賀翔宇，文 華，席 茜，譚樹成，郭小燕 ，付文濤

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川 綿陽 621010；2.四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司,四川 成都 610056)

0 引言

頁巖氣作為我國一種可采儲量豐富的清潔能源，其開采早已成為我國的戰(zhàn)略任務(wù)[1]，為緩解對清潔能源的迫切需求，我國對頁巖氣的開采更加迫切。

鉆前工程中方井位于頁巖氣井井眼上部，收集鉆井過程中，鉆出的水泥漿、鉆屑、原油等雜質(zhì)也可起到加固井眼的作用。傳統(tǒng)現(xiàn)澆方井是在井眼四周搭設(shè)模板、澆筑混凝土，還要進行養(yǎng)護，產(chǎn)生大量建筑垃圾且費時；裝配式方井則將U形構(gòu)件從預(yù)制場運至現(xiàn)場，在現(xiàn)場拼裝完成即可使用，既環(huán)保又為后續(xù)鉆井作業(yè)節(jié)約了大量時間。故在頁巖氣開發(fā)過程中，裝配式方井應(yīng)用十分重要。本文設(shè)計的裝配式方井長5.4m、寬4.6m、高5.6m。目前，國內(nèi)專家學(xué)者對鉆井工程中井身結(jié)構(gòu)加固[2-8]和建筑領(lǐng)域的裝配式結(jié)構(gòu)計算[9-12]進行了大量研究，但針對裝配式方井結(jié)構(gòu)在鉆井工程中的應(yīng)用研究報道十分缺乏，未開展系統(tǒng)深入研究。因此，進一步研發(fā)并提出新型的裝配式方井結(jié)構(gòu)十分必要。本文提出一種U形方井預(yù)制構(gòu)件并對此結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可行性展開理論計算與數(shù)值模擬研究，為裝配式方井的設(shè)計與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 裝配式方井結(jié)構(gòu)理論計算與設(shè)計

1.1 裝配式方井承受荷載及荷載組合

裝配式方井所承受的荷載主要來源于土壓力、水壓力及其他壓力對裝配式方井頂部及井壁的作用。通過GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[13]及JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[14]中的相關(guān)公式，對方井進行承受荷載及荷載組合計算。

1.1.1裝配式方井頂部所受荷載

蓋板梁采用C35混凝土，單塊板重1.86t，長 4 420mm、 寬350mm、厚350mm，如圖1所示。方井頂部平鋪放置14塊蓋板梁，故方井頂部蓋板梁重26.04t。在正常使用過程中，取裝配式方井井頂受到的最大荷載為460.4kN。

圖1 裝配式方井頂部蓋板梁鋪設(shè)

1.1.2裝配式方井井壁所受荷載

1)井內(nèi)液體對井壁的側(cè)向壓力

裝配式方井內(nèi)液體對井壁側(cè)向壓力計算公式如式(1)所示：

Pw=γwHw

(1)

式中：Pw為方井壁側(cè)向水壓力；γw為重度，根據(jù)實際情況泥漿重度取180kN/m3；Hw為液體水位高度。

2)井外土對井壁的側(cè)向壓力

裝配式方井埋設(shè)在地下水位以上，故方井側(cè)向壓力僅有側(cè)向主動土壓力，按式(2)進行計算。

Fep,k=Kaγs

(2)

式中：Fep，k為側(cè)面土壓力標準值(kN/m2)；Ka為主動土壓力系數(shù)，取1/3；γs為井壁外側(cè)土重度(kN/m3)，按C30素混凝土取值，為23.6kN/m3。

1.1.3裝配式方井井壁豎向彎矩和剪力

在方井底部固定、頂端自由的約束及三角形荷載或梯形荷載作用下，裝配式方井井壁彎矩和剪力計算公式[15]如下。

井壁底部剪力計算如式(3)所示：

(3)

井壁任意點彎矩計算如式(4)所示：

(4)

井壁底部彎矩計算如式(5)所示：

(5)

井壁受梯形荷載如圖2所示。

圖2 井壁受梯形荷載示意

在正常使用狀態(tài)下，裝配式方井荷載組合為裝配式方井外部有土(Fep,k)、內(nèi)部半水(Pw)、井頂有荷載(P)。正常使用狀態(tài)下裝配式方井荷載組合如圖3所示。

圖3 正常使用狀態(tài)下裝配式方井荷載組合

1.2 裝配式方井整體強度驗算

1)地基承載力驗算

一般將地基反力視為均勻分布，此時裝配式方井對地基的壓力可用式(6)表示：

(6)

式中：G為裝配式方井總重，包括裝配式方井自重、覆土、池頂荷載；S為裝配式方井底板面積；[R]為地基允許承載力。

2)承載力極限狀態(tài)強度驗算

按承載力極限狀態(tài)計算的作用效應(yīng)基本組合按式(7)計算：

S=γG1C1GG1K+γG(CWFWK+CepFep,k)+

ψcγQ(CQQK+Cmqmk)

(7)

式中：γG1，γG分別為裝配式方井結(jié)構(gòu)自重分項系數(shù)與除結(jié)構(gòu)自重外各永久作用分項系數(shù)；C1G，G1K分別為裝配式方井結(jié)構(gòu)自重效應(yīng)系數(shù)及標準值(kN/m2)；CW，F(xiàn)WK分別為裝配式方井內(nèi)水壓力效應(yīng)系數(shù)及標準值(kN/m2)；Cep，F(xiàn)ep，k分別為側(cè)向土壓力效應(yīng)系數(shù)與標準值(kN/m2)；ψc，γQ分別為可變荷載組合值系數(shù)與分項系數(shù)；CQ，QK分別為裝配式方井頂部活荷載效應(yīng)系數(shù)及標準值(kN/m2)；Cm，qmk分別為裝配式方井頂部堆積荷載效應(yīng)系數(shù)及標準值(kN/m2)。

3)正常使用狀態(tài)強度驗算

當(dāng)裝配式方井處于小偏心受拉或軸向拉伸時，驗算如式(8)所示：

Sd=C1GG1K+CSVFSV,K+CSΔSK+

Cgwqgw,k+ψ(CQQK+Cmqmk+CtFtk)

(8)

當(dāng)裝配式方井處于受彎、大偏心受壓或受拉狀態(tài)時，驗算如式(9)所示：

Sd=C1GG1K+CSVFSV,K+CSΔSK+ψqQ

Cmqgw,mm+ψqmCmqmk+ψqwCqwqgw,k

(9)

式中：ΔSK為方井沉降量(mm)；CSV為方井結(jié)構(gòu)外力可變效應(yīng)系數(shù)；Cgw為方井結(jié)構(gòu)水壓力永久效應(yīng)系數(shù)；qgw,k為方井內(nèi)水壓力永久標準值(kN/m2)；Ct為方井結(jié)構(gòu)受拉時效應(yīng)系數(shù)；CS為各外力效應(yīng)系數(shù)；QK為方井頂部荷載(kN/m2)；qmk為堆積荷載標準值(kN/m2)，一般取10kN/m3；FSV,K為方井結(jié)構(gòu)外力可變標準值(kN/m2)；ψqQ，ψqm，ψqw分別為各荷載系數(shù)，均可查表選取。

1.3 裝配式方井設(shè)計與配筋計算

綜合考慮制作成本、運輸、吊裝及防滲漏等方面因素，裝配式方井選擇U形構(gòu)件更為合適。設(shè)計為2種型號U形構(gòu)件，其中ZP-1型寬4 600mm、側(cè)寬2 700mm、高1 400mm，ZP-2型寬5 400mm、側(cè)寬 2 300mm、 高 1 400mm；ZP-1型安裝在奇數(shù)層，ZP-2型安裝在偶數(shù)層。裝配式方井設(shè)計如圖4所示，U形構(gòu)件設(shè)計平面如圖5所示。

圖4 裝配式方井設(shè)計

圖5 U形構(gòu)件設(shè)計平面

配筋設(shè)計計算中，鋼筋混凝土保護層厚度c、最小保護層厚度b、最小鋼筋面積是否滿足最小配筋率，均根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[16]與CECS 137∶2015《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》[17]分別從環(huán)境類別、構(gòu)件類型兩方面確定。根據(jù)工程經(jīng)驗和預(yù)制構(gòu)件標準，將U形構(gòu)件等效為連續(xù)板結(jié)構(gòu)進行配筋計算。根據(jù)荷載作用確定U形構(gòu)件ZP-1型與ZP-2型均可視為單向板進行配筋計算。構(gòu)件各截面配筋如表1所示。

表1 配筋計算結(jié)果

考慮到裝配式方井現(xiàn)場拼接或后續(xù)可能拆除重復(fù)利用及其實際受力狀況，故采用承壓型高強度螺栓作為連接構(gòu)件。裝配式方井構(gòu)件間有2種連接方式：①水平連接 從上往下第2層的ZP-1型與第4層的ZP-1型U形構(gòu)件水平方向利用螺栓連接，第1層的ZP-2型與第3層的ZP-2型U形構(gòu)件水平方向利用螺栓連接。②豎向連接 從上往下第1層的ZP-2型與第2層的ZP-1型U形構(gòu)件豎向利用螺栓連接，第2，3層及第3，4層U形構(gòu)件豎向利用螺栓連接；同層拼接方式如圖6所示，不同層拼接方式如圖7所示。

圖6 同層拼接方式

圖7 不同層拼接方式

2 裝配式方井有限元分析

2.1 模型建立及參數(shù)選擇

模型尺寸同1.3節(jié)模型設(shè)計，從外部CAD模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進行分析，CAD中三維模型如圖8所示。

圖8 U形構(gòu)件及方井三維建模

數(shù)值模擬中混凝土強度等級和板材厚度與理論計算中一致，分別為C35和200mm，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[16]，參數(shù)如表2所示。

表2 混凝土材料參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分及接觸關(guān)系

裝配式方井建模采用8結(jié)點三維實體單元，混凝土采用solid65單元，設(shè)置單元尺寸為60mm，其中包含1 277 501個結(jié)點、778 394個單元。

在裝配式方井有限元模型底部施加固定約束，如圖9所示。

圖9 約束施加示意

裝配式方井U形構(gòu)件間接觸有2類，即上、下不同層U形構(gòu)件間的接觸及同層U形構(gòu)件間的接觸。根據(jù)實際工況，U形構(gòu)件間均采用不分離接觸，U形構(gòu)件與高強度螺栓間均采用綁定接觸。

2.3 預(yù)緊力施加

裝配式方井中U形構(gòu)件與高強度螺栓連接在軟件中是通過施加預(yù)緊力體現(xiàn)，對每個高強度螺栓均進行預(yù)緊力施加。通過計算，高強度螺栓預(yù)緊力取225kN。預(yù)緊力施加如圖10所示。

圖10 裝配式方井螺栓預(yù)緊力施加示意

2.4 荷載確定及有限元分析結(jié)果

結(jié)合某平臺鉆前工程裝配式方井具體情況及相關(guān)規(guī)定，在正常使用狀態(tài)下，裝配式方井外壁受到來自C30素混凝土的側(cè)向壓力，內(nèi)部有達裝配式方井高度1/2的廢液，頂部受到蓋板梁及堆積物向下壓力。荷載施加設(shè)置如圖11所示。

圖11 ANSYS Workbench中荷載施加設(shè)置(裝配式方井)

裝配式方井應(yīng)力、變形分布如圖12所示。由圖12a可知，在正常使用狀態(tài)下，裝配式方井所受到的應(yīng)力較均勻，應(yīng)力較大部分主要在裝配式方井U形構(gòu)件拼接處，且裝配式方井底部所受到的應(yīng)力相較于頂部更大。裝配式方井受力最大位置為最頂層U形構(gòu)件豎向拼接處，最大應(yīng)力為11.92MPa。由圖12b可知，在正常使用狀態(tài)下，裝配式方井變形最大位置在頂部，由頂部向中部逐漸減小，最大變形為0.16mm。

圖12 裝配式方井應(yīng)力、變形分布

3 現(xiàn)澆方井有限元分析

3.1 模型建立及參數(shù)選擇

現(xiàn)澆方井尺寸、導(dǎo)入方式、網(wǎng)格劃分、接觸關(guān)系及約束施加與裝配式方井相同。

3.2 荷載確定及有限元分析結(jié)果

現(xiàn)澆方井受力情況與裝配式方井相同，外壁受到來自C30素混凝土的側(cè)向壓力，內(nèi)部有達現(xiàn)澆方井高度1/2的廢液，頂部受到蓋板梁及堆積物向下的壓力。各工況荷載施加設(shè)置如圖13所示。

圖13 ANSYS Workbench中荷載施加設(shè)置(現(xiàn)澆方井)

現(xiàn)澆方井應(yīng)力、變形分布如圖14所示。由圖14a可知，現(xiàn)澆方井底部應(yīng)力明顯大于頂部，且寬度為5 400mm的一側(cè)應(yīng)力大于寬度為4 600mm的一側(cè)，最大應(yīng)力位置在寬度為 5 400mm 一側(cè)的井底部，最大應(yīng)力為0.94MPa。由圖14b可知，現(xiàn)澆方井變形分布呈從頂部到底部逐漸減小的趨勢，變形最大位置在現(xiàn)澆方井頂部，且寬度為 5 400mm 的一側(cè)頂部變形大于寬度為4 600mm的一側(cè)，最大變形為0.15mm。因此，在正常使用工況下，現(xiàn)澆方井應(yīng)力、變形均較小，所受到的力與荷載不足以對現(xiàn)澆方井造成不可逆變形，故現(xiàn)澆方井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖14 現(xiàn)澆方井應(yīng)力、變形分布

4 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

為更好地驗證裝配式方井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對裝配式方井與現(xiàn)澆方井?dāng)?shù)值模擬結(jié)果進行對比分析，如表3所示。

表3 2種方井?dāng)?shù)值模擬結(jié)果

因裝配式方井為拼接結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆方井為整體現(xiàn)澆方式，現(xiàn)澆方井整體性比裝配式方井好，故裝配式方井最大應(yīng)力大于現(xiàn)澆方井；由裝配式方井與現(xiàn)澆方井所產(chǎn)生的最大變形分析可知，裝配式方井與現(xiàn)澆方井最大變形均較小，根據(jù) Q/SY XN 0302—2009 《鉆前工程施工及質(zhì)量驗收規(guī)范》[18]和GB 50300—2013《建筑工程施工質(zhì)量驗收統(tǒng)一標準》[19]可知，在正常使用工況下的變形均未超過2mm，2種方井均未發(fā)生不可逆變形，裝配式方井與現(xiàn)澆方井結(jié)構(gòu)變形相近，故裝配式方井在鉆前工程中具有傳統(tǒng)現(xiàn)澆方井的穩(wěn)定性，滿足鉆前工程中對開發(fā)井的使用需求。

5 結(jié)語

1)通過理論計算研究，得出裝配式方井所受到的荷載及荷載組合，設(shè)計得到裝配式方井整體結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)制構(gòu)件塊型及尺寸。

2)通過有限元數(shù)值模擬研究，確定裝配式方井應(yīng)力、變形主要集中位置，最大應(yīng)力為11.92MPa、最大變形為0.16mm，為后續(xù)裝配式方井設(shè)計使用提供依據(jù)。

3)根據(jù)裝配式方井與現(xiàn)澆方井?dāng)?shù)值模擬對比分析，兩者力學(xué)行為相仿，證明了裝配式方井用于鉆前工程的可行性。

4)本文設(shè)計出的裝配式方井已在四川威遠地區(qū)的鉆前工程中得到應(yīng)用，后期監(jiān)測結(jié)果表明，使用效果良好。