（岩土工程专业论文）冻结井壁设计理论体系研究.pdf

摘要 摘要 本文通过对冻结井壁结构设计理论体系进行研究，对井壁设计方法从总体上 进行分析，尤其是从可靠度方面考虑各种方法的优劣；并对现行的规范中概率设 计法进行研究，得出了现行规范中结构设计的一些不足之处。根据大量实测结果、 设计经验和新颁布的一些规范，运用概率论和数理统计方法，对冻结井壁所承受 的荷载以及它本身所具有的结构抗力进行分析。利用极限状态方程，应用“j c ” 法和c + + 语言对井壁结构的可靠度进行计算，以确定现行的井壁的安全性并计算 了冻结井壁结构的可靠性指标，此计算结果和目标可靠性指标相差不大，但略高 于目标可靠性指标。依据目标可靠性指标，对冻结井壁进行概率极限状态设计。 使得冻结井壁设计方法由定值法向概率法顺利过渡，并使之与有关的概率设计规 范进行了良好的衔接。 图1 3 表1 9 参4 5 关键词：冻结井壁；可靠性分析；目标可靠度；概率极限状态设计 分类号：t d 2 6 5 1 安徽理：l = 人学硕十学位论文 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nd e s i g nt h e o r yo ff r e e z i n gs h a f tl i n i n g ，a n di n t e g r a l a n a l y s i st h ed e s i g nm e t h o d f o rt h es h a f tl i n i n g ，e s p e c i a l l yw h e nc o m p a r a t i v er e s e a r c h o i le v e r ym e t h o d s ，t h er e l i a b i l i t yl e v e li sc o n s i d e r e d ；s t u d yt h ep r o b a b i l i t yd e s i g n m e t h e o do nt h ec u r r e n tc o d e ，o b t a i n e ds o m ed r a w b a c k si nt h ec u r r e n ts t r u c t u r e d e s i g n a c c o r d i n gt oal a r g ea m o u n to fd i r e c ts u r v e yd a t a , p r i o r id e s i g ne x p e r i e n c ea n d n e wc o d e ，i nt h ep a p e r , t h e r eh a v eb e e nw o r k e do u tl o a ds t a n d a r dv a l u ea n dd i s t r i b u t i o n f u n c t i o na n dt h es h a f tl i n i n g sr e s i s t a n c eb ym e a n so fp r o b a b i l l i t ya n dm a t h e m a t i c a l s t a t i s t i c s u s i n ge s t a b l i s h e dl i m i ts t a t ee q u a t i o n s ，t h er e l i a b i l i t yi n d e xi sc h e c k e db yt h e “j c ”m e t h o da n dt h e “c h ”c o m p u t e rl a n g u a g e i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ec a l c u l a t i o n r e s u l t si s s l i g h t l y a b o v et h e a i m i n gr e l i a b i l i t y o n t h eb a s i so fi t s t a r g e t r e l i a b i l i t y , p r o b a b i t i t yd e s i g nm e t h o df o rs h a f tl i n i n g i ss e tu p i th a sg o o dc o r e l a t i o n 、析t l lt h ep r o b a b l ed e s i g nc o d e d e v e l o p m e n to fd e s i g nm e t h o df o rs h a f tl i n i n gf r o m f i n a lv a l u et op r o b a b i l i t yh a sb e e nr e a l i z e d f i g u r e 13t a b l el9r e f e r e n c e 4 5 k e y w o r d s ：f r e e z i n gs h a f tl i n i n g ，r e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，t a r g e tr e l i a b i l i t y , p r o b a b l i t y d e s i g n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 2 6 5 1 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：了互压又日期：2 0 0 9 年月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵堡王太堂有保留、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盥 理王太堂。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。本人授权塞邀堡王太堂可以将学位论 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) 学位论文作者签名：i 己厶 签字日期：2 0 0 9 年月g1 3 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出和研究意义 近年来，为缓解日益突出的能源瓶颈问题，华东、华北等主要产煤地区新井 建设速度明显加快。由于该地区浅层煤炭资源已近枯竭，新建矿井多具有穿越表 土层厚( 4 0 0 - - 8 0 0 m ) 、地压大、地质条件复杂等特点，且多采用冻结法凿井。 冻结法凿井是在井筒开凿之前，用人工制冷的方法，将井筒周围的岩层冻结形成 封闭的圆筒一冻结壁，以抵抗地压，隔绝地下水，在冻结壁的保护下进行掘砌 工作的一种特殊凿井方法。冻结法凿井在煤矿特殊法建井中具有明显的优势，既 能用于不稳定的含水层，又可用于基岩含水层，既可用于立井，又可用于斜并及 风道口工程，适应性强，安全可靠，经济合理，工期有保证。但随着冻结深度的 加大，从井壁设计到井筒冻结，乃至凿井各环节均存在一些问题，其中井筒支护 即井壁结构问题尤为突出。多数冻结井壁存在不同程度的漏水问题，而采用防水 夹层的井壁厚度也越做越大，增大了掘进和混凝土工程量，施工难度加大，成本 提高。深冻结井的壁厚问题，已使得人们对冻结法在深井施工中的技术经济合理 性提出质疑。井筒是矿山的咽喉，根据冻结法凿井施工特点和受力特性，选择合 理的井壁结构设计理论，合理地设计井壁，对降低建井成本，保证矿井的安全生 产有着十分重要的意义。 国内所采用的冻结井井壁结构型式主要有有以下几种n 1 ： 1 ) 素混凝土井壁； 2 ) 钢筋混凝土井壁； 3 ) 内层钢板钢筋混凝土复合井壁； 4 ) 双层钢板混凝土复合井壁。 在上述的井壁结构型式中，我国自1 9 5 5 年采用冻结法凿井以来，以现浇钢筋 混凝土加聚苯乙烯泡沫塑料板结构井壁应用最广。该种井壁结构的内层自下而上 连续浇筑，施工条件好，质量易保证，封水性好。但随着新建矿井规模不断扩大， 井筒丌凿深度不断增加，地质条件也愈加复杂，无论采用钻井法还是冻结法施工， 为抵御强大的地压作用，对采用的钢筋混凝土井壁结构都需要慎重选择。 在越来越深的表土层中建井，当采用冻结法凿井时，就必须要设法提高井壁 的承载能力，采用高强井壁结构。由弹性力学和复合材料强度理论可知1 2 1 | 3 1 ，影 响双层钢筋混凝土井壁承载能力的主要因素有：井壁内径、井壁厚度、混凝土抗 安徽理一j ：人学硕士学位论文 压强度、钢筋和屈服极限。在实际设计与施工当中，井壁直径由井型设计所确定， 难以改变；对于深冻结井筒，井壁厚度受到井简直径、施工偏斜和壁后充填厚度 限制，难以增加。因此，为了提高双层钢板混凝土复合井壁的强度，一个有效的 技术途径就是提高充填混凝土的强度等级。 高强混凝土作为近代混凝土技术发展中的一种工程结构材料，不仅在国外得 到了广泛的应用，在国内的一些大、中城市中也在许多工程，如高层建筑与桥梁 工程中得到了应用。配制高强混凝土，其单位体积的成本费用显然会比普通强度 的混凝土有所增加，但据美国混凝土学会( a c i ) 高强混凝土委员会对一些相关 资料进行分析比较后发现1 4 1 ，在高层建筑与桥梁工程中应用高强混凝土，其综合 经济指标能较高地补偿配制高强混凝土所增加的成本费用，具有很好的技术经济 效益【5 】【6 1 。 在煤矿井筒施工中，特别是在冻结井壁中的高强混凝土应用近年来已逐步得 到推广。我国井壁混凝土强度等级经历了几个阶段，上个世纪5 0 至6 0 年代初， 井壁混凝土强度等级小于c 2 0 ；6 0 年代，强度等级提高到c 4 0 ；7 0 年代至8 0 年代初，井壁混凝土设计强度等级维持在c 4 0 ；进入9 0 年代，新建井筒穿过的表 土层越来越深，地压越来越大，同时高强混凝土的配制技术不断提高，地面建筑 已可配制并采用c 1 0 0 以上的高强混凝土，煤矿井壁支护也开始逐渐采用高强混 凝土，9 0 年代初采用的混凝土强度等级为c 5 0 ，以后提高到c 6 0 、c 6 5 。目前正 在施工的部分井筒井壁混凝土的强度等级高达c 7 0 、c 7 5 。从事高强混凝土井壁 应用研究的单位主要有安徽理工大学、中国矿业大学和煤科院建井所。安徽理工 大学曾利用模型试验对高强混凝土井壁的极限承载能力与混凝土的抗压强度之间 的关系、高强混凝土井壁材料的设计取值等进行了研究，并结合淮北矿区祁南中 央风井钻井井壁进行了高强混凝土配制和工业性试验。中国矿业大学建筑工程学 院曾与南京煤矿设计院、中煤第三建设集团公司等单位合作，开展了高强混凝土 的配制研究，在实验室配制出强度等级为c 7 0 、工程条件下达c 5 0 的高强混凝土， 其性能可以满足深井和大直径井壁对材料强度和耐久性的要求，并己应用于冻结 井筒井壁的施工中。煤炭科学院建井所为山东龙固煤矿主井提供了c 8 0 高强混凝 土的配方，现正被应用于井筒施工，该井筒混凝土强度等级是目前我国煤矿井筒 中最高的。 2 1 绪论 1 2 国内外结构可靠性理论研究及发展现状 1 2 1 概述 结构可靠性理论是研究和解决工程结构可靠性设计的一门科学，是可靠性理 论的一个分支。所谓结构可靠性，是指工程结构在规定的条件下和规定的时间内， 完成规定功能的能力。目前结构可靠性理论主要是对结构系统的安全性进行研究， 是狭义的结构可靠性理论。 早在公元前2 2 5 0 年，古代巴比伦王“汉漠拉比 制定的法规中就有涉及结 构可靠性的规定。而英国在1 8 4 0 年规定了房屋破坏载荷的安全系数为4 ，对铁路 桥梁考虑到强度的不确定性和各种动载荷的不定性，推荐采用安全系数为6 。由 于当时科学技术水平有限，对工程中的应力和抗力等问题的不确定性认识还处在 起步阶段，所以确定的安全系数很大。随着科学技术的发展，特别是相关学科的 发展，安全系数才被逐步降低下来 3 6 1 。 结构可靠性理论认为可靠度指标是一种比传统的安全系数更好的理论方法， 这一指标不仅反映了随机变量的均值对设计指标的影响，同时也反映了随机变量 的协方差对设计可靠性指标的影响。一般认为采用安全系数的设计方法是i 类设 计，而基于结构可靠性理论的设计方法是i i 类设计，是比安全系数方法更先进的 一种设计方法。 1 2 2 结构可靠性理论发展过程 1 、国际方面 2 0 世纪初期，有关学者开始应用概率与数理统计方法研究结构的安全度，利 用可靠度来代替工程中的安全系数。其中德国学者m m a y e r 在1 9 2 6 年提出计算 房屋结构的安全度，从此开始了对结构安全度的研究工作。当时m a y e r 提出了结 构可靠性分析的二阶矩方法，但是没有得到有关学者的足够认识，直到1 9 6 9 年 c o m e l l 等人在研究过程中发现二阶矩法对结构可靠性理论的重要性时，这才引起 有关学者对二阶矩法的注意，成为研究结构可靠性理论的基本方法。1 9 4 2 年，a m f r e u d e n t h a l 发表了“结构安全度”的论文之后，结构可靠性分析理论才广泛开 展起来。所以a m f r e u d e n t h a l 是结构可靠性理论的开拓者，他建议结构的安全 度应该采用一次二阶矩方法计算结构的失效概率。但这个时期结构可靠性理论的 发展速度缓慢，并没有取得实质性的理论突破。上世纪5 0 年代，欧洲和北美等地 区的相关学者逐步开展具有概率与统计性质的安全系数设计方法。这主要体现在 3 安徽理j ：人学硕十学位论文 前苏联1 9 5 5 年的规范和美国1 9 6 3 年制定的规范中。但是这些规范在理论和应用 过程中还存在很大的问题，很多具体问题没有得到很好的解决。1 9 5 1 年数学家 b o x 和w i l s o n 提出了结构可靠性理论的响应面法( r e s p o n s es u r f a c em e t h o d ，r s m ) 。 响应面方法主要包括结构可靠性的参数设计和参数估计两个方面，其主要思路是 用一个适当的函数来近似表示一个未知函数。当系统的输入与输出参数之间有某 种响应关系时，它是表示这种隐含关系的有效手段。1 9 8 5 年w o n g ，1 9 8 9 年s c h u e l l e r 和1 9 9 0 年b u c h e r 等人对推广应用r s m 方法做出了较大的贡献。 进入6 0 年代以来，结构可靠性理论发展速度较快。1 9 6 9 年c o m e l l 和1 9 7 2 年r o s e n b l u e t h 等人在他们的研究过程中提出一种安全检验的简单模型，其中包括 随机性统计现象。如果把该模型用t a y l o r 级数展开并保留其一次项，可得到局部 的线性近似，利用线性函数局部逼近非线性函数，这就形成了结构可靠性的一次 二阶矩方法。后来他们考虑到可靠性设计的数据积累和确定变量概率密度函数的 困难，提出仅用其均值和方差来表示变量的概率统计特征，提出了计算结构可靠 度指标的一次二阶矩实质性方法。他们指出把结构可靠性理论中的各种不确定 因素，按位置和波动单独表示，其中位置称为一阶矩，而波动称为二阶矩。但是 该方法有一个较大的问题，即当极限状态方程的形式不同时，得到的边界近似位 置也不同。 h a s o f e r 和l i n d 为解决可靠度指标的一次二阶矩方法由于其功能函数不同计 算结果也不同的问题，在1 9 7 4 年提出了一种改进的一次二阶矩方法，也被称为 a f o s m 方法。按a f o s m 方法计算得到相同的可靠度指标，最大失效概率点是 处在边界上的某一点上。他们对可靠度指标作了重新的定义：“在标准坐标系中， 从坐标原点到失效界面的最短距离称之为结构可靠度指标。 为解决结构可靠性基本随机变量不服从正态分布函数的问题，r a c k w i t z 和 f i e s s l e r 提出了在改进的一次二阶矩方法的基础上，利用当量正态化方法，解决了 随机变量为任意分布时可靠度指标的求解问题。因该方法考虑了工程实际的概率 分布函数形式，提高了一次二阶矩方法的计算精度，被国际结构安全度联合委员 会o c s s ) 所采用，并称为j c 法。 从此结构可靠性理论的基本框架已经形成，以一次二阶矩方法作为基础的计 算方法也进入实用阶段【7 - 1 7 1 。因此，许多国家以此为基础颁发和实施了新的结构 可靠度设计规范。1 9 7 1 年由六个国际组织联合成立了结构安全度联合委员会 o c s s ) ，并在当年公布了“结构统一标准规范的国际体系”，为结构可靠性理论研 4 1 绪论 究和应用打下良好基础。1 9 6 4 年美国混凝土委员会( a i c ) 成立专门的结构安全度 委员会，对结构可靠性理论进行系统的研究。 2 、国内方面 我国主要在上世纪5 0 年代后期和6 0 年代初期开始研究工程结构可靠性理 论。当时主要借鉴前苏联的研究成果和经验，结合极限状态方法的推广应用，探 讨用数理统计方法分析材料强度和荷载系数，并于6 0 年代提出用一次二阶矩法分 析与研究结构的安全系数。1 9 6 0 年土木工程学报发表的钢筋混凝土结构按照 数理统计法计算一文提出用数理统计法计算的安全系数与经验系数相结合来设 计钢筋混凝土构件，假定随机变量为正态分布，推导了辅助安全系数的表达式， 可以说是一次二阶矩理论在我国应用的开始【1 8 】【1 9 1 。1 9 9 3 年我国组织了数学家对 重大土木与水利工程的安全性、耐久性进行基础研究，在国家自然科学基金、8 6 3 计划和9 7 3 计划中均给予了大力帮助和支持，这些措施有力的保障了结构可靠性 理论与应用技术的研究 2 0 1 。 1 3 冻结井井壁结构可靠度分析研究现状 虽然我国冻结井井壁结构使用已有5 0 多年的历史，但是人们对井壁结构可靠 度分析方法的研究还很少，大部分的精力还是放在冻结井技术方面的研究。我国 已建成的井壁结构采用允许应力设计法，但是长期以来没有自己统一的设计规范， 设计者只是参考采矿设计手册和不稳定岩层的井壁设计原则，从钢筋 砼结构设计规范和钢结构设计规范中选取参数，结合自己的经验进行设计。 由于井壁结构所处环境的特殊性，使得从以上两个规范中选取的参数具有盲目性， 无法真实的反映地下结构自身的特征。另外，因为安全系数的选取仅凭长期经验， 没有科学依据，所以按此安全系数设计的井壁结构既有可能具有过高的安全度， 而造成人力、物力和财力的浪费；又有可能具有较低的安全度，给以后的生产安 全造成陷患【2 1 1 1 2 2 1 。按允许应力法设计的地下结构没有明确的可靠度概念，所以人 们并不知道依此法建成的地下结构到底有多大的安全储备，结构的可靠度概念不 明确。而且这种方法不仅没有考虑井壁结构作用于井壁上的荷载的随机变化，也 没有考虑井壁结构抗力及影响抗力的各种因素的随机变化。在钻井井壁结构设计 中，刘全林对钻井井壁的可靠性分析及其概率极限状态设计做了较为深入研究， 在冻结井井壁结构设计中孙林柱对可靠度也做了具体的分析，但他们对井壁结构 设计的方法是基于混凝土设计规范7 4 和8 9 版本进行取值，而它们早已废除，更 何况如今的井壁结构材料尤其是混凝土都朝着高强方向发展，从而使得井壁设计 5 安徽理r 大学硕士学位论文 方法与现行混凝土结构设计规范不相衔接，有待完善。本文正是基于这种状况， 对冻结井壁设计进行系统研究，并具体使用概率极限状态设计，与新颁的有关概 率设计规范进行良好衔接，以期改进冻结井壁设计方法，使井壁既安全又经济。 1 4 选题的意义及主要研究内容和方法 1 4 1 研究的目的和意义 由于山东、安徽、河南、河北等省各大矿区浅部煤炭资源已近枯竭，近年来， 为解决我国的能源短缺问题，上述矿区的煤炭开发均为深部资源，井筒穿过的表 土层厚达5 0 0 - - 8 0 0 m t 2 3 1 ，如目前正在建设的国投新集集团板集矿井表土层厚达 5 8 0 多米，山东万福矿风井穿过的表土层厚达7 5 0 米。随着矿井建设中井筒穿过 的表土层增厚，井壁承受的地压也将越来越大，因而提高井壁的承载能力和采用 合理的设计方法就成为深厚表土层中新井建设的关键问题。 因此，本课题选择对冻结井壁结构设计计算方法进行研究，这对于改进现行 井壁结构型式和完善井壁设计方法、尽可能降低工程费用和提高井筒使用寿命都 具有重要的实际意义，同时也可为今后科学、经济、合理地设计深、大井壁提供 可靠的理论和试验依据。 1 4 2 研究内容和方法 本文研究的主要目的在于通过对冻结井井壁结构的可靠性分析，算出井壁的 目标可靠度，从而进行概率极限状态设计。并对新老设计方法进行比较，结合现 行规范从总体上把握对冻结井壁的结构设计。这一目的，决定了本文主要研究内 容是： 1 ) 对井壁设计方法从总体上进行分析，尤其是从可靠度方面考虑各种方法的 优劣； 2 ) 对作用于冻结井壁上荷载进行分析，确定其荷载标准值及概率分布； 3 ) 分析冻结井壁结构抗力，以及影响它的主要因素的不定性，研究其分布概 型； 4 ) 基于现行混凝土设计规范，对冻结井壁结构进行可靠度分析； 5 ) 编制钢筋混凝土冻结井壁设计计算软件，通过工程实例，校准现行设计方 法所隐含的可靠度水准； 6 1 绪论 果； 6 ) 进行概率极限状态设计，比较概率极限状态设计法与允许应力法的设计结 7 ) 得出结论。 7 安徽理t 大学硕士学位论文 2 冻结井井壁结构设计理论 对双层钢筋混凝土井壁结构的理论研究是井壁结构设计中一个很重要的课 题，国内外在这方面的研究开展得较早，形成了一些较为成熟的设计方法，并指 导着井壁结构的设计计算。这些计算理论主要是沿用基于弹性分析的拉麦公式， 采用“允许应力法 进行设计2 4 1 。 2 1 传统的钢筋混凝土井壁设计计算理论 传统的钢筋混凝土井壁设计计算理论主要是沿用基于弹性分析的拉麦公式， 采用“允许应力法”进行设计，其结构的可靠度是用安全系数【3 7 1 来度量的。它主 要经历以下两个阶段。 2 1 1 ( t j l o 7 4 ) 规范下冻结井井壁设计 井壁结构设计还没有一部专用规范作依据。该设计方法主要是在五、六十年 代使用，它主要以1 9 7 4 年版钢筋混凝土结构设计规范( t j l 0 7 4 ) 为依据，参 照水工钢筋混凝土结构设计规范( s d j 2 0 7 8 ) 进行。这两个规范均为国家二级 规范，有其一定的适用范围，但煤矿井筒属矿山地下结构，与水工和地面钢筋混 凝土结构存在较大差距。而且该井壁强度验算和配筋计算，分别采用允许应力法 和单一安全系数极限状态法，属两种不同的安全体系。允许应力法的基础是弹性 理论，结构安全度很保守，我国早在6 0 年代就予以淘汰。单一安全系数极限状态 法也随着混凝土结构设计规范( g b j l 0 。8 9 ) 的颁发，被“近似概率法所取代。 再者，设计同一结构时不能混用两种安全体系，否则，无法对其安全度给予准确 的评价。使用该种设计方法所用到的安全系数如下： 8 2 冻结井井壁结构设计理论 表l 混凝土( 井肇) 结构强度安全系数 t a b l e1s a f e t yf a c t o ro f t h ec o n c r e t es t r u c t u r e ( s h a r ) 表2 钢筋混凝土( 井壁) 结构强度安全系数 t a b l e2s a f e t yf a c t o ro f t h er e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e ( s h a f t ) 该种设计方法中安全系数的确定凭经验选取，缺乏科学性，硬性套用有关地 面建筑结构设计规范中的规定，以至于设计指标十分混乱。这样设计出的井壁更 是不合理的。 2 1 2 ( g b j l o 8 9 ) 规范下冻结井井壁设计 在新的采矿设计手册中，其混凝土、钢筋混凝土井壁计算方法是以钢筋混 安徽理：l ：人学硕士学位论文 凝土结构设计规范( g b j i o 8 9 ) 为依据确定的。其安全系数的有关规定如下： 在此种设计方法中，取消了老规范中单一安全系数，而代之以多元的分项系 数即结构构件重要性系数v 。，永久荷载分项系数，g ，可变分项系数，翻，可变荷载 的组合系数妙等，且一般情况下= 1 2 ，v o t = 1 4 ，这与以前井壁结构设计中所采 用的安全系数差别较大。此外，在材料强度方面，新旧规范对比也有较大的变动， 旧规范的混凝土标准试件边长为2 0 0 m m ，新规范则改为边长为1 5 0 m m ，由于尺 寸效应的影响，材料强度也有一定差异；同时由于新旧规范所取的保证率不同及 计算方法的改变，设计强度的取值也有所不同。 井壁结构设计具有一定的特殊性，如井壁承受的荷载除下面所述的荷载外， 还有上部井塔传下的荷载，地震附加力以及短段掘砌的井壁吊挂力等。这些荷载 很难简单地归结为永久荷载或可变荷载，因此使用新规范中的分项系数就比较困 难，井壁结构设计既要适应新规范的规定，又要保证不低于原来的井壁设计安全 度，并考虑到井壁结构设计计算上的方便，于是将新规范中的“荷载分项系数” 和“结构构件重要性系数 调整合并成系数v f ，代替旧规范中的安全系数k 。 表3 混凝土( 井壁) 结构强度荷载系数 t a b l e3l o a ds a f e t yf a c t o ro ft h ec o n c r e t es t r u c t u r e ( s h a f t ) 1 0 一 2 冻结井井壁结构设计理论 表4 钢筋混凝土( 井壁) 结构强度安全系数 t a b l e4l o a ds a f e t yf a c t o ro f t h er e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t i j r e ( s h a f l e ) 表5 新旧规范混凝土强度设计值对比表 t a b l e5t h ec o m p a r i s o no ft h ec o n c r e t es t r e n t hd e s i g nv a l u ei nt h ef l e wa n dt h eo l dc o d e 1 1 安徽理上大学硕十学位论文 为了改进老规范下设计法存在的许多缺陷，如计算模式不精确、设计指标不 统一、安全度水准不一致等。在进行冻结井井壁结构设计时，尽管仍沿用采矿 设计手册所规定的设计计算方法，但将设计的混凝土强度由标号改成等级，将 材料的设计强度按( g b 儿0 8 9 ) 规范取值，混凝土质量控制采纳了当时的最新标 准。从表面上看，改进了设计方针，而实际上没有质的变化，未从根术上来克服 设计法所存在的弊病，而且这样的直接引用也是欠妥的。因为( g b j l 0 8 9 ) 规范 中的材料设计强度取值和相应的质量控制标准是针对建筑结构的概率极限状态设 计法制定的，不能用于允许应力设计法中。 综上所述，无论是单一安全系数还是综合安全系数用来度量结构的可靠度都 是不可靠的。要彻底改变这一状况，设计出既安全可靠又经济合理的冻结井钢筋 混凝土井壁结构，采用概率极限状态设计法是唯一的根本途径。 2 1 3 采用允许应力法计算的有关公式 1 、井壁厚度计算公式 b l | p 游。瓤 一心 坎4辟 f 图1 井壁截面受力图 f i g u r e1t h ef o r c ed i a g r a mo fs h a f tl i n i n g ss e c t i o n 拉麦厚度计算公式就是弹性理论中关于匀质弹性厚壁圆筒( 办孟) 在外部 均匀压力p 作用下( 如图1 ) ，按照第三强度理论推倒出来的井壁厚度计算公式。 胁( 雁一1 式中： 办一井壁厚度，n u n ； 1 2 ( 2 1 ) 2 冻结井井壁结构设计理论 口一井筒内径，衄； p 一井壁所受水平荷载，m p a ； 阮卜一混凝土与钢筋的综合强度计算值，厶= 华，n m m 2 ； 正一混凝土轴心抗压强度设计值，n i n m 2 ； 工一钢筋强度设计值，n m m 2 ； 血一最小含钢率，曲= 0 4 ； k 一安全系数。 2 、 井壁截面应力计算公式 均布荷载作用下的井壁应力状态，属于轴对称问题，按照弹性理论，井壁的 各个应力分量可表述为： 旷一筹( 一等) q 一矿了【1 。7j 旷一器( t + 等 一矿了【1 + 7j 2 v p b 2 吒一丽 ( 2 - 2 ) 式中： o o 、仃，、仃：一分别为切向、径向、轴向( 竖向) 应力分量，n i 咖2 ； y 一泊松比： 其余符号同前 由( 2 2 ) 式看出：因，- 口，所以仃，均为压应力，_ 1 1 盯o i i 仃，i ，即最大 应力发生在筒壁切线方向，且在井壁混凝土内缘( ，= 口) 时，切向应力最大。 仃，( ) = 0 ( 2 3 ) o o ( r = a ) _ 一笔 ( 2 - 4 ) r ) 一丽 ( 2 4 酬一罢 ( 2 _ 5 ) 盯z ( ，印) 一丽 ( 2 均) 如果井壁内缘切向应力小于混凝土的轴心抗压设计强度除以安全系数之后的 值，则只需要构造配筋。否则，可提高混凝土强度等级，或进行如下配筋计算： - 1 3 安徽理 大学硕士学位论文 双层高强钢筋混凝土井壁截面的平均应力为：盯= 去b 硗，+ 仃渤) 井壁需要的环向钢筋配筋孰2 旨 如果计算的过低则按构造配筋进行设计( 总配筋率最小为0 4 ) 。 3 、井雄极限承载力计算公式 传统井壁结构设计按“允许应力法进行设计，即井壁内缘混凝土的应力 ( 口) _ 。硼咖刊一筹咆；圹一筹吧) 满足第三强度 理论： o r i o 32 盯蒯 盯脚一折合应力，仃脚= 五去墼 其余符号同前 整理得： p ：丝堕整：二! ：) 2 b 2 k 2 2 概率极限状态设计法 ( 2 - 6 ) 概率极限状态设计法又称近似概率法或二阶矩法，它将影响结构安全的各种 因素作为随机变量，应用概率论和数理统计原理，对结构的可靠性概率作出近似 的估计，其设计准则可表示为： 丝：半磐纠 ( 2 7 ) o z 心。素+ o ； 式中 心，尺，s 一表示结构功能函数z 、结构抗力和荷载效应的均值； 盯z ，盯r ，一表示结构功能函数z 、结构抗力和荷载效应的方差； ，防卜一表示设计结构的可靠性指标和目标可靠性指标。 对冻结井钢筋混凝土井壁结构进行概率极限状态设计，就是使设计出的这种 结构在设汁基准期内，在允许的可靠度水平下达到预定功能( 承载能力极限状态) 。 在概率极限状态设计法中，混凝土、钢筋混凝土井壁计算方法以混凝土结构设 计规范( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 为依据，参照水工钢筋混凝土结构设计规范 ( s l t 1 9 1 9 6 ) 确定的。 2 冻结井井壁结构设计理论 采用上述传统的设计计算方法进行双层钢筋混凝土井壁结构设计时，首先是 井壁结构设计没有和其承载能力直接发生关系，没有考虑到材料的塑性。在结构 局部点应力超过弹性极限后，由于截面应力的重新分布，结构仍有承受更大荷载 的可能。同时，也没有考虑到井壁结构是一种复合结构，钢筋和混凝土间的良好 复合作用可使材料的强度明显提高，特别是混凝土的多轴抗压强度。为此，有关 单位根据试验研究成果和理论分析，提出了双层钢筋混凝土井壁极限承载能力计 算公式如下 2 s l ： 儿= 而2 r 4 i 4 - 肚g ( 2 8 ) 式中： 力一厚度和半径之比 疋一混凝土轴心抗压强度 一配筋率 r g 一钢筋的屈服强度 k 一混凝土强度系数，由国内、外井壁混凝土强度理论研究，k 一般 取2 2 - 3 0 在不同的规范中，结构的承载能力极限状态设计如下： 1 )在混凝土结构设计规范( g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 中，根据建筑结构破坏 后果的严重程度，建筑结构划分为三个安全等级，设计时应根据具体 情况，按照表2 6 的规定选用相应的安全等级。 表6 建筑结构的安全等级 t a b l e6t h eb u i l d i n gs t r u c t u r es a f e t yd e g r e e 在本文中认为井壁为重要的建筑物。 1 5 安徽理一f 大学硕十学位论文 对于承载能力极限状态，结构构件应按荷载效应的基本组合或偶然组合，采 用下列极限状态设计表达式： y o s r ( 2 9 ) 尺= 尺，六，) ( 2 1 0 ) 式中： 一重要性系数：对安全等级为一级或设计使用年限为1 0 0 年及以上的 结构构件，不应小于1 1 ；对安全等级为二级或设计使用年限为5 0 年的结构构件， 不应小于1 0 ；对安全等级为三级或设计使用年限为5 年及以下的结构构件，不应 小于0 9 ；在抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数； s 一承载能力极限状态的荷载效应组合的设计值，按现行国家标准建 筑结构荷载规范g b 5 0 0 0 9 和现行国家标准建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 ) 的 规定进行计算； 尺一结构构件的承载力设计值；在抗震设计时，应除以承载力抗震调整 系数yr e ；灭( ) 一结构构件的承载力函数； 正，一混凝土、钢筋的强度设计值； a k 一几何参数的标准值；当几何参数的变异性对结构性能有明显的不 利影响时，可另增减一个附加值。 2 ) 在建筑结构荷载规范( g b5 0 0 0 9 - - - 2 0 0 1 ) 中， 对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载( 效应) 组合，并应采用下列设计表达式进行设计 7 0 s r 式中： 一结构重要性系数； s 一荷载效应组合的设计值； 尺一结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的规定确定。 对于基本组合，荷载效应组合的设计值s 应从下列组合值中取最不利值确定： ( 1 )由可变荷载效应控制的组合： s = y g s g x + y sq 、k + y q c t s q 澎 ( 2 - 11 、) f 式中： 一永久荷载的分项系数； 一第i 个可变荷载的分项系数，其中，为可变荷载q 1 的分项系 1 6 2 冻结井井壁结构设计理论 数，应按下文所述的采用； 一按永久荷载标准值g r 计算的荷载效应值； 沪按可变荷载标准值q i k 计算的荷载效应值，其中s o , k 为诸可变荷载 效应中起控制作用者； 一可变荷载9 的组合值系数，应分别按各章的规定采用； ，卜_ 参与组合的可变荷载数。 ( 2 ) 由永久荷载效应控制的组合： s = 鼢+ 砌 ( 2 1 2 ) i = l 注： ( 1 ) 基本组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。 ( 2 ) 当对s o l k 无法明显判断时，轮次以各可变荷载效应为s o l 七，选其中最 不利的荷载效应组合。 ( 3 ) 当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅 限于竖向荷载。 基本组合的荷载分项系数，应按下列规定采用： 永久荷载的分项系数： 1 ) 当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合，应取1 2 ；对由永 久荷载效应控制的组合，应取1 3 5 ； 2 ) 当其效应对结构有利时，一般情况下应取1 0 ；对结构的倾覆、滑移或漂浮 验算，应取0 9 。 可变荷载的分项系数：一般情况下应取1 4 ；对标准值大于4 k n m 2 的工业房 屋楼面结构的活荷载应取1 3 。 注：对于某些特殊情况，可按建筑结构有关设计规范的规定确定。 3 ) 在水工钢筋混凝土结构设计规范s l t1 9 1 9 6 中，对于基本组合，应 采取下列极限状态表达式： 1 r o 筘( r g g k ，7 o q x ，口置) q l _ ，口鬈) (2一l_r(l 1 3 ) ，d 式中： 一结构重要性系数； 一设计状况系数，对应于持久状况( 永久荷载) 、短暂状况( 可变荷 载) 、偶然状况，可分别取1 0 、0 9 5 、0 8 5 ； 1 7 安徽理- r l 二大学硕士学位论文 一永久荷载的分项系数； 一可变荷载的分项系数。 其余符号同前 上述设计表达式均系标准值和分项系数组合而成，虽然它们在表达形式上有 所区别，但其实质都是相同的，都可表达成下面的形式： 抗力系数x 标准抗力荷载系数x 标准荷载 因此按照这样的形式，对双层钢筋混凝土井壁承载能力极限状态设计，可按 下式进行： ( + ) 去( 羔- i - 肚g ) ( 2 1 4 ) 式中。 一重要性系数，取为1 1 ； 一永久荷载的分项系数，取为1 2 ； 一可变荷载的分项系数，取为1 4 。 其余符号同前。 2 3 现有结构设计规范的不足 我国目前的结构设计规范采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠 指标度量结构构件的可靠度，采用以分项系数的设计表达式进行设计。虽然和以 往的规范相比增加了一些内容【2 6 】巾8 1 ，如：增加了有关耐久性的规定；提高了混凝 土强度等级并调整了设计参数等，在一定程度上完善了对结构的设计，但仍存在一 些局限： 1 ) 现行的规范体系虽然在设计思想上采用的是基于概率的极限状态设计方 法，但在表达形式上却采用的是分项系数，使得结构设计中的结构风险水平( 结构 可靠度) 隐含于这些表达式中而变得不清晰； 2 ) 为了与以往的规范体系相衔接，现行的规范体系在确定目标可靠度时采用 了校准法，这样得到的目标可靠度，既不能反映“投资一效益 的设计准则，同 时对特定的构件取值也并不一定合适，造成构件的材料浪费或安全性不够； 3 ) 由于结构不被破坏的设计要求是按少数结构破坏记录进行时程分析来保证 的，没有明确的概率可靠度意义； 4 ) 现行结构设计是基于承载力或强度的设计方法，认为只要满足承载力的要 求便可保证结构的安全。通过对历次被破坏的结构的调查和分析发现，在某些时 1 8 2 冻结井井壁结构设计理论 段内，对结构破坏起控制作用的因素是速度或位移而不是内力，变形和耗能能力 不足是结构破坏的主要原因。 1 9 安徽理t 大学硕+ 学位论文 3 作用于双层冻结井井壁结构荷载的统计分析 要建立冻结井井壁结构的概率极限状态设计法，就必须对该结构的功能函数 进行统计分析，即荷载和结构抗力，然后需要确定它的允许可靠度水平一目标 可靠度和承载能力极限状态方程。本章即是对冻结井井壁结构的荷载进行统计分 析。 3 1 冻结井壁受力的一般规律 ，气 厂k 一 一 害 。广，一_ 一、一 一 j 鬻j - 蓼 t o o2 0 03 0 0彻 辩 爹 图2 冻结井壁外力显现的一般规律 f i g u r e2t h eg e n e r a lr e g u l a t i o no fs t r a t ap r e s s u r eo nl i n i n gi nf r o z e ns h a i t 井壁受力一般分五个阶段，如图2 i 一冻结壁压力上升阶段。井筒开挖后，冻结壁发生蠕变变形和应力重新分 布。砌筑外壁变形被阻，对井壁产生挤压力；接着是壁后融土回冻和降温产生冻 涨力，使外壁受到不断增长的冻结壁压力作用。 i i 一冻结壁压力波动阶段。套内壁后，混凝土水化热使外壁后的冻土融化， 冻结壁压力迅速下降，过一段时间，融土回冻，冻结壁压力又有所回升形成凹形 压力波动阶段，此阶段的压力值一般小于阶段i 所达到的最大压力值。 i 一自然解冻压力下降阶段。冷冻站停止供冷后，冻结壁温度不断回升，并 开始自然解冻，冻结壁压力下降。 2 0 3 作用于双层冻结井井壁结构荷载的统计分析 一压力渐变过渡阶段。冻结壁压力下降，与此同时作用到井壁上的荷载 越来越大，逐渐向永久地压过渡。 v 一永久地压阶段。冻结壁完全解冻，地层的水土压力全部作用在井壁上， 进入长期稳定的永久地压阶段。 井壁受力变化的几个阶段，是井壁设计时必须考虑的因素。从上述井壁受力 过程可以看出，冻结井井壁受力过程从总体上可分为在施工期主要承受冻结壁压 力，在使用期主要承受永久地压。 由于影响冻结井井壁受力因素很多，其受力的复杂性是众所周知的。根据国 内、外冻结井井筒内、外力观察结果，可得出双层钢筋混凝土井壁的实际情况是： 外层井壁：套内壁前，外壁单独承受冻结壁压力蹦套内壁后，内、外井壁 共同承受套壁后的地压增值；解冻后，外壁外表面承受永久地压尸，内表面承受 两层井壁间的有效孔隙水压p w 。 内层井壁：在冻结壁解冻前受力不大，解冻后主要承受两壁间的孔隙水压力。 据上述内、外壁受力分析，以及目前冻结井井壁设计计算原则，对冻结井井 壁的受力作如下假定是符合实际的。 在施工期，主要考虑外壁承受冻结壁压力，由于内壁在施工期基本上受力不 大，因此对作用于内壁上的荷载可不予考虑。 在使用期，井壁受力主要分为两种情况考虑。一种是内外壁当成整体承受永 久地压作用，一种是把内外壁分开考虑，由于外壁内外水压平衡，外壁主要承受 永久土压力作用，内壁主要承受孔隙水压力作用。 3 2 作用于井壁结构上荷载的分类、概率模型及其标准值 3 2 1 荷载的分类 按建筑结构荷载规范的分类方法，可将荷载分为三类即： 永久荷载一在使用期内对井壁结构产生最大荷载效应的主导荷载，它分为 永久均布压力、永久非均布荷载等。 可变荷载一在施工期对井壁结构作用的荷载。它包括冻结壁均布压力、冻 土非均布压力、温度应力以及永久非均布荷载等。 偶然荷载一在施工和使用期内不一定出现，但一旦出现其量值很大且持续 时间较短，如地震、爆炸、冲击地压等。 在结构设计时，对不同荷载应采用不同的代表值： 2 1 安徽理一f 大学硕士学位论文 1 ) 对永久荷载应采用标准值作为代表值； 2 ) 对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组