易產生環向裂縫。

（2）基于彈性力學原理，推導出由于井壁降溫引起的豎向約束溫度應力計算公式。計算表明，外壁受到的豎向約束溫度拉應力達到了3.63MPa，是導致凍結井筒外壁產生深層環向裂縫的主要原因。

（3）為了確保井壁安全使用，可采用降低井壁混凝土水化熱和采用纖維混凝土來防止井壁出現環向裂紋。并通過試驗表明，仿鋼纖維混凝土可使抗拉強度最大提高30.3%，這對抑制井壁環向溫度裂縫的產生具有積極作用。

參考文獻：

[1] 王偉東，李少杰，韓九曦.世界主要煤炭資源國煤炭供需形勢分析及行業發展展望[J].中國礦業，2015，24（2）：5-9.

[2] 李必達.深凍結井壁混凝土溫度裂紋產生機理及其抗滲性試驗研究[D].淮南：安徽理工大學，2017.

[3] 孫洪超.采動斷層活化應力演化與煤柱留設研究[D].徐州：中國礦業大學，2019.

[4] 劉治國.泥蓋型煤層覆巖采動破壞規律及保水開采應用研究[D].北京：煤炭科學研究總院，2020.

[5] 劉金龍，陳陸望，王吉利.立井井壁溫度應力特征分析[J].巖土力學，2011，32（8）：2 386-2 390.

[6] 何朋立，郭力，王在泉.考慮立井井壁縱向膨脹效應的溫度應力分析[J].洛陽理工學院學報（自然科學版）， 2015，25（3）：17-20.

[7] 何朋立，王在泉.考慮溫度效應的井壁豎向附加力反演分析[J].巖土力學，2013，34（12）：3 425-3 430.

[8] 張紅亞.凍結深立井鋼筋混凝土井壁溫度場與溫度應力研究[D].合肥：合肥工業大學，2013.

[9] M J LI， H CHENG，C X RONG. Finite-Element Calculation for Thermal Stresses of Concrete Lining in Deep Alluvium Freezing Shaft[J].Advanced Materials Research，2012，374-377：2 509-2 512.

[10] T HAN，W H YANG，Z J YANG，et al.Monitoring Study of Shaft Lining Concrete Strain in Freezing Water-Bearing Soft Rock During Mine Shaft Construction Period in West China[J].Procedia Engineering， 2011，26（8）：992-1 000.

[11] Z P LI， D G LU， X J GAO.Analysis of correlation between hydration heat release and compressive strength for blended cement pastes[J].Construction and Building Materials，2020，260（10）：1-9.

[12] 張榮立，何國緯，李鐸.采礦工程設計手冊[M].北京：煤炭工業出版社， 2003：1 600-1 604.

[13] 李多權. 高壓水作用下凍結井壁滲漏水機理試驗研究[D].淮南：安徽理工大學， 2009.

[14] 王海龍，申向東.輕骨料混凝土早期力學性能的試驗研究[J].硅酸鹽通報，2008，27（5）：1 018-1 022.

[15] 王鐵夢.現澆雙層混凝土井壁的溫度應力與裂縫[J].建井技術，1981，8（3）：33-37.

[16] 林敬木.大體積混凝土溫度裂縫控制機理與應用方法研究[J].建筑工程技術與設計，2016（33）：1 132.

[17] 牛建豐.高墩大跨橋梁大體積混凝土水化熱分析研究[D].重慶：重慶大學，2013.

[18] 付操.高性能鋼纖維和合成纖維混凝土的力學性能試驗研究[D].淮南：安徽理工大學，2013.

[19] 孔維浩，楊龍，姚直書，等.凍結井壁纖維混雜與微膨脹高性能混凝土配制與抗裂試驗[J].煤礦安全，2020，51（3）：69-74.

[20] 張平，姚直書，薛維培，等.混雜纖維井壁混凝土力學性能和微觀結構研究[J].安徽理工大學學報（自然科學版），2020，40（3）：33-38.

（責任編輯：丁 寒）