周檀君，周國慶，廖 波,2，張海洋,賴澤金，陶祥令,3

(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實驗室，江蘇 徐州 221008; 2.浙江工商大學(xué) 技術(shù)與工程管理系，浙江 杭州 310018;3.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)校 能源與交通工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

厚砂土層斜井井壁應(yīng)力分布規(guī)律三維光彈性模型試驗

周檀君1，周國慶1，廖 波1,2，張海洋1,賴澤金1，陶祥令1,3

(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實驗室，江蘇 徐州 221008; 2.浙江工商大學(xué) 技術(shù)與工程管理系，浙江 杭州 310018;3.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)校 能源與交通工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

以穿越厚砂土層的某煤礦主斜井為工程背景，設(shè)計了物理模型試驗，建立了斜井井壁三維光彈性應(yīng)力凍結(jié)試驗方法。實現(xiàn)了考慮斜向傾角作用下穿越厚砂土層斜井井壁應(yīng)力狀態(tài)的三維試驗?zāi)M，并結(jié)合應(yīng)力凍結(jié)后模型橫、縱向切片光彈測試得到的全場最大剪應(yīng)力等值線圖對井壁應(yīng)力隨埋深、環(huán)向角度變化規(guī)律進行了分析。研究結(jié)果表明，井壁橫向切片內(nèi)應(yīng)力水平和應(yīng)力分布不均勻性均遠大于縱向切片，最大剪應(yīng)力的應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在井壁兩幫內(nèi)緣水平面±25°范圍內(nèi)，斜井井壁頂部最大剪應(yīng)力大于底部;隨斜井井壁埋深增加，縱向應(yīng)力近似線性增加，但不同環(huán)向角度對應(yīng)的應(yīng)力增加速度差異較大，從而導(dǎo)致不同埋深位置，井壁內(nèi)部應(yīng)力的量值和分布規(guī)律均有差異。

斜井井壁;模型試驗;應(yīng)力分布規(guī)律;光彈性應(yīng)力凍結(jié)法

近年來，隨著我國內(nèi)蒙古、寧夏、新疆等西部地區(qū)煤田的開發(fā)，煤礦新井建設(shè)重心逐漸由東部向西部轉(zhuǎn)移，這些地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，煤層較厚埋深較淺，煤炭儲量豐富，建設(shè)大型煤礦尤其適合采用斜井或者斜井-立井聯(lián)合開拓方式[1]進行煤炭開采。

與立井井壁設(shè)計理論的大量研究成果[2-7]相比，針對斜井井壁設(shè)計理論的研究較少。 《煤礦斜井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》(GB 50415—2007)只給出了支護方式的選擇原則，并未涉及井壁設(shè)計方法[8]?！恫傻V工程設(shè)計手冊(中冊)》中指出，當(dāng)傾角大于80°時，按立井計算地壓，當(dāng)傾角小于60°時按平硐計算地壓;按平巷計算側(cè)壓力，支護類型與厚度按巷道計算[9]。由于斜軸向的影響，斜井井壁受有徑向荷載、環(huán)向和軸向剪切荷載等3類荷載，3類荷載隨井筒傾角變化，所受荷載遠比立井與巷道復(fù)雜[10]。按傳統(tǒng)方法設(shè)計的斜井井筒破壞事故時有發(fā)生。如寶雞秦源礦主斜井傾角17.5°，在表土層78 m處，現(xiàn)澆混凝土及料石砌碹段井壁發(fā)生斷裂、頂?shù)装寮皟蓭蛷娏蚁鄬σ平?，井壁維護困難[11];大佛寺礦主斜井在斜長100～400 m的范圍內(nèi)有19處發(fā)生較大的井壁淋水，涌水量達30 m3/h[12]。因此，為探究表土段斜井井壁破壞機理，有必要對斜井井壁應(yīng)力分布規(guī)律進行研究，為建立科學(xué)合理的斜井井壁設(shè)計理論與計算方法奠定基礎(chǔ)，為現(xiàn)場的支護設(shè)計和施工提供參考。

目前，有些學(xué)者通過采用平面應(yīng)變或平面應(yīng)力模型試驗方法，研究和探討了斜井井壁及圍巖穩(wěn)定性問題，取得了一定進展，如閆振東等[13]通過模型試驗，對漸進加載作用下滲流狀態(tài)時厚礫石層斜井圍巖破壞過程及破壞過程中圍巖壓力和圍巖位移變化規(guī)律進行了研究。岳中文等[14]對加載作用下富水斜井圍巖破壞過程中圍巖壓力、位移和孔隙水壓力變化規(guī)律進了研究。王衛(wèi)軍等[15]對采動條件下底板應(yīng)力的分布和傳播規(guī)律及其與巷道圍巖應(yīng)力的關(guān)系、底板暗斜井受回采過程擾動的動態(tài)變形破壞特征、底板巷道的失穩(wěn)機制及控制方法進行了系統(tǒng)研究。

從力學(xué)層面上來說，斜井井壁受力狀態(tài)并非簡單的平面應(yīng)變或平面應(yīng)力問題，斜井傾角會對井壁應(yīng)力分布規(guī)律產(chǎn)生影響[16]。筆者以穿越厚砂土層的某煤礦主斜井為原型，采用三維光彈性應(yīng)力凍結(jié)模型試驗方法，對斜井井壁應(yīng)力分布規(guī)律進行模擬研究。

1 光彈性應(yīng)力凍結(jié)模型試驗原理

光彈性法是基于應(yīng)力-光學(xué)定律的一種較為成熟的應(yīng)力測試方法，能夠直觀地反映出結(jié)構(gòu)在荷載作用下彈性階段內(nèi)的全場應(yīng)力分布規(guī)律[17]。光彈性應(yīng)力凍結(jié)試驗原理是在常規(guī)光彈性試驗基礎(chǔ)上，引入有機化合物多相理論，利用光彈模型處于臨界溫度時能保存應(yīng)變及雙折射效應(yīng)這一特性，采用先凍結(jié)后切片觀測的方法，實現(xiàn)對處于復(fù)雜環(huán)境中的模型內(nèi)部應(yīng)力規(guī)律進行觀測。

由上可知，該試驗方法應(yīng)用于巖土工程地下結(jié)構(gòu)模型試驗是尤為合適的。本文采用了該試驗方法，利用自主設(shè)計的地下結(jié)構(gòu)相互作用光彈性應(yīng)力凍結(jié)試驗系統(tǒng)，針對斜井井壁受力特性設(shè)計了三維光彈性應(yīng)力凍結(jié)模型試驗，對斜井井壁應(yīng)力分布規(guī)律進行了研究。

2 試驗方案

光彈性試驗過程處于彈性階段，根據(jù)彈性力學(xué)疊加原理，模型本身具有自相似性，在確保邊界荷載分布特征形式相似的原則下，邊界荷載值與內(nèi)部應(yīng)力值存在對應(yīng)比例關(guān)系不隨荷載數(shù)值變化，即可人為設(shè)定相同荷載分布特征的邊界荷載值，進行試驗得到模型內(nèi)部應(yīng)力，再通過模型自相似縮比及?；嗨瓶s比換算得到對應(yīng)原型內(nèi)部應(yīng)力值。需要注意的是砂土介質(zhì)為非理想彈性材料，故應(yīng)力換算結(jié)果對實際工程也只是一種近似反映。

為了研究厚砂土層斜井井壁應(yīng)力分布規(guī)律，試驗擬對以15°傾角穿越砂質(zhì)地層斜長200～280 m段井筒進行模型，上覆地層平均容重γ=19 kN/m3，原型井筒對應(yīng)垂直埋深、地壓分別為51.8～72.5 m,0.98～1.38 MPa。

考慮到光彈儀尺寸，選定幾何相似常數(shù)Cl=100，為了便于模型制作加工，采用厚壁筒結(jié)構(gòu)近似模擬斜井井筒，模型內(nèi)外徑分別取40,66 mm，根據(jù)幾何縮比模型長度取800 mm。應(yīng)力凍結(jié)溫度120 ℃下的環(huán)氧模型彈模為25 MPa，C30井壁混凝土彈性模量為3 GPa，根據(jù)相似理論，確定應(yīng)力、彈模相似常數(shù):Cσ=Cc=1 200。

通常為了獲得較為明顯的試驗結(jié)果，以模型內(nèi)部出現(xiàn)5～8級等差條紋為宜，根據(jù)類似地下斜埋筒形結(jié)構(gòu)理論解[16]及應(yīng)力-光學(xué)定律[18]，計算得到對應(yīng)模型垂直荷載為0.072 5～0.010 2 MPa，可得應(yīng)力換算常數(shù)為13.52。

試驗砂土選用福建標(biāo)準砂，平均粒徑d50=0.17 mm，土粒比重為2.633。為確保模型地層均勻性，采用砂雨法[19]和分層夯實法制備砂質(zhì)模型地層，最終獲得干砂地層相對密實度為65%。地層土參數(shù)見表1。

表1模型試驗福建標(biāo)準砂基本參數(shù)
Table1ParametersofFujiansandtests

內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa相對密實度/%干密度/(g·cm-3)飽和密度/(g·cm-3)247065152195

3 模型制作與試驗設(shè)計

3.1 模型制作

針對斜井井壁力學(xué)特性以及三維應(yīng)力凍結(jié)光彈性試驗的需要，選擇黏度低、流動性好、透明度好的618號環(huán)氧樹脂作為模型材料。以順丁烯二酸酐作為固化劑，可使環(huán)氧樹脂由流動性的線性高聚物變成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的熱固性固體。為了縮短固化周期和提高穩(wěn)定性，加入催化劑—二甲基苯胺。3種原料按質(zhì)量配比為:618號環(huán)氧樹脂∶固化劑∶催化劑=100∶35∶0.05。

模型制作工藝如下：

(1)根據(jù)模型材料的配比及模型容積計算出每種材料的需要量，將稱取所需量的618號環(huán)氧樹脂倒入不銹鋼或搪瓷容器中，放入電熱箱中加熱至120 ℃，恒溫2～3 h，讓揮發(fā)物散出，然后自然降溫至60～65 ℃，在電熱箱中恒溫。

(2)稱取所需量的固化劑順丁烯二酸酐，將瓶裝順丁烯二酸酐瓶蓋松開，水浴加熱至60～65 ℃，待全部熔化后倒入玻璃容器中，然后用平板玻璃蓋上開口端，放入60 ℃電熱箱中恒溫。

(3)將熔化后恒溫的順丁烯二酸酐及催化劑二甲基苯胺緩緩倒入55～60 ℃的環(huán)氧樹脂中，利用攪拌機慢速攪拌，使混合料恒溫在55～60 ℃，攪拌1.5～2 h，攪拌過程在油浴中恒溫。攪拌完畢后，將混合液放入真空干燥箱抽真空10～20 min以排除氣泡。

(4)采用離心法將熔化后的58號石蠟均勻涂抹在模具表面作為脫模劑，將45～50 ℃混合液按底澆筑法緩緩注入經(jīng)過預(yù)熱的模具中。為了保證模型應(yīng)力凍結(jié)性能，采用二次固化工藝，完成第1階段40 ℃環(huán)境7 d固化后，從模具中取出初凝的模型，放入硅油中進行后續(xù)二階段油浴固化。固化過程溫度控制曲線如圖1所示。

圖1 固化過程控溫曲線Fig.1 Temperature control curves of curing process

固化后模型與原型參數(shù)見表2。

表2模型井壁與原型井壁參數(shù)
Table2Shaftwallparametersofmodelandprototype

井壁類型內(nèi)徑/m壁厚/m彈性模量/MPa垂直地壓/MPa模型井壁(120℃)00400132500725～00961原型井壁4133×104098～138

(5)待模型胚料完成全階段固化后，通過機加工獲得形狀和尺寸精確符合試驗要求的模型如圖2所示。

圖2 斜井井壁光彈模型
Fig.2 Photoelastic model of inclined shaft

3.2 試驗裝置

利用深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室自主設(shè)計、研制的地下結(jié)構(gòu)相互作用光彈性應(yīng)力凍結(jié)試驗系統(tǒng)完成試驗，試驗系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 應(yīng)力凍結(jié)試驗系統(tǒng)Fig.3 Tests system of stress freezing

系統(tǒng)由模型箱、溫度控制室、框架式自平衡反力架、測試采集系統(tǒng)、分布式杠桿加載系統(tǒng)組成。

試驗系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)：

(1)模型試驗箱內(nèi)尺寸：1 000 mm×1 400 mm×1 000 mm。

(2)溫度控制室控溫范圍20～300 ℃，控溫精度0.5 ℃。

(3)模型上邊界的12塊平行加載板通過連接相互獨立的杠桿加載系統(tǒng)，可以施加階梯形荷載，階梯荷載集度范圍0～0.2 MPa，最小寬度為120 mm，該加載系統(tǒng)可以近似模擬隨斜井井筒埋深增加而遞增的上覆地層壓力。

(4)測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，壓力傳感器采用自研自制壓阻式分布壓力傳感器和TD-LY350微型土壓力盒，溫度測試采用PT100鉑熱電阻，數(shù)據(jù)采集儀采用datetaker DT85智能數(shù)據(jù)采集儀，如圖4所示。

3.3 試驗布置與加載方式

(1)模型箱布置

模型試驗的邊界效應(yīng)主要來自模型箱邊壁對模型的約束作用，當(dāng)模型中結(jié)構(gòu)物與模型箱側(cè)壁相對較近時，模型箱邊界的約束會明顯影響模型本身的性狀[19]。本試驗?zāi)Ｐ托本裆顬?.27 m，模型井筒外徑0.066 m，模型箱側(cè)壁與模型最小距離大于4.7D(D為模型井筒外徑)，斜井模型最深位置與模型箱底距離大于11D，可忽略邊界效應(yīng)。

(2)測點布置

通過利用光彈儀對應(yīng)力凍結(jié)后的模型切片觀測得到等差、等傾線條紋，對其進行分析能獲得模型內(nèi)部應(yīng)力規(guī)律，為了獲得更多模型邊界應(yīng)力值，本試驗采用微型土壓力盒和分布式壓力傳感器對斜井井壁模型3個斷面的外側(cè)土壓力進行測試，同時在模型井筒周邊布置了T1～T5溫度傳感器，便于在應(yīng)力凍結(jié)過程當(dāng)中，對模型井筒溫度進行檢測，確保應(yīng)力凍結(jié)有效性。分布式壓力傳感器安裝如圖5所示，微型土壓力P1～P12和溫度傳感器T1～T5布置位置如圖6所示。

圖4 測試采集系統(tǒng)Fig.4 Testing and acquisition system

圖5 分布式壓力傳感器布置Fig.5 Layout of distributed pressure sensor

(3)試驗加載布置

由于斜井軸向傾角的存在，隨斜井深度增加井壁上覆地層壓力亦逐漸增大，本試驗通過在上邊界施加沿模型深度方向逐級增加的階梯荷載，模擬隨斜井深度逐漸增加的井壁上覆地層壓力，為了保證應(yīng)力凍結(jié)過程中荷載施加的準確性采用杠桿加載法，加載過程采用每級增載數(shù)值為總荷載1/3的逐級增載法，每級荷載從較小荷載端往較大荷載端依次施加，各杠桿所施加的最終荷載見表3。待荷載完成施加后，預(yù)壓固結(jié)12 h，再進行應(yīng)力凍結(jié)試驗。

表3杠桿加載系統(tǒng)階梯荷載
Table3Steploadvalueofleverloadingsystem

加載板編號L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11L12模型荷載/kPa641683725767809851894936978102010621104原型荷載/MPa086092098104109115121127132138144149原型地層深度/m46149452756593626659692725758791824

3.4 模型應(yīng)力的凍結(jié)和切片

光彈性材料應(yīng)力凍結(jié)原理是基于有機化合物的多相理論[21]。溫度逐漸升高時，有機化合物內(nèi)部各種塑性相及粘彈性相逐漸軟化，到達臨界軟化溫度時，它們被完全“解體”，而彈性相的軟化溫度比前者高得多，因此這時彈性依然存在，所以材料呈完全彈性(或高彈性)特性，這個特定溫度稱為應(yīng)力凍結(jié)的臨界溫度。對于本試驗所采用的模型材料，臨界溫度為120 ℃。在臨界溫度以上對模型加載，荷載由彈性相物質(zhì)獨自承受;而當(dāng)溫度逐漸降低時，塑性相及粘彈性相物質(zhì)又逐漸恢復(fù)變硬，將彈性相已經(jīng)產(chǎn)生的變形固定下來;當(dāng)溫度回到常溫再把荷載卸除時，多相物質(zhì)之間的相互約束使他們不能恢復(fù)最初不受載時的形態(tài)，而基本上把高溫時的應(yīng)變及雙折射效應(yīng)保留下來。光彈性應(yīng)力凍結(jié)模型試驗正是利用有機化合物的這種特性，實現(xiàn)對處于復(fù)雜環(huán)境中的模型內(nèi)部應(yīng)力規(guī)律進行觀測。

升溫過程會伴隨著材料軟化，試驗?zāi)Ｐ腕w積又較大，為了控制模型整體軟化過程較為均勻，通過對模型周邊溫度傳感器的實時監(jiān)測，升降溫過程確保模型內(nèi)部最大溫差小于10 ℃，凍結(jié)應(yīng)力溫度控制曲線如圖7所示。

圖7 凍結(jié)應(yīng)力溫度控制曲線Fig.7 Temperature control curve of freezing stress

模型應(yīng)力凍結(jié)后進行切片，切片厚度9.8 mm左右，橫向切片為H1～H5，縱向切片為Z11～Z68，切片方案如圖8所示。

圖8 模型切片方案Fig.8 Model slices scheme

4 結(jié)果分析

利用TST-500型光彈儀對凍結(jié)應(yīng)力后切片作正射分析，采用高分辨率CCD攝像頭作等差線條紋圖像的采集、記錄，經(jīng)圖像數(shù)字處理和原型應(yīng)力換算，最終提供處理后的應(yīng)力分析結(jié)果。圖9提供了典型橫向切片的等差線條紋圖。經(jīng)條紋細化處理后橫向切片的最大剪應(yīng)力等值線分布如圖10所示。表4為切片剪應(yīng)力計算值，表中τ1為切片內(nèi)模型最大剪應(yīng)力，τ2對應(yīng)應(yīng)力換算后原型最大剪應(yīng)力。

通過對比模型不同深度橫向切片最大剪應(yīng)力等值線圖發(fā)現(xiàn)，最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在模型兩幫內(nèi)緣位置，局部增高的最大剪應(yīng)力水平隨與峰值剪應(yīng)力點的距離增加由內(nèi)緣向外緣呈現(xiàn)弧形衰減;模型兩幫應(yīng)力集中水平遠高于頂?shù)孜恢?，而頂部最大剪?yīng)力又大于底部;隨埋深增加，不僅模型內(nèi)部應(yīng)力數(shù)值有所增大，應(yīng)力不均勻程度也隨之提高，在模型頂部區(qū)域尤為明顯，H1切片頂部2、3級等差條紋連同至模型兩幫，而埋深較深位置的切片H2、H3頂部等差條紋環(huán)向延伸區(qū)域較小，這與斜井荷載不均勻性隨深度而增加的理論分析結(jié)果相吻合[10]。結(jié)合D2分布式壓力傳感器數(shù)據(jù)，得到H3切片外緣法向應(yīng)力與內(nèi)緣環(huán)向應(yīng)力隨環(huán)向角度變化曲線，由于左右對稱性較好，取右半側(cè)分析，定義頂部環(huán)向角度為0°，如圖11所示。模型外緣最大法向應(yīng)力出現(xiàn)在井筒頂部位置，隨著環(huán)向角增加至90°過程中逐步減小，伴隨環(huán)向角進一步增加至180°，井筒外緣法向應(yīng)力開始增大，井筒上半部法向應(yīng)力大于下半部。井筒內(nèi)緣環(huán)向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在環(huán)向角70°～115°，頂?shù)孜恢铆h(huán)向應(yīng)力值較小。

圖9 鈉光下橫向切片等差線條紋Fig.9 Isochromatic lines of transverse section in sodium light

圖10 橫向切片內(nèi)最大剪應(yīng)力等值線分布Fig.10 Maximum shear stress distribution of transverse section

級數(shù)τ1/kPaτ2/MPa級數(shù)τ1/kPaτ2/MPa000826122435321326530441929387839732653060883103265314415397959132411359183485641306121766123918365298516326522071342448957396195918264914457142618172285713090154897956622

圖11 H3切片內(nèi)緣環(huán)向應(yīng)力和外緣法向應(yīng)力隨環(huán)向角變化Fig.11 Distribution of hoop stress of the inner edge and normal stress of the out edge with the circumferential angle in H3 section

圖12為典型縱向切片的等差線條紋圖。模型縱向切片剪應(yīng)力梯度總體較為平緩，無明顯應(yīng)力集中區(qū)，隨埋深增加，等差條紋級數(shù)近似線性增大，試驗結(jié)果也驗證了所采用加載方式的穩(wěn)定性和有效性。模型縱向切片的最大剪應(yīng)力等值線受埋深和環(huán)向角度變化影響較大，在埋深較淺處，模型頂部位置切片Z21內(nèi)最大剪應(yīng)力變化梯度大于兩幫位置切片Z23，最大剪應(yīng)力值大于底部位置切片Z25;在埋深較深處，模型頂部位置切片Z41內(nèi)最大剪應(yīng)力變化梯度小于兩幫位置切片Z43，最大剪應(yīng)力值依舊大于底部位置切片Z45。

圖12 白光下縱向切片等差線條紋Fig.12 Isochromatic lines of longitudinal section in white light

5 結(jié) 論

(1)自行設(shè)計了厚砂土層斜井井壁三維光彈試驗系統(tǒng)，通過應(yīng)力凍結(jié)切片測試結(jié)果獲得了斜井井筒模型的全場最大剪應(yīng)力等值線分布狀態(tài)，給出了應(yīng)力集中位置、峰值應(yīng)力水平及其衰減狀態(tài)，直接顯示了斜井井壁各區(qū)域的實際強度裕度，反映了斜井井筒強度特征和強度薄弱位置。

(2)斜井井壁應(yīng)力分布沿環(huán)向有較大不均勻性，橫向截面最大剪應(yīng)力遠大于縱向截面，頂部最大剪應(yīng)力大于底部，最大剪應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)在兩幫內(nèi)緣水平面±25°范圍內(nèi)，是斜井井壁設(shè)計的重點校核位置。

(3)隨井筒埋深增加，井壁縱向應(yīng)力近似線性增加，不同環(huán)向位置應(yīng)力增加速率存在差異，從而導(dǎo)致不同埋深井筒的應(yīng)力分布規(guī)律和不均勻性也有所區(qū)別，在斜井井壁精細化設(shè)計中，可對不同埋深井筒采用針對性設(shè)計。

[1] 宋洪柱.中國煤炭資源分布特征與勘查開發(fā)前景研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué),2013. SONG Hongzhu.Study on the distribution characteristics and the exploration and development prospect of coal resource of China[D].Beijing:China University of Geosciences,2013.

[2] 周國慶，程錫祿.特殊地層中的井壁應(yīng)力計算問題[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,1995，24(4):24-30. ZHOU Guoqing,CHENG Xilu.Study on the stress calculation of shaft lining surrounded by special strata[J].Journal of China University of Mining & Technology,1995,24(4):24-30.

[3] 蔣斌松.復(fù)合井壁的彈性分析[J].煤炭學(xué)報,1997,22(4):397-401. JIANG Binsong.Elastic analysis of the composite shaft linings[J].Journal of China Coal Society,1997,22(4):397-401.

[4] 蔣斌松.立井井壁的計算理論[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2003,22(S1):2183-2186. JIANG Binsong.Calculating theory of shaft lining[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2003,22(S1):2183-2186.

[5] 周揚,周國慶.考慮治理荷載作用時井壁嚴格軸對稱變形分析[J].巖土工程學(xué)報,2008,30(7):999-1004. ZHOU Yang,ZHOU Gouqing.Strict axisymmetric deformation analysis of shaft linings considering shaft-curing load[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2008,30(7):999-1004.

[6] 周曉敏,陳建華,羅曉青.孔隙型含水基巖段豎井井壁厚度擬訂設(shè)計研究[J].煤炭學(xué)報,2009,34(9):1174-1178. ZHOU Xiaomin,CHEN Jianhua,LUO Xiaoqing.Research on the preliminary thickness design of shaft lining in porous rock aquifer[J].Journal of China Coal Society,2009,34(9):1174-1178.

[7] 周揚,周國慶.塑料板夾層雙層井壁的軸對稱變形分析[J].煤炭學(xué)報,2010,35(9):1470-1475. ZHOU Yang,ZHOU Gouqing.Axisymmetric deformation analysis for the double layer shaft with a plastic interlayer[J].Journal of China Coal Society,2010,35(9):1470-1475.

[8] 中國煤炭建設(shè)協(xié)會.煤礦斜井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2007.

[9] 張榮立,何國緯,李鐸.采礦工程設(shè)計手冊(中冊)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2003.

[10] 周檀君,周國慶,王建州,等.煤礦長斜井井筒外荷載特征研究[J].煤炭工程,2016,48(3):77-80. ZHOU Tanjun,ZHOU Guoqing,WANG Jianzhou,et al.External load characteristics of long inclined shaft in coal mine[J].Coal Engineering,2016,48(3):77-80.

[11] 王襄禹,柏建彪,高 祥.斜井在表土段時底板承載力的初探[J].能源技術(shù)與管理,2004(3):16-18. WANG Xiangyu,BAI Jiangbiao,GAO Xiang.Preliminary research to the floor load- bearing capacity of slope within overburden soil[J].Energy Technology and Management,2004(3):16-18.

[12] 趙峰.壁后注漿技術(shù)在大佛寺煤礦斜井中的應(yīng)用研究[D].西安:煤炭科學(xué)研究總院西安分院,2006. ZHAO Feng.The application study of the wall grouting behind technique at manage the inclined well of Dafosi coal mine[D].Xi’an:Xi’an Branch of CCRI,2006.

[13] 閆振東,楊仁樹,岳中文,等.滲水厚礫石層斜井圍巖破壞機理模型試驗[J].煤炭學(xué)報,2009,34(12):1599-1604. YAN Zhendong,YANG Renshu,YUE Zhongwen,et al.Model test on failure mechanism of the surrounding rock of oblique laneway in thick gravel stratum under seepage water[J].Journal of China Coal Society,2009,34(12):1599-1604.

[14] 岳中文,楊仁樹,孫中輝,等.富水厚礫石層斜井圍巖破壞機理試驗研究(Ⅱ)[J].煤炭學(xué)報,2010,35(8):1273-1278. YUE Zhongwen,YANG Renshu,SUN Zhonghui,et al.Test study on failure mechanism of the surrounding rock of inclined shaft in thick gravel stratum with abundant water(Ⅱ)[J].Journal of China Coal Society,2010,35(8):1273-1278.

[15] 王衛(wèi)軍，袁越，余偉健，等.采動影響下底板暗斜井的破壞機理及其控制[J].煤炭學(xué)報,2014,39(8):1463-1472. WANG Weijun,YUAN Yue,YU Weijian,et al.Failure mechanism of the subinclined shaft in floor under mining influence and its control[J].Journal of China Coal Society,2014,39(8):1463-1472.

[16] 周檀君，周國慶.考慮傾角作用的斜井凍結(jié)壁厚度計算方法[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016,45(3):514-520. ZHOU Tanjun,ZHOU Guoqing.Calculation method of frozen soil wall thickness for inclined shaft in consideration of the shaft inclination[J].Journal of China University of Mining & Technology,2016,45(3):514-520.

[17] Narasimhamurty T S.Experimental methods of determining the photoelastic constants[M].Photoelastic and Electro-Optic Properties of Crystals.Springer US,1981:197-297.

[18] 馮瓊,許蔚,李俊昌,等.改進的數(shù)字全息光彈方法-理論研究[J].工程力學(xué),2012,29(9):56-59. FENG Qiong,XU Wei,LI Junchang,et al.Research on the improvement of digital holographic photo-elastic method[J].Engineering Mechanics,2012,29(9):56-59.

[19] 馬險峰,孔令剛,方薇,等.砂雨法試樣制備平行試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2014,36(10):1791-1801. MA Xianfeng,KONG Linggang,FANG Wei,et al.Parallel tests on preparation of samples with sand pourer[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2014,36(10):1791-1801.

[20] 徐光明,章衛(wèi)民.離心模型中的粒徑效應(yīng)和邊界效應(yīng)研究[J].巖土工程學(xué)報,1996,18(3):80-85. XU Guangming,ZHANG Weimin.A study of size effect and boundary effect in centrifugal tests[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1996,18(3):80-85.

[21] Cernosek J.Three-dimensional photoelasticity by stress freezing[J].Experimental Mechanics,1980,20(12):417-426.

Three-dimensionalphotoelasticitymodeltestofinclinedshaftonstressdistributioninthicksandsoillayer

ZHOU Tanjun1,ZHOU Guoqing1,LIAO Bo1,2，ZHANG Haiyang1，LAI Zejin1，TAO Xiangling1,3

(1.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221008,China; 2.DepartmentofTechnologyandEngineeringManagement,ZhejiangGongshangUniversity,Hangzhou310018,China; 3.CollegeofEnergyandTransportationEngineering,JiangsuVocationalInstituteofArchitecturalTechnology,Xuzhou221116,China)

Taking the main inclined shaft of a coal mine across thick sandy soil layer as the engineering case,established a physical model for the inclined shaft wall with the three-dimensional stress-freezing photoelastic method.A three-dimensional simulation for the stress of inclined shaft wall across thick sandy soil layer was made under the consideration of inclined roadway inclination.The whole-field maximum shear stress contour map was obtained from the stress-freezing photoelastic test and the changes of shaft wall stress in relation to shaft depth and circumferential angle were also analyzed.According to the results,the internal stress and its uneven distribution of the transverse section of shaft wall were much greater than that of the longitudinal section.The maximum shear stress centered on the inner edges of shaft wall sides at a range of ±25°.The maximum shear stress on the top of inclined shaft wall was larger than the bottom.With the increase of shaft depth,the longitudinal stress showed a near-linear increase,but the rates of increase in relation to different circumferential angles differed greatly.Thus,the size and distribution of shaft wall internal stress varied with different shaft depth.

inclined shaft;model test;stress distribution;frozen stress method

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0357

TD265.3

:A

:0253-9993(2017)08-1979-08

國家自然科學(xué)基金資助項目(51104146);國家高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃(111)資助項目(B14021)

周檀君(1989—)，男，浙江金華人，博士研究生。E-mail:tanjunzhou@126.com

周檀君，周國慶，廖波，等.厚砂土層斜井井壁應(yīng)力分布規(guī)律三維光彈性模型試驗[J].煤炭學(xué)報,2017,42(8):1979-1986.

ZHOU Tanjun,ZHOU Guoqing,LIAO Bo,et al.Three-dimensional photoelasticity model test of inclined shaft on stress distribution in thick sand soil layer[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):1979-1986.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0357