（工程力学专业论文）深厚表土中井壁破裂及治理过程中的力学特性研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 深厚表土层中的钢筋混凝土井壁发生非采动破坏是一种特殊的地质灾害，是 人类采矿活动和地质环境相互作用的结果。经过几十年来广大科研工作者的研究 证明，这种破坏的根本原因是采矿活动造成深厚表土层的底部含水层失水，土层 失水固结沉降给井筒施加一个竖直向下的附加力，附加力随疏排水的增加而逐年 增加，最终造成井壁在表土与基岩交界面附近竖向压溃破坏，对于这种破坏主要 的治理方法包括卸压法、破壁注浆法和地面注浆法。本文采用理论分析、现场实 测和有限元模拟相结合的方法，针对井壁非采动破坏及各治理方法展开了以下研 究工作： 1 介绍了深厚表土层中井筒的破裂机理，以及针对这种破坏的主要治理方法。 2 以兖州矿业集团济宁三号煤矿为例，详细分析了深厚表土中井壁破裂的条 件、机理和影响因素，介绍了各治理方法的机理及优缺点。 3 通过分析济宁三号煤矿主井、副井治理期间的井壁监测信息，得到了井壁 在治理期间的受力及变形规律；研究了注浆抬升地层并缓解竖向附加力的机理。 使监测系统起到了超前指导并优化井壁治理设计与施工的重要作用，并检验了治 理效果。 4 通过分析钢筋混凝土弹塑性理论、a n s y s 使用方法和井壁参数，得到深 厚表土中钢筋混凝土井壁模拟方法，并通过模拟分析进一步验证了竖向附加力是 造成井筒破坏的根本原因。 5 采用a n s y s 进行有限元模拟，结合理论分析和现场实测，系统地研究了 治理前及治理期间井壁的受力变化规律。 ( 1 ) 运用有限元模拟结合监测数据证明了，随表土固结沉降井壁竖向附加力和 水平地压同时增加。首次用实测数据指导下的有限元模拟反分析，得到了治理前 井壁所受竖向附加力增加量和水平地压增加量，并将之统一定义为广义附加力。 基于该反分析，研究了井壁竖向应变和环向应变随竖向附加力和水平地压增加而 增加的变化规律，模拟结果与实测有良好的吻合性，克服了数值模拟不考虑水平 地压增加而得到的井壁环向应变随竖向附加力增加而减少的弊端。 ( 2 ) 在以上研究基础上，模拟得到了破壁注浆治理过程中浆液压力作用下井筒 青岛理工大学工学硕士学位论文 受力变形规律，分析了通过合理调整注浆位置改善井壁受力的方法；利用反分析 法得到了治理后井壁破坏时间的推迟年数，从量的角度分析评价了治理效果。 ( 3 ) 模拟分析了卸压法治理井壁破坏的机理及治理后井壁受力状态变化，分析 得到通过卸压槽压缩使井筒外壁破坏而保持井筒内壁安全的机理。 ( 4 ) 通过模拟验证了主井井壁存在薄弱点的预计：模拟得到井壁抬升量，揭示 了井塔内二层横梁出现剪切裂纹的原因，并提出了可能的解决方案。 文中分析的治理期间井壁受力变化情况，不仅为指导本治理工程提供了重要 依据，部分研究结论已用于现场井壁治理，也为指导其他类似岩土工程治理提供 有益方法参考与指导。 关键词深厚表土；井壁治理；竖向附加力：水平地压；有限元模拟；广义附加力 耋璺蛋三态兰三耋堡圭耋堡篁塞 a b s t r a c t 1 1 1 ef i - a c t u r eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t es h a f ti nt h i c ka l l u v i u mi sn o tt h er e s u l to f e x p l o i t a t i o nb u tak i n do fs p e c i a lg e o l o g i cc a l a m i t y t h er e 弛s o ni st h ei n t e r a c t i o no f m i n i n ga n dg e o l o g y a f t e rs o m et e ny e a r s , t h es c i e n t i s t sp r o v et h a tt h cm a j o rr e a s o no f t h eb r e a k a g ei st h ev e r t i c a la d d i t i o n a ls t r e s st h a tt h es o i le x e r t so nt h ee x t e r i o rs u r f a c eo f t h e 舳t h ea d d i t i o n a lf o r c er e s u l t i n gf r o mt h a tt h eb o t t o ma q u e o u ss u a t u r n sl o s e w a t e r ，, s o l i d i f ya n ds u b s i d ei n c r e a s e sb yt i m e u l t i m a t e l xt h es h a f t i sc r u s h e d1 i l e a rt h e i n t e r f a c eb e t w e e ns u r f a c es o i la n db a s e r o c k t h er e n o v a t i o n sa i m i n ga tt h i sk i n do f f r a c t u r ei n c l u d eu n l o a d i n gm e t h o d , 坷e c t i n gb e h i n ds l l a f ia n ds u r f a c ei n j e e t i n g w i t h t h e o r e t i c a l a n a l y z i n g ，m o n i t o r i n ga n d 。f e m ，t h es t u d i e sa b o u tt h ef r a c t u r ea n dt h e r e n o v a t i o n s 啪a sf o l l o w s ： c h a p t e rh1 1 1 ef a c t o r so ft h i sk i n do ff r a c t u r ea n dt h em a j o rr e n o v a t i o n sa r e i n t r o d u c e d 。c h a p t e r2 ：a st h ej i n i n gn o 3c o a lm i n ef o re x a m p l e t h ep r e c o n d i t i o n ， c h a r a c t e r i s t i c sa n df a c t o r so ft h i sk i n do ff r a c t u r ea r ea n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h er e n o v a t i o n s 哪i n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y , a n dt h e i rr e l a t i v em e r i t sa r ec o m p a r e d c h a p t e r3 ：t h r o u g ha n a l y z i n gt h ed a t af r o mm o n i t o r i n gs y s t e md u r i n gr e n o v a t i n g t h es h a f i so fj i n i n gn o 3c o a lm i n e ，t h em e c h a n i c a la n dt r a n s f o r m a t i v ec h a r a c t e r i s t i c s o f s h a f t sc a nb eg a i n e d n 圮d i s c i p l i n e so f t h eg r o u t su p l i f t i n gt h es t r a t aa n dd e c r e a s i n g t h ea d d i t i o n a ls t r e s sc a na l s ob ea t t a i n e d t h ed a t af r o mm o n i t o r i n gc a ns u p e r w 。s ca n d o p t i m i z et h ed e s i g n i n ga n do p e r a t i n go fr e n o v a f i o n t h e yp a na l s ov e i l f y t h er e s u l to f r e n o v a t i o n c h a p t e r4 ：t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee l a s t i c - p l a s t i ct h e o r yo fr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，t h e u s eo f t h es o f t w a r eo f a n s y sa n dt h ep a r a m e t e r so f s h a f t s t h em o d e l i n gm e t h o do f t h e r e i n f o r c e dc o n c r e t es h a r si nt h i c ka l l u v i u mi sd e c i d e d t h o u g ha n a l y z i n g w i t hf e m ， t h ee s s e n t i a lf a c t o ro fs h a r sf r a c t u r i n gi sp r o v e dt ob et h ev e r t i c a la d d i t i o n a ls t r e s s c h a p t e r5 ：t h r o u g hm o d e l i n gw i t ha n s y s ，t h e o r e t i c a la n a l y z i n ga n dm o n i t o r i n g , t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h es b 越a r es t u d i e db e f o r er e n o v a t i n ga n d d u r i n gi t ( 1 ) a tf i r s t ，t h r o u g h f e ma n dt h ed a t af r o mm o n i t o r i n g , i ti s ：p r o v e dt h a tt h e i i i 耋璺罂三查主三耋璧圭耋堡堕塞 i n c r e a s i n go ft h ev e r t i c a la d d i t i o n a ls t r e s sa n dt h eh o r i z o n t a le a r t h p r e s s u r em c m 船e w i t ht h ec o n s o l i d a t i n ga n d s u b s i d i n go f t h es u r f a c es o i l t h ei n c r e m e n te v e r yy e a ro f t h e a d d i t i o n a ls t r e s sa n dt h ee a r t hp r e s s u r ei sg a i n e dt h r o u g hf e mu n d e rt h eg u i d i n go ft h e d a t af r o mm o n i t o r i n gf o rt h ef i r s tt i m e a n dt h e r ea r en o m i n a t e da sg e n e r a la d d i t i o n a l s t r e s s b a s i n go nt h eb a c ka n a l y s i s ，t h ed i s c i p l i n et h a tt h ev e r t i c a ls t r a i na n dh o o ps t r a i n i n c r e a s ew i t ht h ee n h a n c i n go ft h ev e r t i c a la d d i t i o n a ls t r e s sa n dh o r i z o n t a le a r t h p r e s s u r e t h er e s u l t so ff e ma r ea g r e ew i t ht h e d a t af r o m m o n i t o r i n g t h e d i s a d v a n t a g e st h a tt h eh o o ps t r a i nd e c r e a s ew i t ht h ev e r t i c a la d d i t i o n a ls t r e s s i n c r e a s i n g w h e nt h eh o r i z o n t a le a r t hp r e s s u r ed o e s n t 删l l a n c ea r ea v o i d e d ( 2 ) b a s i n go nt h eu p p e rs t u d i e s ，t h em e c h a n i c a ll a w so fs h a f tl i n i n ga r ea n a l y z e d w i t hf e mw h e n1 i ti su n d e rt h el o c a lp r e s s u r eo fg r o u t t h em e a s eo fi m p r o v m gt h e m e c h a n i c a ls t a t 。et h r o u g ha d j u s t i n gt h el o c a t i o no fg r o u t i n gi sa n a l y z e d i ti sa t t a i n e d h o wm a n yy e a r st h e sf r a c t u r ei sp o s t p o n e dw i t hb a c ka n a l y s i s s ot h ee f f e c to f r e n o v a t i n gc a n b ee v a l u a t e dq u a n t i t a t i v e l y ( 3 ) t h em e c h a n i c a ls t a t eo fs h a f rl i n i n gi sa n a l y z e dw h e ni t i sr e n o v a t e dw i t h u n l o a d i n gm e t h o d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tt h ei n n e rs h a l ll i n i n gi sp r o t e c t e dt h r o u g h t h er e f i e f s l o t sc o m p r e s s i n ga n dt h eo u t e r 蛐l i n i n g sf r a c t u r i n gi se x p l a i n e d ( 4 ) t h ep r e d i c t i o nt h a tt h e r ei sw e a ks p o ti nt h es h 硪f o ru p l i f t i n gc o a li sp r o v e d t h r o u g hf e m t h eq u a n t i t yo fs h a f t sl i f t i n gi sg a i n e dt h r o u g hf e m s ot h er e a s o no f t h eb e a m sf r a c t u r ei nt h et o w e ri se x p l a i n e d a n ds o m ep o s s i b l es o l u t i o n sa r eg i v e n t h ea n a l y s e sa b o u tt h es h a f td u r i n gr e n o v a t i n gc a nb e u s e di ng u i d i n gt h e r e n o v a t i o n s o m eo ft h e mh a v eb e e nu s e di nt h er e n o v a t i n g t h ec o n c l u s i o n sc a na l s o b eu s e di no t h e rr e n o v a t i o n sa b o u ts i m i l a rg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g k e yw o r d ：t h i c ka l l u v i u m ；r e n o v a t i n g ；v e r t i c a ls e c o n d a r yf o r c e ；h o r i z o n t a le a r t h p r e s s u r e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；g e n e r a la d d i t i o n a ls t r e s s 第1 章绪论 1 1 问题提出 1 9 8 7 年以来，在我国华东地区的淮北、大屯、徐州等矿区相继发生了立井 井筒破坏的工程地质灾害，继而扩展到永夏、兖州等矿区。目前全国已有5 0 余 个在厚冲积层中的立井井筒发生破坏，如表1 1 所示阿1 3 0 1 1 3 1 。在矿山开采过程 中发生的立井井筒非采动破坏是一种特殊的矿山地质灾害，其主要表现为煤矿立 井井筒在具有足够的保安矿柱的条件下，立井井筒的部分井壁发生严重变形和破 裂，致使提升运输困难，一些井筒在破坏的同时还伴有大量的涌水冒砂，而且立 井井筒非采动破坏具有一定的周期性，即许多治理后的立井井筒在正常使用一段 时间后发生重复变形破坏，因此立井井筒非采动破坏的工程地质灾害严重地影响 着矿山的正常运营，危及生产安全，迫使部分矿井停产，如张双楼矿、海孜矿、 临涣矿等均停产2 8 个月，且造成重大经济损失1 2 3 1 。以淮北海孜矿为例，由 于立井井简破坏造成停产，生产损失和维修费用高达2 0 0 0 余万元。 国外见至报道的类似井壁破裂事故有两个1 3 】；一是二十世纪6 0 年代希腊一 个井壁注水时发生竖向拉裂，二是前苏联的某铁矿井简在旌工过程中由于人工降 低地下水位造成的井壁被压垮。除此之外，类似的井壁破裂事故在国外未见报道。 这些井筒破裂有着以下共同特征： ( 1 ) 地域集中：破裂井筒均集中在华东地区的黄淮一带。 ( 2 ) 时间集中：井简破裂虽然各年份均有，但是都发生在4 1 0 月，且多发 生在7 8 月。 ( 3 ) 破裂位置集中：井壁破裂位置基本集中于第四系深厚表土层于基岩交接 面附近，一般在交界面下l o m 至其上2 0 m 之间。 ( 地表明显下沉：伴随着含水层水位的下降，矿井工业广场地表均有下沉， 下沉幅度多在2 5 0 5 0 0 m m ：沉降速率在3 0 5 0 m m y 左右。沉降率( 地表下沉 量与表土层厚度之比) 为0 1 5 0 2 。 匿要 楗 妪 软 藕 篷 扭 1l 厦 塔丑昶 丑 苣 垛 暑 略 瞎 飞 饕 占 吕 骘 摹 娄 皇 童蛹 2 砉* 删 * 鬻 蹩 瓣 醚蚺 罄 划 犍雹 朱 篓望 芷 粼 球 蔷i 1 犍 聪 筐 枨 簦 j c 斗 础 鞍 垂蔫 椠 鲁 静 测 稽 箍 q g 蚺鲣 巽 强 o 一 器 删 删 * * 砖 聪毒 囊巢 到 桨 壤 - 雹 穗 瞎 t h 接 露 ， 接 馨 * 到 磐 磊蜒哗簧 囊霉 器撒， 糕 箍 话 饪 梧谋 揎 译 求 “ 厘畦 球 撒 鳘圭 酶畚 赠 牛妪 鞠 莺委 碟 散 酬曜葵 裂 薛 群 1 ；卜 赆葵 镁 祷融 趟 罄 o 垮 怛 一 小 口 心 =2 寸 婪量 一 竺 卜 22 暑 22? 22 翟 卜2 卜 磊 竺 一 镣- _ 竺 2 一 n 2 一 骓 导 “ 也 竺 昌 q 。 一 8寮 。 88品寮 。 寮 。 斡 暑警誉 呈 薹釜 警鲁 匙 菩 匙 梨态 敬导器 8 寸 - 黔旨 _ n 器 o 叶 n 差若 吨龟电峰乜 吼q啦 芝雩龟迎 善 q乜 qqs誉 乜9 “口寸 寸卜 拣去 一 “寸- n 垂 斋写 、卜 电 蠢峥 、 赢n 乜话 蓁塞 喜羹雏 喜罢 暑暑 叶 三 篙长 赣 p _至萎 容警 蒙墨 蒙至 、豢 主塞 曼 _ _ _ _ _ p _ h 燃 姆螺觏j j i 蠕姆姆 姆鞣嘏 援椒蝾 始蟮始蜷蜷蜷始 蛞始 趟采趟拣 攀枨 蜚 蓁薹 蝼璞璞蝼攀 媸 拉捶 逝区娅匿 蕊譬 霉枨埋赦 埋杀窿欺庭拣 裱燃欺 k 般 浆谣 爨斗h 爱州 瑶面 鞯州 颦蔼 收刊磐商 枨蚺 善b 蓑每 善佑善奄n 奄卅奄m 捂 鲁b累b 丢k蓑器 授碌硬 瞧蟋奄麓 豫蝼 穰骥 妊伞 n 喀1i!i驿挂挺采兼悄g书越凶锫够车始，曾kt瓣蛊凶冒婚斟l_l懈 世静显 杀 鞍 蒺 剞丽 赔 篓毳 辕 鲁 厅 一( 搬 刊 粥mo 厅 静 瑶k鲁 蚕 葵翟 簧 曩甓 瞎 匠 娄真雹静赠辕 吕 蒜藤 雕 嫩 曰 羹蒸 詹 匠天 舯慢 碟 到足 醯嗣羹篓 昶 帐量崔 娥静 叵6 圈目 皿凄 霎叁 冁 ”暴 廿 i 舞 强 刨蜂 2 坦 蜒餐 嫁 疆 鳙 嚣薹耋 饕羹 蓁饕 嫠巢 删 磐 瑙景 i 篓 ) 童蠢 酰器 纛 器 l 暴 盒童 蜂 叁蜜 蔫嚣 耱 五墨 醚 耧 醚d 挺 鼬艘 轶 磊 刊 葵 - 骥 鞋， 崩壤取刊刊酰楗 职幽 1 1丽*球 爨楗脚 丽 薄襞 燃刊赠震磊莲 刊 到 臻姐到到铡矧 j 1 1爨 栽 赆状糕杀牧螂赠 甘 呻 卜 t 乜嗨 魍 趔 婚 一 卜小 寸 2 n 一 n 一 嫠互 心 h 罱高 一 2 占 2 ? 吨 卜 ? 2 ? + ?i n 要 卑 崔 n 叶 t 乜卜 n ： =n nn n hn n 雏 叼 尊s 寸 6 一 n n高葛 o 芝斡 强雏墓 。 8蟮g 瞎”隧 寸 耋争 喜晏 菩 揆 窨 黎专隧藤” 量g = 2 8昌：2 差若 电 龟 qo 1一叶寸o 穹 善s 2 q 誉 逭逭 商 也 哂 t托q 米彘 “话 一 幛寸 ”i n 扈厘 nn 意是至罱 高峰 塞蛊 霾 蚕； 冀 曹窨 e , i 峥 雏 o 一璧 一 塞至 豪墨 基莲 囊萎 瑟誉鞭 h 燃软软船= ! j f 趣姆收栽j i i 耀收撂落蜷蜷蜷始 拯担始 担棰 雏羹 璞 蠖 萋| 蠢羹蓁 瀹奄蝼 栽帑鞍 篙塞 姿藉 母 k 棚区 赦婶 瓣面璋州 j j 哑 樊- t - r 等每兽b鲁k 翼b嚣b樊蜓翼奄翼导 蠼樊 址妒 寸 一 _【。_【懈蝼 似臼g孙州皤孙h孙k h 刚田衄 吕 墨 转甚 耻 虹祷 藤 鲁 皇 芷一蟪 吕 蠼矗话 挺吕 鲁 疃 醯 舯 谵 噬g 鞋 萋萋 。皇 器龄 桓 妻垂 宕 幄鲁 鹱 2毫 釜曩 幄 毗念 重莲 囊冬 g 掣 0 0 蚓划 半爨 巴蜜 62 半碘 半2 蜡 蒜薯秣 瓠 虢 景暑 舔翠 意 皲静柬m 建 丞当键 蓁蓁 岙嚣 霉 赆5幕刊瓣 碟 刊 瓣 镫 鞲 葵赠碟 文 群 赠鞲 散 蚺 隶 吕 挺 梨 到到盏i l 到 到 吕 g 蹬 吕 墨 噬目 墨 熙 薹蔷0 0 垂蓬 崩 堙 鼍擂i 饕 惑 刊 蜂 是爰 堇i 栽 锚 坦 辕 基单 莛耋 酰。 敏 楗 碟 丽 散 葵 制 堪 赢 栽 橄橄嫩 k 软 嫩 毯 怕 帽 、。n 蝗 垂3 树 删 “ ：兮 d 寸 竺 樱 竺 o h 一 22 刈 2 一 卜 ? 2 n t 。 o 饪 “ 郇 2 苫 o u 、 !高2 兽 h _ 一 n h 饕 o n一 矍喜 q l n l n 肆 h o 品昌 88 o o o oi no 。 垂童 善蔷g譬害 董 芝迥肇 橥寒 o 导冷 觜 导 i n o nn寸 酶 卜 q气q乜 唧q吨啦寸 善 逭 景 q 暑 望筻 彖素 ： q “ 乜吨 诘幛鲁 q l ni n帆 t n 卜 菱蓁冀 ；罱 遵一 商 诘与 叠墨 “q重羹 薹羹 商 翟 譬券 墨 蠢芒 璧垂 量交垂垂曼誊 曼_ _ 宝誊 p _ 一一 h 蠼姆好螺 j l j 姆姆 姆姆姆 耀椒 蜷强始始蜷蜷蜷始始婚 攀璞蝼蝼 冀蓁囊 蝼蝼蝼 噻 担棰 磐枯 窖杀 媒袜涨栽 趟兼趟彖 谣嫩潞 札蔼 救州 畿州 畿试露面 帚区 校+ h蝼隶 米婚 曾奄甘b曾奄1 1 1景k菩k车每 车奄 螟蜓始始k斗 ) ，即： o e = f ( 爷) ) ( 4 - 1 0 ) 当盯。等于材料的屈服强度盯，时，材料将出现塑性应变，即屈服条件为： ，( 移) ) 一盯，= 0 ( 4 一1 1 ) 方程( 4 1 1 ) 可以在应力空间中用屈服面表示，在屈服面内的任何应力状态都是 弹性的，它们不会引起塑性应变。 ( 2 ) 流动法则 流动法则决定了塑性应变的方向和塑性应变增量各分量的比例，表示为： 妒) 一 筹) ：， 式中：p s 叫) 一塑性应变增量； d 五一标量比例因子( 决定塑性应变的数量) ； q 一以塑性势能表示的应力函数 ( 3 ) 硬化法则 青岛理工大学工学硕士学位论文 硬化法则描述了屈服面随塑性变形的发展而变化的情况，后继屈服时的应力 状态能够确定。有三个通用的硬化法则：功( 各向同性) 硬化、刚体运动硬化和混合 硬化。本文不考虑硬化。 4 2 3 破坏准则 混凝土的破坏准则是在试验的基础上，考虑到混凝土的特点而求出来的。混 凝土单轴受压的破坏公式有h o n g n e s t e x l 表达式、指数形式表达式和s a e n z 表达式 等；双轴荷载下的破坏准则有修正莫尔库仑准则、k u p f e r 公式、多折线公式及双 参数公式等；三轴受力的古典强度理论有最大正应力理论、最大剪应力理论、第l ， 四强度理论和d r u e k e r - p r a g e r 破坏准则等，由于古典强度理论中的材料参数为一个 或两个，很难完全反映混凝土破坏曲面的特征，所以研究人员结合混凝土的破坏 特点，提出了包含更多参数的破坏准则。多参数模型大多基于强度试验的统计而 进行的曲线拟合，有b r e s l e r - p i s t e r 、w i l l a m w a m k e 三参数模型、o t t o s e n 四参数模 型和w i l l a m - w a r n k e 五参数模型。 混凝土材料的破坏包括拉裂和压碎两种模式，如果材料在某个积分点在单轴、 双轴或三轴压应力作用下破坏，则认为材料在该点压碎。 深厚表土中钢筋混凝土井壁结构的主要力学特征为：水平地压随表土深度的 增加而增加；竖直附加力随疏水时间的增加而增加：井壁在水平地压、自重、和 竖直附加力的共同作用下处于三向受压状态。这种受力状态的材料采用三一五参 数w i l l i a n - - w a r a k e 破坏准则比较符合实际，该破坏准则的主要特点是：既能描述 低静水压力作用下的混凝土特性，又能描述高静水压力作用下的混凝土的特性。 4 2 4 裂缝处理 通过修正应力一应变关系，引入垂直于裂缝表面方向的一个缺陷平面来表示 在某个积分点上出现了裂缝。当裂缝张开时，后续荷载产生了在裂缝表面的滑移 或剪切时，引入一个剪切力传递系数尼来模拟剪切力的损失。在某个方向上有裂 缝后的材料的应力应变关系可以表示为： 时】= 高 掣( 1 + y ) 占 0 o o o 0 ( 4 1 3 ) 上标c 表示应力应变关系参考的坐标系是平行于主应力方向的，x “轴是垂 直于裂缝表面的。五将随着求解的收敛而自适应下降为零。 如果裂缝是闭合的，那么所有垂直于裂缝面的压应力都能传递到裂缝上，但 是剪切力只能传递原来的屈倍，闭合裂缝的刚度矩阵可以描述为： 防l = 而禹 t l 一” vvt00 y o 一 p000 y y 0 - v ) 0 00 oo o 虞掣o o 0 o o0 ( 1 - 2 0 o oooo o 屈! 毕 ( 4 1 4 ) 当裂缝在两个方向或三个方向上同时张开或同时闭合时，刚度矩阵需要重新 修改。s o l i d 6 5 单元的状态可分为张开裂缝、闭合裂缝、压碎和完整单元共四种。 在具体结构的应用中，可以有1 6 种不同的排列组合方式。 在单元局部坐标系下完成了单元刚度矩阵的分析后，必须将其转换到整体坐 标系下，其转换表达式为： d c 】= 【t “】【d ，】 r “】 ( 4 - 1 5 ) 其中，口“】为描述局部坐标与整体坐标之间关系的转换矩阵。在某个积分点 上裂缝张开或闭合的状态是由开裂应变萎决定。若出现这么一种情况，即在x 方 向上有可能发生裂开，则开裂应变的表达式可以描述为： = + 击妒+ 秽，若没有裂缝 + 惯，若y 方向开裂 ( 4 1 6 ) 0 ，若y 方向和z 方向都开裂 o o o o o届一2 o o o 0 l 一2 o o o o屈一2 o o o。h。h o o o 。上芏。 青岛理工大学工学硕士学位论文 如果占竺小于0 则假设裂缝是闭合，若占差大于或等于0 ，则认为裂缝是张开的。 在某个积分点上出现了裂缝之后，则认为在下一步迭代中裂缝是张开的。 假设在单轴、双轴、三轴压力作用下，某个积分点上的材料失效了，就认为 这个点上的材料压碎了。在s o l i d 6 5 单元中，压碎意味着材料结构完整性的完全 退化。当出现压碎情况时，材料强度已经退化至积分点上单元刚度矩阵的贡献完 全可以忽略了的地步。 4 3 深厚表土中钢筋混凝土井壁破裂数值分析 4 3 1a n s y s 程序简介凹们巧 有限单元法是利用电子计算机进行数值模拟分析的方法，目前在工程技术 领域中的应用十分广泛，有限元计算结果己成为各类工业产品设计和性能分析 的可靠依据。国际上著名的通用有限元软件有几十种，常用的如s a p 、a n s y s 、 a d i n a 、n a s t r a n 、a l g o r f e m 等。a n s y s 软件是集结构、热、流体、 电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。a n s y s 用户 涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、采矿、生 物医学、教学科研等众多领域，a n s y s 是这些领域进行国际国内分析设计技 术交流的主要分析平台。 自1 9 7 0 年美国匹兹堡大学力学系教授j o h ns w a n s o n 博士开发出a n s y s 以来，在3 0 多年的发展过程中，a n s y s 不断改进提高，功能不断增强，目前 己发展到1 0 0 版本。 a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型分析设计类软件，是 美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近二十种专业技术协会 认证的标准分析软件。在国内，第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会 认证并在国务院十七个部委推广使用。 a n s y s 作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主 要表现在以下几方面： ( 1 ) 数据统一：a n s y s 使用统一的数据库束存储模型数据及求解结果，实 现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。 ( 2 ) 强大的建模能力：a n s y s 具备三维建模能力，可建立复杂的几何模型。 耋耋星士銮耋三兰堡圭耋堡耋圣 ( 3 ) 强大的求解功能：a n s y s 提供了数种求解器，用户可根据分析要求选 择合适的求解器。 ( 4 ) 强太的非线性分析功能：a n s y s 具有强大的非线性分析功能，可进行 几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。 ( 5 ) 智能网格划分：a n s y s 具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动 生成有限元网格。 ( 6 ) 良好的优化功能：利用a n s y s 的优化设计功能，用户可以确定最优 设计方案，利用a n s y s 的拓扑优化功能，用户可以对模型迸行外型优化，寻 求物体对材料的最佳利用。 ( 7 ) 可实现多场耦合功能：a n s y s 可以实现多物理场耦合分析，研究各物 理场间的相互影响。 ( 8 ) 提供与其他程序接口：a n s y s 提供了与多数c a d 软件及有限元分析 软件的接口程序。 一般完整的有限元程序( f i n i t ee l e m e n tp r o g r a m ) 包含前置处理 i ：p r c p r o c c s s i n g ) 、解题程序( s o l u t i o n ) 和后置处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 。有限元分析的 流程图如图4 2 所示： 有限元程序 前处理器 p r e p r o c a s s i n g 解题程序 _ j s o l u t i o n 后置处理 - j p o s t p r o c e s s i n g 图4 - 2a n s y s 计算流程图 青岛理工大学工学硕士学位论文 钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式分为三种：分离式、整体式和组 合式模型“朝。 ( 1 ) 分离式模型 把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理，即混凝土和钢筋各自被划分为足够 小的单元，两者的刚度矩阵是是分开来求解的，考虑到钢筋是一种细长的材料， 通常可以忽略起横向抗剪强度，因此可以将钢筋作为线单元处理。钢筋和混凝土 之间可以插入粘结单元来模拟钢筋与混凝土之间的粘结和滑移。一般钢筋混凝土 是存在裂缝的，而开裂必然导致钢筋和混凝土变形的不协调，也就是说要发生粘 结的失效与滑移，所以此种模型的应用最为广泛。 ( 2 ) 整体式模型 将钢筋分布与整个单元中，假定混凝土和钢筋粘结很好，并把单元视为连续 均匀材料，与分离式模型不同的是，它求出的是综合了混凝土与钢筋单元的整体 刚度矩阵；与组合式不同之点在于它不是先分别求出混凝土与钢筋对单元刚度的 贡献然后再组合，而是一次求得综合的刚度矩阵。 ( 3 ) 组合式模型 组合式模型分为两种：一种是分层组合式，在横截面上分成许多混凝土层和 若干钢筋层，并对截面的应变作出某些假设，这种组合方式在钢筋混凝土扳、壳 结构中应用较广；另一种组合方法是采用带钢筋膜的等参单元。 当不考虑混凝土和钢筋二者之间的滑移，三种模型都可以。分离式和整体式 模型使用于二维和三维结构分析。 4 3 2 钢筋混凝土井壁数值模拟方法 本文拟采用弹塑性三维单元模型s o l i d6 5 ( 3 dr e i n f o r c e dc o n c r e t es o l i d6 5 ，8 节点块体单元) 。钢筋考虑竖向和环向，采用组合式模型。井壁内侧两倍保护层厚 为钢筋混凝土，配竖向和环向钢筋；井壁外侧两倍保护层厚度为钢筋混凝土，配 环向和竖向钢筋；之间部分为素混凝土，不配钢筋。 4 3 2 1 荷载选取”1 水平地压沿深度不同，表土地压采用重液公式计算：p = r h ( k 取o 0 1 2 ，h 为计算点深度) ，呈三角形线性分布；基岩地压简化为均匀分布，用秦氏公式计算。 井壁自重用式盯g5 ，一爿计算，其中。为自重应力，h 为井壁的自重加 青岛理工大学工学硕土学位论文 速度，日为计算点深度。 竖直附加力随地层的变化沿井壁深度呈线性增加e 5 4 采用线性分级加载的方 式模拟竖直附加力随疏水时间的增加。其取值通过有限元模拟和实测结果比较计 算的方法得到，如已知井壁某部位竖向应变一年时间增加墨通过有限元模拟得到 该部位应变增加删应的竖向附加力增加为y 则可得一年时间竖向附加力增加即 为y 。在竖向附加力增加的同时，水平地压也增加“”，它们都是由含水土层固结沉 降造成，附加力和水平地压增加量将在第5 章中通过实测数据指导下的有限元模拟 得到。 实际上，外层井壁是允许压碎的，而且，内外壁之间也并非绝对完全咬合， 可能存在孔隙，但并非整体贯通的孔隙，如果内外壁之间存整体贯通的孔隙，那 么就可以将其考虑成可滑动层，这样也许固结沉降造成的竖向附加力就会仅作用 在外壁上，即使外壁压碎，也不会对内壁造成影响，井筒也就是安全了。模拟过 程不考虑内外壁之间局部的不咬合，而是考虑内外壁共节点，这样的模拟过程对 于研究整个井筒的力学特性不会存在太大偏差。 4 3 2 2 基本参数 本模型依济三副井为参照。表土层厚度1 8 3 m ，井壁结构为双层钢筋混凝土结 构，净直径8 m ，内壁厚0 6 m ，外壁厚0 5 5 m 。井壁结构图如图4 3 所示。 材料标号：内壁c 4 0 混凝土，外壁c 3 0 混凝土。 内壁：竖向体积配筋率为0 0 0 7 ，环向体积配筋率为o 0 1 5 ；外壁：竖向体积 配筋率为0 0 0 4 ，环向体积配筋率为0 0 0 9 。 c 4 0 混凝土弹性模量e = 3 2 5x1 0 mp a ，c 3 0 混凝土弹性模量庐3 0 x1 0 mp a ； 泊松比都取0 2 5 ；密度2 4 k n m 3 ；张开裂缝剪力传递系数0 5 ；闭合裂缝剪力传递 系数1 ；c 4 0 混凝土单轴抗拉强度t = 2 3 9 x1 0 6p a ，c 3 0 混凝土单轴抗拉强度t = 2 o l 1 0 6p a ；关闭单轴压碎设置。 钢筋弹性模量e = 2 1 0 x1 0 9 p a ，泊松比取0 2 7 ，密度7 8 k n m 3 。 重力加速度取1 0 m s 2 。 4 32 3 模型建立 对于济三副井，井壁结构图如图4 - 3 所示。考虑井壁的对称，模型采用1 4 圆 筒，模型长度取6 5 m ，其中表土与基岩交界面以上5 3 m ，以下1 2 m 。模型以上部 膏盛理工大学工学砸学位沧文 分井壁自重和外表面的竖向附加力都转化成面荷载作用模型上表面。 井壁内侧钢筋保护层厚度6 0 m m ，取1 2 0 m m 为内侧钢筋混凝土层；外侧保护 层厚度l o o m m ，取2 0 0 r a m 为外侧钢筋混凝土层：中间为素混凝土。 图4 - 3 井壁结构图 青岛理工大学工学硕士学位论文 井壁沿环向设置8 个单元格；径向单元格共计2 1 个；纵向单元格长度分l m 和2 m 两种。 单元网格划分如图4 - 4 所示，图中显示表土基岩交界面附近单元划分情形一 图4 4 井壁单元闷格划分 4 3 3 深厚表土层中立井井璧非采动破坏有限元模拟 模拟井筒刚刚建成时，即竖向附加力为零，得到井壁竖向应变云图如图4 5 ， 其中，左侧为整个模型的云图，右侧为表土基岩交界面处放大图。由图可以看出： 表土与基岩交界面处井壁内表面竖向压应变最大值为一1 5 5 p ，且在交界面以下； 交界面向上小范围内井筒内侧竖向表现为轻微受拉状态，拉应变+ 2 8 肛6 ，这是由于 此时水平地压对井筒的作用占主要地位。此时，井壁内侧竖向压应变远未达到混 凝土的极限压应变，所以仅考虑自重和地应力时的井壁是安全的。 当旌加o 3 3 m p a ( 交界面处) 竖伺附加力时，井壁竖向应变云图如图4 - 6 所示， 由图可以得到，此时井筒内倒竖向压应变最大值位置在交界面向上l o 2 0 m 范围 内，与实际井筒破坏位置相符，应变值约6 5 0 p e 。 交界面向上l o 2 0 m 范围内，在不施加竖向附加力和施加附加力两种情况下， 井筒内壁竖直方向应变由受拉到受压转变。这种现象是由于水平地压能使井筒直 径变小，内表面竖向呈受拉趋势；竖向附加力能使井筒直径变大，内表面竖向呈 受压趋势。所以产不施加竖向附加力时，交界面向上小范围内( 水平地压足够大) ， 井筒内侧竖向呈受拉状态；而当竖向附加力足够大时，该位置就呈受压状态。 图中外壁出现的最大拉应变或最大压应变，是由于模型建立过程中造成该部 位的应力集中引起的。本模型是为了研究整个井筒的受力状态，根据圣维南原理， 这些应力集中现象可以不作考虑。 图4 5 竖向附加力为零时井壁竖向应变云图 图4 _ 6 竖向附加力为0 3 3 m p a 时井壁竖直方向应变云图 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 4 本章小结 通过对深厚表土中立井井筒非采动破坏过程有限元模拟结果与实际观测结果 相比较表明，a n s y s 有限元模拟软件适用于立井井筒非采动破坏过程的有限元模 拟，数值模拟计算结果能够准确的反映实际的立井井筒在增加的竖向附加力作用 下的应力应变变化，且根据数值模拟结果可以对立井井简的破坏状况进行定性或 定量的分析，有限元模拟计算所得到的主要结论有以下几点： ( 1 ) 立井井壁竖直方向应变在底部含水层与基岩交接面附近达到最大，因此立 井井壁的破坏多发生在接触面的附近。 ( 2 ) 立井井筒破坏首先从井筒内壁开始，内壁在附加应力作用下最先达到塑性 状态，然后逐渐扩展到外壁，从而导致立井井筒的破坏。 ( 3 ) 当不考虑竖向附加力时，竖向最大压应变出现在交界面以下，只有当逐渐 增加竖直附加力，最大压应变才出现在交界面以上，这进一步验证了竖向附加力 的作用是导致井筒破裂的原因所