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        局部差異凍結(jié)作用于既有井壁的凍脹力研究

        2021-09-01 08:07:28
        關(guān)鍵詞:差異混凝土

        (安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

        0 引言

        近幾十年來(lái),我國(guó)礦井建設(shè)全面開(kāi)展,其中兩淮礦區(qū)為我國(guó)大型煤炭資源儲(chǔ)藏基地,是華東地區(qū)重要的能源基地,多為深厚沖積層所覆蓋,煤礦均采用立井開(kāi)拓[1]。目前,國(guó)內(nèi)已有多例服役期礦井出現(xiàn)井筒破損淹水等事故。針對(duì)普通法施工礦井發(fā)生井筒淹水事故后多采用凍結(jié)法完成事故井修繕;凍結(jié)法處理事故井過(guò)程中,為確保事故井破損段井壁的安全修復(fù),同時(shí)不使非事故段井壁由于土體凍脹產(chǎn)生二次破壞,既要保證凍結(jié)壁有一定的強(qiáng)度和厚度,又要嚴(yán)格控制凍結(jié)壁的發(fā)展,從而在實(shí)際工程中面臨著許多技術(shù)難題。因此局部差異凍結(jié)條件下凍結(jié)壁的形成規(guī)律和研究方法至關(guān)重要。

        國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于凍脹力與凍脹機(jī)理的研究頗多。EVERETT[2]根據(jù)毛細(xì)冰理論對(duì)水分遷移凍脹進(jìn)行了解釋,稱之為第一凍脹理論。MILLER[3]為解釋水分遷移過(guò)程中不連續(xù)冰透鏡體的形成過(guò)程,提出了第二凍脹理論,并基于該理論提出了剛性冰模型。O’NEILL等[4]對(duì)該模型進(jìn)行了完善,給出了由定量冰、土和水之間的分量總應(yīng)力得出凍結(jié)鋒面冰晶體產(chǎn)生的準(zhǔn)則,并建立了較為完善的計(jì)算體系。國(guó)內(nèi)榮傳新等[5]建立了考慮凍結(jié)壁、井壁及周圍土體共同作用的粘彈性計(jì)算模型,給出了外層井壁上的凍結(jié)壓力解析式,以及凍結(jié)壁和井壁的應(yīng)力分布規(guī)律。馬茂艷等[6]基于符合深井凍土蠕變特性的改進(jìn)西原體模型,利用ABAQUS軟件計(jì)算分析了深部?jī)鼋Y(jié)井的掘砌過(guò)程,獲得了作用于外層井壁的凍脹力發(fā)展變化規(guī)律,結(jié)果表明土體埋深、凍結(jié)壁溫度、土體凍脹率等因素均影響凍脹力的大小。業(yè)界學(xué)者均對(duì)人工凍結(jié)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)做出了有力探索。

        在局部差異凍結(jié)的研究方面,肖朝昀等[7]針對(duì)上海地鐵一區(qū)間采用四排孔局部?jī)鼋Y(jié)修復(fù)工程,分析了積極凍結(jié)期排內(nèi)凍土壁交圈時(shí)間、發(fā)展速度,并利用公式計(jì)算出整個(gè)凍結(jié)期排外凍土壁單側(cè)發(fā)展厚度和發(fā)展速度,得出多排局部?jī)鼋Y(jié)凍土壁溫度場(chǎng)特征。根據(jù)復(fù)雜地層的凍結(jié)難易程度,提出了一種凍結(jié)管差異溫度優(yōu)化凍結(jié)方案,進(jìn)行了差異凍結(jié)試驗(yàn)與數(shù)值分析[8-9]。石榮劍等[10]為解決地下有流水時(shí)鹽水帷幕凍結(jié)方法無(wú)法形成封閉凍結(jié)壁的問(wèn)題,采用低溫液氮對(duì)局部未封閉區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)凍結(jié)方式,可有效封堵地下流水,解決鹽水凍結(jié)不能形成封閉凍結(jié)帷幕的難題。榮傳新等[11]針對(duì)板集礦區(qū)副井井筒修復(fù)過(guò)程中的局部差異凍結(jié)條件技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析,探究了整個(gè)井壁修復(fù)過(guò)程中凍結(jié)溫度場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律,為類似工程提供了參考。

        綜上所述,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于局部差異凍結(jié)技術(shù)的研究成果較少,鮮有凍結(jié)修復(fù)期間既有井壁的凍脹力與安全性研究,并且關(guān)于該技術(shù)在破損井筒修復(fù)中的運(yùn)用尚無(wú)成功先例,為了給類似工程提供一定的參考依據(jù),筆者采用ABAQUS/Standard數(shù)值計(jì)算軟件,對(duì)局部差異凍結(jié)條件下井壁修復(fù)過(guò)程中的凍脹力進(jìn)行了模擬與研究,為指導(dǎo)凍結(jié)法鑿井設(shè)計(jì)以及保障凍結(jié)施工安全提供幫助。

        1 工程

        1.1 工程背景

        板集煤礦為新建的大型礦井,副井井筒主要特征參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 副井井筒技術(shù)特征Tab.1 Technical characteristics of auxiliary shaft

        預(yù)制井壁支護(hù)深度640 m,井筒采用變斷面形式。預(yù)制鋼筋混凝土井壁支護(hù)深度375.0 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30~C60;預(yù)制雙層鋼板混凝土井壁支護(hù)深度為375.0~640.0 m,鋼板厚度10~30 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60~C70。地層由老到新依次有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系和新生界。新生界松散層自上而下大致分為一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和四含共計(jì)4個(gè)含水層(組)和3個(gè)隔水層(組)。其中,四含厚度介于39.80~175.70 m,平均83.66 m左右,由上部的厚層中、細(xì)砂層和下部的砂礫層組成,其中砂層厚度大,富水性中等,全井田均有分布,且大部分與基巖直接接觸,是基巖含水層的重要補(bǔ)給水源[12-14]。

        2009年4月18日,板集煤礦副井井筒發(fā)生突水涌砂事故,專家組對(duì)事故調(diào)查后認(rèn)為:突水事故的直接原因是上覆巖層受重復(fù)擾動(dòng)影響,使得井筒受拉破裂,誘發(fā)井筒壁后四含水涌入井筒。通過(guò)研究分析,板集煤礦副井井筒確定采用“拋—注—凍—修—防”綜合治理方案,即先向井筒內(nèi)部拋填石子恢復(fù)井壁的三向受力狀態(tài),然后通過(guò)地面預(yù)注漿充填加固地層,再采用凍結(jié)法形成井筒排水修復(fù)保護(hù)帷幕,最后進(jìn)行井筒套壁修復(fù)加固。根據(jù)專家對(duì)出水點(diǎn)位置分析的結(jié)果,出水點(diǎn)應(yīng)位于表土段第三隔水層以下至基巖風(fēng)化帶,其具體位置不明確,且井壁破壞程度及其范圍亦不明確。為減小凍結(jié)施工對(duì)上部完好的既有井壁的影響,并確保下部破損井壁的安全修復(fù),工程采用局部差異凍結(jié)技術(shù)進(jìn)行地層凍結(jié)[11]。

        1.2 局部差異凍結(jié)井壁修復(fù)方案

        板集煤礦立井修復(fù)工程井壁突水修復(fù)段高1.5 m,凍結(jié)孔布置參數(shù)見(jiàn)表2。

        表2 凍結(jié)孔布置參數(shù)Tab.2 Freezing hole arrangement parameters

        設(shè)計(jì)鹽水溫度為-30~-34 ℃,凍結(jié)壁厚度為5.0 m,凍結(jié)壁平均溫度為-15 ℃。井壁全深采用雙排管凍結(jié)方式,實(shí)際鉆孔時(shí)存在一定偏斜,其中-300 m與-450 m層位凍結(jié)管布置如圖1所示。為減小上部完好的強(qiáng)度較低的鋼筋混凝土井壁遭受凍脹力影響,并確保下部破損井壁安全修復(fù),結(jié)合對(duì)地質(zhì)資料的分析結(jié)果,最終確定采取局部差異凍結(jié),凍結(jié)深度為673 m,累深380 m以上地層采用雙供液管工藝實(shí)現(xiàn)控制凍結(jié)。外排凍結(jié)管采用Ф159×5~7的無(wú)縫鋼管內(nèi)管箍連接,內(nèi)下Ф75×6的聚乙烯塑料軟管作供液管。內(nèi)排凍結(jié)管內(nèi)排凍結(jié)管立面結(jié)構(gòu)如圖2所示,其-380 m以淺采用Ф168×6低碳鋼無(wú)縫鋼管,外管箍焊接聯(lián)接,內(nèi)下雙Ф70×5聚乙烯塑料軟管;-380 m以深采用Ф159×7低碳鋼無(wú)縫鋼管,內(nèi)管箍焊接,內(nèi)下Ф70×5聚乙烯塑料軟管[11];在約-380 m位置處設(shè)置擋水隔板,以保證低溫鹽水僅自-380 m以深與凍結(jié)管的外管壁接觸,控制有效凍結(jié)段僅覆蓋突水區(qū)域所在四含段與鄰近的三隔段與基巖段,以實(shí)現(xiàn)局部差異凍結(jié)控制效果。監(jiān)測(cè)的鹽水溫度變化曲線如圖3所示,共布置7個(gè)測(cè)溫孔以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁發(fā)展,內(nèi)圈設(shè)置4個(gè),內(nèi)外圈之間設(shè)置2個(gè),外圈凍結(jié)孔外設(shè)置1個(gè)。另在凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)共布置4個(gè)水文孔,以釋放早期凍脹力。

        (a) -300 m層位

        (b) -450 m層位

        圖2 內(nèi)排凍結(jié)管結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of inner row freezing pipes

        圖3 鹽水溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Temperature variation of brine with time

        2 數(shù)值計(jì)算方法

        如不考慮凍結(jié)管偏斜的影響,并假定凍結(jié)管內(nèi)的鹽水溫度沿管壁軸向分布均勻,則立井軸向(z方向)上的土層溫度梯度近似為0,計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題[15]。由于土的凍脹效應(yīng)影響因素眾多,在進(jìn)行凍脹力的數(shù)值分析時(shí),作如下基本假設(shè)[16]:①不考慮水分遷移過(guò)程;②按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算;③對(duì)土體顆粒和冰晶,不考慮其壓融效應(yīng);④以鈣質(zhì)黏土層和粉質(zhì)黏土層為模擬對(duì)象,單一土層為均質(zhì)的各向同性彈性體,但其彈性模量的取值隨溫度變化而變化。

        2.1 溫度與位移耦合方程

        ① 溫度場(chǎng)控制方程

        凍結(jié)溫度場(chǎng)為帶相變的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題,基于Fourier熱傳導(dǎo)方程和能量守恒定律,將微元體看作剛體,其熱量平衡控制微分方程[17]如下所示:

        (1)

        式中,C為土的容積熱容,J/(m3·K),C=Cdρ,Cd為土的比熱容,kJ/(kg·K);λ為土的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);L為水的相變潛熱,kJ/kg,一般取334.56 kJ/kg;ρi為冰的密度,kg/m3;θi為土體的體積含冰量,%。

        ② 本構(gòu)方程

        在溫度變化的過(guò)程中,彈性體的應(yīng)變由兩部分組成:①自由膨脹引起的正應(yīng)變分量ε0=αΔT,其中α為膨脹系數(shù),ΔT為溫度變化值,自由膨脹引起的剪應(yīng)變分量為0。②熱膨脹時(shí),土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合廣義胡克定律:

        (2)

        聯(lián)立溫度場(chǎng)微分方程和熱力學(xué)本構(gòu)關(guān)系,可以得到熱力耦合控制方程。并按照彈性力學(xué)方法,建立熱應(yīng)力方程。其中平衡方程只與物體受力有關(guān),而與產(chǎn)生力的原因無(wú)關(guān);幾何方程中應(yīng)變只與位移有關(guān),而與引起位移的原因無(wú)關(guān),所以平衡方程和幾何方程的形式不變。

        2.2 凍脹力計(jì)算參數(shù)的選取及計(jì)算方法

        土體假設(shè)為線彈性材料,但其彈性模量和泊松比的取值隨溫度變化而變化;土體的凍脹率通過(guò)原狀土的凍脹試驗(yàn)確定;根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)得出導(dǎo)熱系數(shù)、比熱以及其他指標(biāo)隨溫度場(chǎng)的變化規(guī)律,在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí),通過(guò)建立比熱、導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度場(chǎng)變化的場(chǎng)變量賦予凍土的熱物理參數(shù)。模型考慮熱力的耦合,反之不可。進(jìn)而建立了隨溫度場(chǎng)變化的熱力耦合的數(shù)值計(jì)算方法。

        筆者結(jié)合板集礦副井修復(fù)人工凍結(jié)工程,利用上述方法代入隨溫度場(chǎng)變化的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,即首先建立溫度場(chǎng)模型、加載,求解溫度場(chǎng)模型并進(jìn)行瞬態(tài)分析,后處理得到節(jié)點(diǎn)上的溫度。然后采用和溫度場(chǎng)相同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)分析中首先通過(guò)地應(yīng)力平衡功能構(gòu)建井壁與周圍土體的初始穩(wěn)定場(chǎng)(即消除位移場(chǎng)保留初始應(yīng)力解),后將求解溫度場(chǎng)得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為溫度荷載加載到應(yīng)力場(chǎng)以進(jìn)行耦合分析,進(jìn)而得到凍脹力的分布規(guī)律。

        3 數(shù)值計(jì)算

        3.1 模型參數(shù)

        副井-300 m與-450 m層位既有井壁為預(yù)制雙層鋼板混凝土支護(hù),鋼板厚度為10~30 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60,彈性模量為36 GPa,泊松比為0.167,忽略凍結(jié)過(guò)程中既有井壁的熱膨脹。數(shù)值計(jì)算中各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表3。

        表3 各層位土體的物理力學(xué)參數(shù)Tab.3 Physical and mechanical parameters of soil layers at various horizons

        3.2 幾何模型與邊界條件

        ① 幾何模型、網(wǎng)格

        根據(jù)井壁修復(fù)工程凍結(jié)孔造孔情況,采用ABAQUS/Standard數(shù)值分析軟件,選用凍結(jié)孔終偏位置進(jìn)行建模計(jì)算。數(shù)值分析模型如圖4所示,考慮到凍結(jié)施工的影響范圍,取凍脹影響圈徑為80 m;同時(shí)為提高計(jì)算精度,對(duì)凍結(jié)管周圍及井幫處進(jìn)行網(wǎng)格加密,同時(shí)對(duì)于規(guī)則的井壁選用更為合理的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。共劃分190 392個(gè)四邊形單元,以及198 942個(gè)結(jié)點(diǎn)。

        (a) 工程計(jì)算模型

        (b) 井壁網(wǎng)格劃分

        ② 荷載及初邊值條件

        溫度場(chǎng)設(shè)置:凍結(jié)管溫度按工程實(shí)測(cè)中的凍結(jié)器溫度選??;初始溫度場(chǎng)按井壁修復(fù)工程開(kāi)始凍結(jié)時(shí)的實(shí)際溫度場(chǎng)設(shè)定(約28 ℃)。同時(shí)出于簡(jiǎn)化模型計(jì)算的考慮,設(shè)置既有井壁內(nèi)表面與水接觸處的散熱系數(shù)為0.54 W/(m2· ℃)[18],根據(jù)工程實(shí)際抽水測(cè)溫得知,水源溫度為10 ℃左右。

        應(yīng)力場(chǎng)設(shè)置:根據(jù)重液公式計(jì)算永久水平地壓P=0.013H,則-300 m層位的初始水平應(yīng)力為3.9 MPa,-450 m層位的初始水平應(yīng)力為5.85 MPa;取側(cè)壓力系數(shù)γ=μ/(1-μ)=0.538 5,故-300 m層位初始豎向應(yīng)力為7.24 MPa,-450 m層位初始豎向應(yīng)力為10.86 MPa。土體外邊界約束法向位移。

        3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

        ① 瞬態(tài)溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律

        為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的合理性,提取模型測(cè)溫孔位置處的節(jié)點(diǎn)溫度,并選取-450 m層位處測(cè)溫孔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖5),其中C1測(cè)溫孔位于外圈管外側(cè),C2測(cè)溫孔位于兩圈管之間,C6測(cè)溫孔位于內(nèi)圈管內(nèi)側(cè)。

        如圖5所示,3個(gè)測(cè)溫孔的溫降曲線數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致,其誤差絕對(duì)值均小于5%,而在凍結(jié)初期受實(shí)際工程中施工熱擾動(dòng)等的影響,溫度偏差較大,但均不超過(guò)2.5 ℃,這說(shuō)明數(shù)值計(jì)算得到的瞬態(tài)凍結(jié)溫度場(chǎng)可較為真實(shí)地反映工程實(shí)際情況,這也將作為應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)。

        (a) C1測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比

        (b) C2測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比

        (c) C6測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比

        井壁凍結(jié)修復(fù)期間-300 m和-450 m層位凍結(jié)壁發(fā)展?fàn)顩r如圖6所示。①-450 m層位于94 d交圈,交圈時(shí)井幫(井壁與土體交界面處)平均溫度為-1.28 ℃;-300 m層位滯后22 d于116 d交圈,交圈時(shí)井幫平均溫度為3.15 ℃。凍結(jié)60、172 d時(shí),-450 m層位井幫平均溫度為4.43 ℃、-17.75 ℃,同時(shí)期-300 m層位井幫平均溫度為11.62 ℃、-2.74 ℃。②凍結(jié)94 d時(shí),-450 m層位凍結(jié)壁平均溫度為-13.97 ℃,凍結(jié)116 d時(shí),-300 m層位凍結(jié)壁平均溫度為-11.64 ℃;凍結(jié)172 d時(shí),-450 m層位凍結(jié)壁平均溫度為-21.53 ℃,同時(shí)期-300 m層位凍結(jié)壁平均溫度為-16.33 ℃,較-450 m層位高5.2 ℃。③凍結(jié)94 d時(shí),-450 m層位凍結(jié)壁平均厚度為5.11 m;凍結(jié)116 d時(shí),-300 m層位凍結(jié)壁平均厚度4.13 m。凍結(jié)172 d時(shí),-450 m層位凍結(jié)壁平均厚度為6.02 m,同時(shí)期-300 m層位凍結(jié)壁平均厚度為5.07 m,較-450 m層位薄0.95 m。同時(shí)期,-300 m層位的井幫溫度、凍結(jié)壁平均厚度及平均溫度均明顯低于-450 m層位,這表明差異凍結(jié)技術(shù)可以顯著減小凍結(jié)壁向內(nèi)發(fā)展的速度,達(dá)到了預(yù)期的凍結(jié)控制目的。

        圖6 凍結(jié)溫度場(chǎng)云圖Fig.6 Freezing temperature field nephogram

        ② 應(yīng)力場(chǎng)發(fā)展規(guī)律

        將節(jié)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果減去初始地應(yīng)力即為凍脹力,后文所述凍脹力均為既有井壁與土體交界面處節(jié)點(diǎn)的徑向應(yīng)力。分別提取-300 m鈣質(zhì)黏土層以及-450 m粉質(zhì)黏土層距離該立井井筒中心r=4.65 m(井幫)界面處節(jié)點(diǎn)的凍脹力,繪制不同方位上的凍脹力分布狀況如圖7所示,及平均凍脹力時(shí)間歷程曲線如圖8所示;同時(shí)將兩層位在東、北偏東30°、北偏西6°、北偏西45°、南偏西45°、南偏東15°六個(gè)特征方位上的凍脹力數(shù)據(jù)整理見(jiàn)表5。

        圖7及表5結(jié)果表明:①粉質(zhì)、鈣質(zhì)黏土層凍脹力呈現(xiàn)出類同心圓的發(fā)展趨勢(shì),且由于凍結(jié)孔在實(shí)際成孔的過(guò)程中存在偏斜,兩層凍脹力存在顯著的不均勻性,最大凍脹力主要出現(xiàn)在東北側(cè)、西北側(cè)、南側(cè)、西南側(cè)。②在整個(gè)積極凍結(jié)期內(nèi),-300 m層位井幫處的凍脹力較小,最大不超過(guò)0.70 MPa,占初始地應(yīng)力的17.94%,而-450 m層位的凍脹力較大,最大值為2.43 MPa,占初始地應(yīng)力的41.54%,可見(jiàn)局部差異凍結(jié)技術(shù)可以有效避免凍土凍脹力對(duì)既有井壁的不利影響。③凍結(jié)94 d時(shí),差異凍結(jié)層位與全深凍結(jié)層位在北偏東30°、北偏西6°、北偏西45°、南偏西45°、南偏東15°方位上的井幫凍脹力差值分別為 0.167、 0.138、 0.133、 0.215、 0.322 MPa。凍結(jié)172 d時(shí),30°、北偏西6°、北偏西45°、南偏西45°、南偏東15°方位上的井幫凍脹力差值分別為1.757、1.771、1.672、1.803、1.779 MPa。可見(jiàn)在整個(gè)積極凍結(jié)期內(nèi),-300 m層位的凍脹力始終小于-450 m層位,凍結(jié)控制效果顯著,采取局部差異凍結(jié)技術(shù)能有效減弱土體凍脹對(duì)既有井壁的影響,避免完好的井壁由于凍結(jié)施工產(chǎn)生二次破壞。

        差異凍結(jié)層位與全深凍結(jié)層位在北偏東

        (a) -300 m層位

        (b) -450 m層位

        圖8 既有井壁與土體交界面處凍脹力的時(shí)間歷程曲線Fig.8 Time-history curve of frost heaving force at the interface between the existing shaft wall and soil

        表5 特征方向上的凍脹力Tab.5 Frost heaving force in characteristic positions

        由圖8可以看出,① 0~30 d時(shí),-300 m層位與-450 m層位的凍脹力幾乎為0,這主要是因?yàn)閮鼋Y(jié)管內(nèi)的鹽水溫度還未降至指定溫度,凍結(jié)壁正在緩慢形成。② 30 d至各層位凍結(jié)壁交圈前(-300 m層位為30~116 d, -450 m層位為30~94 d),兩層位的凍脹力呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。在各層位交圈后的14 d內(nèi)有一段近似階躍性的增長(zhǎng),其后凍脹力增長(zhǎng)速度放緩,最終基本趨于穩(wěn)定。③凍結(jié)172 d時(shí),-450 m層位凍脹力達(dá)2.35 MPa,-300 m層位凍脹力為0.58 MPa,約為-450 m層位的1/4。

        3.4 井壁安全性評(píng)價(jià)

        凍結(jié)法施工會(huì)直接影響混凝土的強(qiáng)度發(fā)展、變形與裂縫,因此既有井壁的安全性綜合凍脹力和混凝土應(yīng)變測(cè)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中混凝土應(yīng)變是井壁安全性評(píng)價(jià)的最直接指標(biāo)。

        對(duì)數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行后處理,井壁等效應(yīng)力結(jié)果如圖9所示。-300 m層位和-450 m層位的最值結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。將既有井壁混凝土等效應(yīng)力與其混凝土強(qiáng)度進(jìn)行比較,對(duì)既有井壁的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

        圖9 井壁等效應(yīng)力結(jié)果Fig.9 Von Mises stress of the shaft wall

        表6 兩層位井壁安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果Tab.6 Results of safety evaluation indicators at two layers

        由圖9及表6可知:①井壁等效應(yīng)力隨凍結(jié)時(shí)間的發(fā)展規(guī)律與凍脹力發(fā)展規(guī)律完全吻合。在凍結(jié)初期,井壁的應(yīng)力未受到凍結(jié)施工的影響,兩層位井壁應(yīng)力均由初始地應(yīng)力引起;隨著凍結(jié)施工的進(jìn)行,-300 m層位井壁混凝土等效應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢,而-450 m層位增長(zhǎng)較快。②對(duì)比兩個(gè)層位井壁混凝土的等效應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn),至凍結(jié)172 d,-300 m層位的最大等效應(yīng)力為9.31 MPa,約為同時(shí)期-450 m層位的49.97%。且-300 m層位的井壁應(yīng)力增長(zhǎng)明顯小于-450 m層位,約為3.28 MPa。然兩層位混凝土等效應(yīng)力均未超過(guò)C60混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值38.5 MPa,既有井壁是安全的。這表明本工程局部差異凍結(jié)達(dá)到了預(yù)期目的,局部差異凍結(jié)可以有效的減弱土體凍脹對(duì)完好井壁的影響。③在板集副井內(nèi)層鋼板高強(qiáng)鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)中,混凝土環(huán)向應(yīng)變較大。-300 m層位混凝土的環(huán)向應(yīng)變?yōu)?125.54 με,-450 m層位為-355.83 με,均遠(yuǎn)小于C60的極限應(yīng)變值,說(shuō)明在凍結(jié)修復(fù)過(guò)程中,既有井壁始終處于彈性受力狀態(tài),符合設(shè)計(jì)要求,凍結(jié)修復(fù)期間井壁結(jié)構(gòu)并未開(kāi)裂,安全可靠。

        4 結(jié)論

        ① 板集煤礦副井井壁破損和突水修復(fù)工程采用了沿著深度方向進(jìn)行局部差異凍結(jié)的修復(fù)方案。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫孔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及土體的物理力學(xué)參數(shù),采用凍結(jié)孔的終偏位置進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,對(duì)凍結(jié)過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明,-300 m層位交圈時(shí)間較-450 m層位晚22 d;凍結(jié)172 d時(shí),兩層位凍結(jié)壁平均厚度均達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),且-300 m層位凍結(jié)壁平均溫度較-450 m層位高5.2 ℃,井幫溫度較-450 m層位高15.01 ℃,這表明差異凍結(jié)技術(shù)可以顯著減小凍結(jié)壁向內(nèi)發(fā)展速度。

        ② 在整個(gè)凍結(jié)期內(nèi),凍脹力隨著凍結(jié)施工的進(jìn)行而增大,土體的凍脹對(duì)既有井壁會(huì)產(chǎn)生一定的影響。兩層位凍脹力呈現(xiàn)出類同心圓發(fā)展形式,且凍脹力的發(fā)展有明顯的不均勻性。其中,-300 m層位的凍脹力增長(zhǎng)緩慢,且增長(zhǎng)較小,172 d時(shí)凍脹力占初始地應(yīng)力的17.94%。-450 m層位井幫處的凍脹力增長(zhǎng)迅猛,172 d時(shí)凍脹力占初始地應(yīng)力的41.54%。井幫處凍脹力自凍結(jié)30 d時(shí)呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)趨勢(shì),在交圈后的14 d內(nèi)有階躍性增長(zhǎng),其后凍脹力增長(zhǎng)速度放緩,最終基本趨于穩(wěn)定。

        ③ 數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,在板集煤礦副井井壁結(jié)構(gòu)凍結(jié)修復(fù)過(guò)程中,既有井壁混凝土的環(huán)向應(yīng)變較大。-300 m層位混凝土的環(huán)向應(yīng)變?yōu)?125.54 με,-450 m層位為-355.83 με,遠(yuǎn)小于C60混凝土極限應(yīng)變值;井壁混凝土最大等效應(yīng)力為18.63 MPa,低于C60混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,凍結(jié)修復(fù)過(guò)程中井壁結(jié)構(gòu)安全可靠。

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