（岩土工程专业论文）高压水作用下冻结井壁渗漏水机理试验研究.pdf

摘要 摘要 随着煤矿新建井筒穿过的表土层加厚，在冻结井筒支护方面，主要采用双层 钢筋混凝土塑料夹层复合井壁结构形式。虽然这种井壁结构在我国的冻结井筒中 得到推广应用，但它并没有从根本上解决冻结井壁的开裂渗漏水难题，冻结井壁 渗漏水问题将变得更加突出、后果将更加严重。为彻底解决这一技术难题，本文 在检索国内外现有资料的基础上，通过理论分析和试验研究对高压水作用下冻结 井壁渗漏水机理进行了系统研究。 在理论分析方面，全面分析了冻结井壁所受温度应力及在温度应力作用下冻 结井壁裂纹的产生，根据冻结井壁混凝土的力学性能，计算混凝土温度应力，根 据损伤力学原理分析混凝土裂纹的产生、扩展和贯通，根据水力劈裂原理分析冻 结井壁渗漏水的机理：在模型试验方面，根据相似理论，进行相似模型设计，模 拟冻结井壁渗漏水情况，分别进行了高压水作用下含有施工冷缝井壁模型试验和 含有温度裂纹井壁模型试验的研究，并分别采用跨孔直流电阻率法c t 技术和超 声波法检测混凝土模型渗漏水情况，试验结果表明，通常的施工冷缝在压力水作 用下不会产生渗漏水；而温度裂纹在压力水作用下将产生裂纹扩展直至渗漏水， 从而对冻结井壁渗漏水机理有了进一步的认识。本论文结果可为深冻结井壁渗漏 水防治措施的确定提供试验依据。 图3 7 表9 参7 9 关键词：高压水；冻结井壁；模型试验；渗漏水；温度裂纹；水力劈裂 分类号：t d 2 6 5 3 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h en e wv e r t i c a ls h a f to fc o a lm i n ec r o s s o v e rs p e c i a lt h i c ka l l u v i u m , i t a d o p t sc o m p o s i t es h a f tl i n i n gw h i c hi sc o m p o s i t eo fd o u b l e l a y e rl a m i n a t e dp l a s t i ci n r e i n f o r c e dc o n c r e t ew a l ls t r u c t u r ew h e n s u p p o r t i n gf r e e z i n gs h a f tw a l l a l t h o u g hi th a s b e e nu s e di nf r e e z i n gw a l l ，i th a sn o tr e s o l v e dt h ep r o b l e mo f l e a k a g ew a t e ro ff r e e z i n g s h a f tw a l l ，a n di tw i l lb e c o m e sm o r es e r i o u s i no r d e rt os o l v et h et e c h n i c a lp r o b l e m s i nt h i sp a p e r , i th a ss t u d i e so nm e c h a n i s mo f l e a k a g ew a t e ro ff r e e z i n gs l 埝rw a l lu n d e r h i g h - p r e s s u r ew a t e rt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h eb a s i so f s e a r c h i n ga v a i l a b l ei n f o r m a t i o nb o t ha th o m ea n da b r o a d i nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa s p e c t , i th a sa n a l y z e dt e m p e r a t u r es t r e s sa n ds u f f e r e di n t h ef r e e z i n gt e m p e r a t u r ew a l lu n d e rs t r e s sc r a c k , c a l c u l a t i n go ft h e r m a ls t r e s so f c o n c r e t e ，a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fe o n c r e t ef r e e z i n gw a l l ，a n a l y s i so f c o n c r e t ec r a c k s ，e x p a n s i o na n dt h r o u g h , a c c o r d i n gt o t h e p r i n c i p l e o fd a m a g e m e c h a n i c s ，a n a l y s i so fm e c h a n i s mo fl e a k a g ew a t e ro ff r e e z i n gs h a f tw a l la c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo fh y d r a u l i cf r a c t u r i n g ；i nt h em o d e lt e s ta s p e c t , t od e s i g no fm o d e l a c c o r d i n gt os i m i l a r i t yt h e o r yi no r d e rt os i m u l a t es e e p a g ew a t e ro ft h ef r e e z i n gw a l l i t h a ss t u d i e do nm o d e lt e s to fs h a f tw a l lc o n t a i n i n gc o l dc o n s t r u c t i o nj o i n t sa n d t e m p e r a t u r e sc r a c kc o n t a i n i n gw a l lu n d e rh i g h p r e s s u r ew a t e ra n di n s p e c t e do f c o n c r e t em o d e lf o rw a t e rl e a k a g ew i t hc r o s s h o l er e s i s t i v i t yc tt e c h n o l o g ya n d u l t r a s o n i c t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e st h a tt h ee o n s t r u d i o nc o l dj o i n t su s u a l l yd o e sn o t p r o d u c el e a k a g eo fw a t e ru n d e rp r e s s u r ew a t e r w h i l ep r o d u c i n gc r a c ku n t i ll e a k a g eo f w a t e ru n d e rt e m p e r a t u r ec r a c ka n du n d e r s t a n d sm e c h a n i s mo fl e a k a g ew a t e ro f f r e e z i n gs h a f tw a l lf u r t h e r i nt h i sp a p e r , i tc a ns u p p l yt h ed e e p f r e e z ew a l lo fw a t e r l e a k a g ep r e v e n t i o nw i me x p e r i m e n t a le v i d e n c e f i g u r e37 t a b l e9r e f e r e n c e7 9 k e y w o r d s ：h i g h p r e s s u r ew a t e r ；f r e e z i n gs h a rw a l l ；m o d et e s t ；l e a k a g ew a t e r ； t e m p e r a t u r ec r a c k , h y d r a u l i cf r a c t u r e c h i n e s eb o o k s c a t a l o g ：t d 2 6 5 - 3 + 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞邀理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：二垒盐日期：丛哗年j 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮垄王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徼堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究 课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：李参耘 签字日期：呷年彳月，6 日 导师签名： 如陟 签字日期：知归，月旷日 1 绪论 1 1 课题提出 1 绪论 随着对矿产资源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部资源日益减少， 煤炭是我国最重要的一次能源，为确保国民经济的可持续发展，除加大对现有老 矿井挖潜改造外，最主要的是要进行新型大型矿井建设，新建矿井多需穿越深厚 的第三和第四纪表土冲积层，如在山东、安徽、河南和河北等省，新建煤矿井筒 穿过的表土层厚达4 0 0 - - 8 0 0 m 。在如此深厚的表土层中建井，大多采用人工冻结 法施工。 冻结法凿井是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然土层变成冻土， 增加其强度和稳定性，隔绝地下水与作业空间的联系，以便在冻结壁的保护下进 行井筒掘砌旌工的特殊施工技术。我国自1 9 5 5 年首次在开滦林西风井使用冻结法 凿井以来，已采用该工法施工井筒5 0 0 多口。 在冻结井筒支护方面，主要采用双层钢筋混凝土塑料夹层复合井壁结构形式。 在外围冻结壁的保护下，外层井壁自上而下采用短段掘砌，内层井壁自下而上连 续浇筑而成，内外壁之间铺设塑料板夹层。 虽然这种井壁结构在我国的冻结井筒中得到推广应用，但它并没有从根本上 解决冻结井壁的开裂渗漏水难题。当外围冻结壁解冻后，大多出现渗漏水事故。 如山东金桥煤矿主井穿过表土层厚3 6 5 m ，在井筒竣工一年后，内壁于3 6 0 m 处突 然出水，初期涌水量为1 7 m 3 h ，随后逐渐增大，并带有大量泥沙，由于水压高达 3 5 m p a ，抢险难度大，最终导致井筒报废，工业广场大面积沉陷，井筒重新施工， 造成经济损失一亿多元。特别是近年来，随着冻结井筒穿过的表土层厚度增加， 内层井壁承受的水压力也越来越大，在高压水的长期作用下，井壁混凝土出现开 裂渗漏水的问题更加严重。如山东济西煤矿主、副井穿过表士层厚4 5 7 7 8 m ，在 井筒竣工二年后先后出水，涌水量最大达4 3 6 m 3 h ，通过多次综合注浆才得到治 理；淮北涡北矿风井穿过表上层厚4 6 0 m ，也在井筒竣工二年后于井壁多处出水， 涌水量达5 9 m 3 i l 。而淮南丁集煤矿主、副、风三个井筒穿过表土层厚约5 3 0 m ， 虽然井壁施工采用了高强高性能混凝土，但在停冻二年半后三个井筒先后多处出 水，涌水量最大达6 5m 3 l l ，且水压很大，给注浆堵水工作带来了很大的难度，严 重影响了矿井建设工期。而淮南顾北煤矿主、副、风三个井筒穿过表土层厚约 4 6 8 m ，也在停冻二年后先后出现涌突水事故，其中副井涌水量最大达1 2 7m 3 h ， 安徽理- 【大学硕十学位论文 通过前后三个月的治理才得到解决。又如河南新桥煤矿主井穿过表土层厚4 7 0 m ， 在冻结壁解冻后，井壁出现涌水，由于水压大，并夹有细沙，冲刷作用强，在混 凝土内蹙上形成一个大洞，险些造成埋井事故。另外，还有淮南矿区顾桥煤矿三 个井筒、张北煤矿三个井筒、潘北煤矿三个井筒、国投新集矿区刘庄煤矿四个井 筒、淮北矿区刘店煤矿三个井筒等，都先后出现了较大的涌突水事故，给矿井的 安全生产带来了严重威胁。 今后，随着新建井筒穿过的表土层加厚，水压力将增大到5 , - - - , s m p a ，井壁渗 漏水问题将变得更加突出、后果将更加严重。因此，要彻底解决这一技术难题， 首先必须要进行基础性研究，搞清其机理。 1 大温差、大温变作用 对于特厚表土层冻结井筒，井筒深部冻结壁平均温度为一1 5 , - - 2 0 、井帮温 度将达到1 0 , - - 一2 0 。c ，井筒空气温度为o c 左右，在此条件下采用短段掘砌施工 外壁，存在许多的接茬施工缝，使得外壁基本上不能封水，冻结壁解冻后地下水 通过外壁接茬缝进入内、外壁间而直接作用于内层并壁。内层井壁采用滑模或倒 模法自下而上连续浇筑而成，通常情况下内壁控制层位厚度为1 0 m 左右，为大体 积混凝土工程。为满足施工工艺和确保旌工安全要求混凝土早凝和早强，为此采 用了早强性水泥和掺加了早强性外加剂，从而使得混凝土的水化放热量大且集中， 虽然采用了高性能混凝土，但内壁中部混凝土的温度将达到4 5 6 5 c ，而冻结井 筒中环境温度低，通常为零下，外壁内表面己结霜。在如此大的内外温差( 4 5 - - - 6 5 c ) 作用下，混凝土极易产生温度裂纹。同时，根据工程实测，水化热达到最 高温度约在2 天左右，随后开始降温，到6 0 天左右，降到1 5 左右。在高达3 0 - - 5 0 的温变( 降温) 情况下，混凝土也将不可避免地产生收缩裂纹。这些都将给 今后的井筒渗漏水留下了隐患。 2 多向应力作用 根据井壁设计理论和工程实测表明，当冻结壁解冻后，内层井壁受到静水压 力、自重、竖向附加力和壁筒支持力等共同作用f ，结构中混凝土处于多向应力 状态，即由外缘的三向应力转变为内缘的二向应力，在多向应力作用下，井壁混 凝土中的原有缺陷也将发生变化。 3 高压水作用 当冻结井壁施工结束、外围冻结壁解冻后，表土含水层水直接作用于钢筋混 2 1 绪论 凝土井壁上，对于4 0 0 - - 一8 0 0 m 特厚表土层，砂层水压将达到4 - 8 m p a ，在这一高 压水的长期作用下，井壁混凝土中原有裂纹等缺陷损伤将逐渐扩展、贯通开裂， 而导致井筒渗漏水事故。 由此可见，特厚表土层冻结井壁混凝土的体形特征和受力情况特别复杂，其 渗漏水的原因也是多元的和综合的，但归根结底，冻结井壁的渗漏水总是经由井 壁混凝土的裂缝萌生、扩展和贯通所引起的，从这个意义上说，对冻结井壁混凝 土损伤演化机理进行研究是最最基本的，对解决冻结井壁和其他行业混凝土结构 的涌突水难题都具有十分重要的科学意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状及发展动态分析 在特厚表土层冻结井简钢筋混凝土井壁研究方面，目前主要进行在外荷载作 用下结构的力学特性试验研究和数值计算，如崔广心研究了深厚表土层中井壁承 受的外荷载【1 】，姚直书研究了深表土地层中高强钢筋混凝土井壁在外荷载作用下 的力学特性【2 】，为解决深厚表土层冻结井筒的支护难题，程桦研究了冻结井壁预 制弧板井壁接头刚度模型 3 1 ，吕恒林进行了钢筋混凝土井壁与深厚围岩( 土) 耦 合机理研究【4 】。在冻结井壁温度应力研究方面，王衍森和黄家会等进行了特厚表 土层冻结井壁温度实测研究 5 , 6 1 ，经来旺研究了冻结法施工中温度变化对井壁强度 的影响和对冻结壁融化阶段井壁温度应力【7 ，引。从目前的文献检索来看，还没有见 到进行高压水作用下冻结井壁渗漏水机理试验研究的文献。但在其他行业和基础 科学研究方面，混凝土在多场耦合作用下损伤演化规律是目前国内外研究的热点， 也是解决工程问题的基础。 混凝土是一种多相颗粒组成的复合材料，在冻结井壁混凝土浇筑成形过程中， 将不可避免地存在各种缺陷，而混凝土中的相界面也是较薄弱之处，易发生界面 裂纹，虽然这些缺陷和微细裂纹是不连续的和随机的，但当混凝土井壁在温度、 高压水和荷载等外界因素作用下，不仅原有的这些裂纹和缺陷会发展，而且还将 出现一些新的微裂纹，再经微裂纹的汇集和扩展而贯通。 温度荷载是混凝土结构的主要荷载之一，尤其是在施工期问，温度荷载将引 起温度损伤，并可能发展成温度裂缝，国内外在这方面己进行过大量研究。如王 振波通过对混凝土坝破坏的温度损伤机理分析和试验研究，建立了混凝土温度损 伤的演变方程，并进行了计算分析 9 1 。b a z a n tzp 对混凝土温度场和湿度场的耦 合作用进行了定性分析【l 们，焦修刚通过研究，给出了混凝土温度场和湿度场的耦 3 安徽理：r 大学硕士学位论文 合方程组的数值解法【l ，王振波又基于微观断裂理论提出了二维平面微观模型的 温度损伤计算模型，但是应用于工程结构的有效性还有待于进一步研究i l2 。 高压水作用下混凝土损伤演化及裂纹扩展机理，实质上是水力劈裂和渗流场 问题，在这方面，也有一些研究文献。盛金保对混凝土面板坝的渗流分析方法进 行了探讨1 1 引，张有天对三峡永久船闸混凝土边墙极端不利外水压力进行了分析 1 4 l ，给出了有益的结论，陈卫忠将裂隙岩体应力渗流耦合模型应用于压力隧洞工 程【l5 1 ，是将裂隙岩体的先进研究成果应用于混凝土结构中。朱岳明针对碾压混凝 土坝成层施：1 二特点及其渗流特性，提出了缝面渗流平面单元模拟法，可精细方便 地模拟大坝中层面、缝面和裂缝的渗流行为【1 们。 由此可见，国内外学者对温度和水力作用下混凝土损伤演化机理进行了大量 研究，为以后的研究工作奠定了基础。但由于考虑的主要因素不同、分析方法不 同以及选取参数不同，研究内容和所得结果也不相同，并主要是从事数值分析， 缺乏具体的实验研究工作。特别是在高压水作用下钢筋混凝土损伤演化和渗漏水 机理缺乏针对性研究。 为此，本论文将进行高压水作用下的模拟试验，搞清冻结井壁裂纹扩展和渗 漏水机理，为解决特厚表土层冻结井壁渗漏水技术难题提供试验依据。 混凝土作为当今最主要的工程建筑材料，在各个工程领域都得到越来越广泛 的应用，随着煤矿井壁、隧道工程、水利大坝、高压引水管道、深基坑工程、核 电站等工程建设的快速发展，混凝土开裂、渗漏水问题将变得更加突出，危害性 也变得更大，因此，开展本论文的研究有着实用价值。 1 3 研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 目前穿过深厚表上层的煤矿井筒大多采用人工冻结法施工。在冻结井筒支护 方面，主要采用双层钢筋混凝土塑料央层复合井壁结构形式。虽然这种井壁结构 在我国的冻结井筒中得到推广应用，但它并没有从根本上解决冻结井壁的开裂渗 漏水难题。今后，随着新建井筒穿过的表土层加厚，水压力将增大，井壁渗漏水 问题将变得更加突出。为此，本文主要进行了以下方面的研究： 1 ) 论文在检索国内外现有资料的基础上，将采用理论分析和试验研究相结合 的方法进行研究。 4 1 绪论 2 ) 在理论分析方面，全面分析了冻结井壁所受温度应力及在温度应力作用下 冻结井壁裂纹的产生。根据冻结井壁混凝土的力学性能，计算混凝土温度应力； 根据损伤力学原理分析混凝土裂纹的产生、扩展和贯通；根据水力劈裂原理分析 冻结井壁渗漏水的机理。 3 ) 在模型试验方面，根据有关参数制作模型进行模型试验，模拟混凝土开裂 及施工冷缝和温度裂纹渗漏水情况。将试件加工为6 0 0 m m x 6 0 0 m m x 6 0 0 m m 的立 方体试块，共2 块，分别进行了高压水作用下含有施工冷缝和温度裂纹井壁模型 试验的研究，并分别采用跨孔直流电阻率法c t 技术和超声波法检测混凝土模型 裂纹扩展及渗漏水情况。 4 ) 通过高压水作用下冻结井壁渗漏水机理试验研究，从而对冻结井壁渗漏水 机理有了进一步的认识，本次试验研究结果可为深冻结井壁渗漏水防治措施的确 定提供试验依据。 5 安徽理j i ：大学硕： = 学位论文 1 3 2 技术路线 综上所述，本论文研究的技术路线如下： l 收集相关资料，了解国内外的研究现状，确定课题的研究内容和预期目标 1 r 1 r1r 根据有关原理建 根据有关参数制作 立理论分析模型 模型进行模型试验 1 r1r 根据简化模型整理试验数据，对 进行理论分析试验结果进行分析 1r 对两种研究方法进行相互比较和验证，得出结论，为今后该类井壁的 设计和施- 提供基础资料 6 2 冻结井壁温度应力分析 2 冻结井壁温度应力分析 根据前章的介绍，由于我国中东部地区浅部煤炭资源的枯竭，新建矿井多需 穿越深厚表土层，在如此深厚的表土层中建井，大多采用人工冻结法施工。在冻 结井筒支护方面，主要采用双层钢筋混凝土塑料夹层复合井壁结构形式。但这种 井壁结构并没有从根本上解决冻结井壁的开裂渗漏水难题。研究表明1 7 1 ，导致井壁 混凝土开裂的各种应力中温度应力占的比重最大，对井壁开裂渗漏水起决定作用。 因此，本章主要针对冻结井壁所受的温度进行分析。 2 1 温度应力 众所周知：温度的变化能够引起变形，称为热变形。热胀冷缩是人们所共知 的自然现象，是热变形的例子。但是单有温度的变化，不一定在物体内产生应力， 只有当温度变化所引起的膨胀或收缩受到约束时，才会在物体内产生应力，这种 无外力作用而是由于温度变化引起的热变形受到约束而产生的应力，称为热应力 或温度应力。这是一种非外力作用所引起的应力，导致热应力的根本原因是温度 变化与约束作用。 近代线性热应力理论创始于1 8 3 5 年，1 8 3 6 年2 月，法国人j m c 杜哈梅尔 在法国科学院发表演讲，初次提出：当温度变化时，由于物体的一部分受到某些约 束，就要产生热应力。稍后在1 8 4 1 年，德国人f 诺伊曼在其著作中，初次主张导 出线性热应力理论。两者内容没有特别不同之处，故通常将现代的线性热应力理 论称为杜哈梅尔一诺伊曼理论。 2 2 冻结压力产生的环向和径向压应力 冻结压力：冻结施工期问，冻结壁作用于井壁上的侧压力称为冻结压力。它 是由土层的原始应力、土层中水结冰时体积膨胀、粘土吸湿后体积膨胀以及冻土 的蠕变等冈素形成。冻结压力其实为冻胀力【1 7 】。影响因素有1 1 8 , 1 9 1 ：土性、深度、 冻结温度、段高、冻结壁厚度和施工工艺等。冻结压力通常按以下经验公式计算： 兄= 1 7 4 x ( 1 一p 0 0 2 月) 当h 1 0 0 m 时， 只= 0 0 0 5 h + 1 o( 2 一1 ) 不同地区、同样土层同样测深，冻结压力却差别很大，有的甚至相差数倍。 7 - 因此在设计取用冻结压力值时，还应参考本地区的实测成果，结合实际地层和冻 结情况，做到计算与实际相结合，合理地选取设计数据。 b 7 r 澎赫 弋jf 一心 力卜套 辟 爷 图1 并壁受力图 f i 9 1s h a f tl i n i n g sf o r c ed i a g r a m 冻结压力直接作用于外层井壁，是外层井壁设计的主要依据。在水平冻 结压力易作用下( 如图1 ) ，外壁井壁中的应力可按拉麦公式刚求解，即 混凝搠缘的勘为：= 一筹( + 等) 旷一筹旧) 吒= 一丽2 v p d b 2 式中： 仃口、盯，、仃：井壁中的环向、径向、竖向应力，a ； a 、6 井壁的内、外半径，m m ； 厂计算点到井壁中心距离，m m ； y 混凝土的泊松比，取0 2 ； 只水平冻结压力，m p a 。 当，= a 时，即混凝土内缘的应力为： 盯口( ) = 一丽2 p a l b 2 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 2 冻结井壁温度虑力分析 e r r ( ，。) = 0 c r z 忙广等 2 3 温度降低引起的竖向约束温度拉应力 ( 2 6 ) c 一7 ) 研究表明温度降低使冻结井壁在竖向受到拉应力。图2 、图3 为某矿现场实测 的混凝土竖向应变变化曲线。可以看出，在深厚粘土层冻结井筒外壁混凝土在竖 向一般产生拉应变。经过分析表明，这是由于混凝土在浇注后，水化热温度达到 3 5 0 5 0 0 ( 如图4 、图5 ) ，随后开始降低，混凝土产生收缩，而冻结壁对混凝土竖 向产生约束作用，于是在竖向混凝土产生了较大的约束温度拉应力【2 l 】。从有关冻 结井筒外壁出现环向裂缝吲来看，多数是由温度应力引起的，当温度降低产生拉 应力时，井壁容易出现环向裂缝。井壁竖向拉应力的大小与混凝土水化热高低和 冻结壁变形大小有关，当冻结壁变形大，外壁受到的冻结压力增加，井壁收缩受 到的约束将变大，混凝土中受到的拉应力随之增加。从图4 、图5 可以看出，大概 分别在9 0 和5 5 天左右温度最低，此时图2 、图3 中混凝土的拉应变最大。 图2 副井第三水平( 一4 1 7 9 米) 砼竖向应变变化曲线 f i g u r e2 c o n c r e t e v e r t i c a ls t r a i nc h a n g ec u l n eo nt h et h i r dl e v e l ( - 4 1 7 9 m ) o f a u x i l i a r ys h a f t 一9 安徽理：r 大学硕： = 学位论文 图3 副井第五水平( - 5 0 1 米) 砼竖向应变变化曲线 f i 宙c o n c r e t e v e r t i c a ls t r a i nc h a n g ec u i v eo nt h ef i f t hl e v e l ( - 5 0 1 m ) o f a u x i l i a r ys h a f t 图4 副井第三水平( 一4 1 7 9 米) 并壁温度随时间变化曲线 f i 9 4s h a f t t e m p e r a t u r ef o l l o wt i m ec h a n g ec u r v eo nt h et h i r dl e v e l ( - 4 1 7 9 m ) o f a u x i l i a r ys h a r 1 0 2 冻结井肇温度应力分析 图5 副井第五水平( - 5 0 1 米) 井壁温度随时间变化曲线 f i 9 5s h a f t t e m p e r a t u r ef o l l o wt i m ec h a n g ec u r v eo nt h ef i f t hl e v e l ( - 5 0 1 m ) o f a u x i l i a r ys h a f t 计算约束温度应力时，假设井筒有一平均温度，随时间变化，井筒由一高的 平均温度f ，将至另一低的平均温度f ：，使井筒各部分产生均匀收缩，同时把土层看 作为被加强了的地基，对井壁进行约束，使井壁不能自由收缩，称为约束温度应 力。 轴向约束温度应力：假设外层井壁与冻土间的约束剪力f 与变形u 成j 下比，如 图6 所示。 z + l - t + +i - _ + n 1 r r1 4 - l + 刁 +i -_ + ! + +i - _ + l + n + 一 i i -_ + + l i - - 4 + i + c 汁dq ：一蛾 l o 图6 纵向约束温度应力计算简图 f i 9 6t e m p e r a t u r es t r e s sc a l c u l a t i o nd i a g r a mw i t hv e r t i c a lr e s t r a i n 安徽理丁大学硕十学位论文 根据弹性力学理论可导得轴向约束温度应力为口3 】 咖础丁( 1 _ 南) = 璧 式中： 仃竖向约束温度应力，m p a ； 计算系数； 如双曲线余弦函数表示符号； a t 。井壁降温的温差，a t = t l f 2 ，； 厅并壁厚度，h = b 一口，咖； 日井筒深度，砌； 盯- 、混凝土线膨胀系数； e 混凝土弹性模量，n m m 2 ； c 粘结力系数，见表1 。 表1 粘结力系数c t 曲l e lt h ec o e 伍c i e mo f b i n d i n gp o w e rc ( 2 8 ) ( 2 9 ) 2 4 内外壁温差引起的应力 随着冻结壁的解冻，井筒周围的表土将恢复到该地区的常年温度，由于井筒 外壁与该段表土始终接触，因此，井筒外壁温度近似等于表土温度；井简的内壁 因接触温度随季节变化的空气，因此，内、外壁温差始终都存在着；这种温差既 会导致竖向温度应力，同时还会导致环向和径向温度应力。根据文献 2 4 ，2 5 ，此种 因素引起的温度应力应按下式计算。 2 冻结井肇温度应力分析 q 2 堂2 ( 1 - p 盟) l nb - b - 卜一寿c i 一多h 钥b 等卜詈一高。+ 多h 匀 吒2 嚣卷卜軎一丽2 a 2 h 匐b 式( 2 1 0 ) 中： a _ _ 熟应力系数； b 爿壁的弹性模量( m p a ) 。 t a ，t b 井壁内、外壁温度5 l 卜爿壁的泊松比； a ，b _ 爿壁内、外半径； 卜_ 计算点到井筒中心的距离。 已知内外壁的温度就可以求解出井壁内产生的温差应力大小。 2 5 温度升高引起的径向约束温度拉应力 ( 2 1 0 ) 冻结壁解冻后，随着温度升高，冻结井壁除了会发生纵向伸长外，同时还会 发生径向位移；由于壁外表土的存在，在径向位移的过程中，不可避免地会受到 轴对称径向外压的作用；因此，此处考虑温度影响，而不考虑地压作用，且近似 认为表土沿轴向均匀分布，故井筒所受的径向外压沿轴向是近似均匀分布的：此 种情况下，井壁中径向及环向应力均可由弹性理论【2 4 2 5 1 中拉梅的解答求出，即 力： 仃：= 一 b 2 r 2 一a 2 b 2 丽丁万吼 6 2 ，2 + 口2 b 2 仃；一而研吼 ( 2 - 1 1 ) 因此，此问题属平面应变问题，故由广义胡克定律【2 6 1 即可求出相应的竖向应 虻刊咖西) _ _ 筹吼 ( 2 - 1 2 ) 式中q 。为井筒受热膨胀过程中承受的来自于表土的压力，它的求解需考虑静 一1 3 安徽理j 人学硕士学位论文 不定理论【2 6 1 、w m k l l e 地基模型【2 7 - 2 9 1 及轴对称厚壁圆筒的弹性理论【2 4 3 0 ，3 1 1 。如图7 所示，1 代表井壁变形前的位置；2 代表不考虑表土阻碍情况下外井壁受热变形后 的位置：3 表示在温度及表土共同作用下外井壁的最终平衡位置。 图7 并墅径向变形不恿图 f i 9 7t h er a d i a ld e f o r m a t i o n o fs h a f cw a l l 根据材料学中的静不定理论【2 6 】，三者之间应存在如下关系： b g o = j + ( 2 1 3 ) 由硼n k l e r ：地基模型1 2 7 1 和轴对称厚壁圆筒的弹性理论【3 2 】得到： 知= b 口一“p ：+ c r f ) 】+ 口r r ( 2 1 4 ) s = 铷= 南 学小川 将式( 2 1 0 ) 、( 2 1 4 ) 及( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 3 ) 中，可求出的大小。 式( 2 1 3 ) 一( 2 1 5 ) 中： u r 外井壁在压力q 。作用下产生的径向位移( m ) ，t = t ( r ) ； 卜_ 夕h 井壁在温度及表土共同作用下产生的位移( m ) ； 仅r - 井壁的材料膨胀系数； l 卜与表土的性质有关的表示发生单位位移所产生的反力的机床系数 ( k n o ) 。不同性质土k 值不同，见表2 。 由式( 2 1 3 ) 一( 2 1 5 ) 计算出的温度应力的大小实际上指井筒径向膨胀受阻产生的 2 冻结井壁温度应力分析 约束力。 表2 不同性质土k 值嘲 仉l b l e 2kv a l u e so fd i f f e r e n ts t r a t u m 2 9 1 2 6 融沉温度应力 对于受冻的土层，其在解冻后会发生融沉，产生融沉位移1 3 3 。3 5 】，对井壁也要 产生竖向附加力，此为温度变化引起，故也称为温度应力。 引入融沉率的概念，则土层融化后产生的位移s 为融沉率乘以相应的土层厚 度。土层和井壁相互作用产生的竖向附加力计算公式为【3 6 】： 吒= 等r f ( 2 - 1 6 ) ( z ) d z ( 2 - 1 6吒2 了土f f(z)=毛s(217) 式( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 0 0 ： n 井筒外径，a 为井壁横截面积( i n 2 ) ： k 广_ 土层与井壁的切向刚度系数( m p m ) ； 卜土层的融沉位移。 综上可得到以下结论：冻结法施工的井壁在施工前后产生的总的温度应力的 大小应该由四个部分组成：一为井筒沿深度方向膨胀受阻产生的可以称为纵向约 束温度应力，二为井筒内、外壁的温度差产生的可以称为自生的温度应力，三为 井筒沿直径方向的膨胀受阻产生的可以称为径向约束温度应力，四为土层融化对 井壁产生的融沉力。 1 5 安徽理“【大学硕士学位论文 3 高压水作用下冻结井壁渗漏水机理分析 3 1 冻结井壁混凝土的损伤理论 损伤力学是2 0 世纪7 0 年代发展起来的新学科。它源于古典的材料力学和断 裂力学，同时也是材料力学和断裂力学的发展和补充。材料或结构的宏观力学性 能的发展，劣化直至破坏全过程的机理、本构关系、力学模型和计算方法是研究 者们非常关注的问题，也使用了各种理论和方法从微观和宏观方面进行了分析。 研究者通过断裂力学理论建立了宏观裂纹起裂、裂纹的稳定扩展和失稳扩展的判 据，但是断裂力学无法对宏观裂纹出现前材料中微缺陷或微裂纹的形成发展及其 对材料力学性能的影响作出分析评价。损伤理论正是在连续介质力学的基础上用 固体力学的方法建立起有损材料的本构关系及损伤演变方程，从而与断裂力学共 同对材料或结构从存在原生缺陷到形成宏观裂纹直至断裂的过程进行研究【3 7 羽】。 3 1 1 损伤力学的产生和基本概念 材料内部存在的分布缺陷，如位错、夹杂、微裂纹和微孔洞等统称为损伤。 任何材料在制造过程中，总是不可避免地会在其内部存在一些微缺陷，在使用过 程中，在外界因素( 如荷载、温变、疲劳、环境腐蚀等) 的作用下，这些微缺陷将 不断发展合并，形成宏观裂缝，宏观裂缝继续扩展必将最终导致材料的破坏。损 伤力学理论就是为了研究材料内部微缺陷的产生和发展所引起的宏观力学响应及 最终导致材料破坏的过程和规律而建立的一门学科【4 0 】。它认为结构中的损伤使实 际的结构材料既不均质也不连续，并且这种不均质和不连续还将随变形过程不断 演化。损伤力学的特点就是研究含损伤材料的性质和这种变形过程中损伤的演化 及发展。 1 9 5 8 年，k a c h n o v 学者在研究金属的蠕变破坏时第一次提出了“连续性因子” 和“有效应力 i 4 1 的概念，其后，r a b o t n o v 学者又引入了“损伤因子 的概念1 4 2 1 。 1 9 7 1 年，l e m a i t r e 学者将损伤概念用于低周疲劳研究1 4 引。1 9 7 4 年，英国学者 l e c 虹e 【“1 和瑞典学者h u r t 4 5 】在蠕变的研究中将损伤理论的研究向前推进了一步。 7 0 年代中期和末期，各国学者相继采用连续介质力学的方法把损伤因子作为一种 场变量逐步形成了损伤力学的框架和基础。8 0 年代中期，能量损伤理论和几何损 伤理论相继形成。能量损伤理论以连续介质力学和热力学为基础，将损伤过程视 为不可逆的能量转换过程。几何损伤理论认为材料中的缺陷造成了材料的损伤， 损伤度的大小和损伤的演变与材料中微缺陷的尺寸、形状、密度及其分布有关。 一1 每 3 高压水作用下冻结井壁渗漏水机理分析 d y s o n , b u i 和d a n gv a n ，k r a j c i n o v i c 和f o n s e k a , s u p a r t o k o 和s i d o r o f f 等学者的研究 成果都对损伤理论的形成和发展作出有益的贡献。 损伤力学可以分为连续损伤力学与细观损伤力学。连续损伤力学将损伤材料 的内部缺陷理解为一种连续的损伤场，引入损伤变量，利用连续介质力学的方法 研究从材料内部损伤到出现宏观裂纹的过程。细观损伤力学根据材料细观成分单 独的力学行为，采用某种均匀化方法，将非均质的细观组织性能转化为材料的宏 观性能，建立分析计算理论。 根据材料的变形性质，损伤可分为弹性损伤、弹塑性损伤、蠕变损伤、疲劳 损伤、腐蚀损伤、剥落损伤等。 3 1 2 损伤力学的研究方法 物体中存在的损伤是种场变量，它和应力场、应变场及温度场的概念 相似。所以在分析时首先要在物体内某点选取单元体，并假设该单元体内的应力、 应变和损伤都均匀分布，这样就能用连续介质力学的方法对损伤及其对材料力学 性能的影响做系统的分析。分析过程一般分为四个步骤：首先，选取合适的损伤变 量以描述材料的损伤状态，选取时应注意易于测量且便于与宏观力学量建立联系： 其次，建立损伤演变方程；再次，建立包含了损伤变量的材料损伤本构关系：最后， 根据初始条件和边界条件解出材料各点的应力、应变及损伤度。根据各点的损伤 度判断各点损伤状态，由新的损伤状态建立新的边界条件，再重复上述求解过程 直至达到构件的破坏准则。 损伤力学的研究方法大致可以分为三类：金属物理学方法、唯象方法和统计方 法。 金属物理学方法主要从细观或微观的角度研究材料微结构( 微裂纹和微孔洞) 的形态和变化及其对材料宏观力学性能的影响。虽然目前微观结构的变异和宏观 的力学响应之问的相互关系难有合理的解释，但仍可以用微观观察的结果来帮助 阐明损伤演变过程和对宏观力学行为的影响，所以，金属物理学方法可作为损伤 力学研究的辅助方法。 唯象学方法是唯现象而论的，它是从宏观的现象出发并模拟宏观的力学行为。 宏观唯象学研究的目的是在材料的本构关系中引入损伤场变量，使得含损伤变量 的本构关系能真实描述受损材料的宏观力学行为。这种方法的基础是连续介质力 学和不可逆热力学。 统计方法认为在损伤的初期，微裂纹、微空洞等缺陷是随机性分布的。 在这一阶段，损伤变量场可以抽象为一个具有随机性特征的场变量。因此，可用 1 7 - 安徽理工人学硕士学位论文 细观方法研究个体微缺陷，再用统计学方法归纳出损伤场变量。 3 1 3 损伤变量 在损伤力学分析中需要选择恰当的变量来描述材料的损伤状态。材料的 损伤将引起材料微观结构和某些宏观物理性能的变化，因此，度量损伤的基准可 以从微观、宏观两个方面选择确定。在微观方面，可以选用空隙或微裂纹的数目、 长度、面积和体积等；在宏观方面，可以选用弹性系数、屈服应力、拉伸强度、 伸长率、电阻、密度、超声波速及声辐射等。比较合适的损伤变量应具有明确的 物理意义，便于分析计算及试验量测。基于以上两种基准，可以使用直接法和间 接法测量材料的损伤。在不同的情况下，可以将损伤变量定义为标量、矢量和张 量。 3 1 4 有效应力 k a c h a n o v 学者在1 9 5 8 年提出用连续度来描述材料的损伤。他认为材料劣化 的主要原因是缺陷导致了有效承载面积的减少。以一维拉杆为例( 见图8 ) ，材料 蠢= o 誉 o = 一 图8 受轴拉酉杆的有效应力 f i 9 8e f f e c t i v es t r e s so fs t r a i g h tb a ru n d e ra x i a lt e n s i o n 完全无损时其横截面积为a ，损伤后，其有效承载面积减小为a ，则连续度用标 量 y 定义式( 3 。1 ) ： 吵：竺(3-1) 吵2 一a 1 ) r a b o t n o v 学者在1 9 6 3 年引入连续度的一个相补参：量一损伤变量d ，见式 ( 3 - 2 ) 。 3 高压水作用下冻结井壁渗漏水机理分析 d ：_ a - a ：l 一少( 3 - 2 ) 彳 。 d 也是一个标量，在无损状态下，d = 0 。而d = i 为理论上的极限损伤状态， 即完全损伤。 令o r = 州彳为单轴拉伸时横截面上的名义应力，孑= 叫彳为作用于试件有效 截面上的应力，则： f = 仃a = 子a ( 3 3 ) 得到： 孑：!(3-4) 缈 式中：孑子为单轴拉伸时的有效应力。 3 1 5 应变等价原理 直接测定受损材料的有效面积比较困难，因此l e m a i t r e 学者提出了应变等价 原理，通过这一原理来间接的测量材料的损伤。应变等价原理表述如下：假设应 力盯作用在受损材料上引起的应变与有效应力孑作用在无损材料上引起的应变等 价。如图9 所示： i l l j 1ll ，1 l 、产 、口 、 m + o tj j l ”一 “毒1 图9 应变等价原理 f i 9 9e q u i v a l e n c ep r i n c i p l eo fs t r a i n 根据这一假设，可以得到 s = 6 | e = 子| e = o r ( 1 一d e q 一砩 即o r = e ( 1 一d 弦 ( 3 6 ) 由式( 3 6 ) 就可以通过无损材料的名义应力得到受损材