（岩土工程专业论文）混凝土水化热对井壁和冻结壁的影响研究.pdf

摘要 摘要 本文在现有的冻结法凿井，井壁、冻结壁设计理论的基础上，结合冻土的物 理力学特性和混凝土水化热性质，分析冻结法施工井壁混凝土的基本组成成分、 放热性能及水化热的产生机理和理论计算方法。对井壁施工过程中温度、应力监 测分析，得出井壁和冻结壁温度场分布变化规律，冻胀压力变化规律和井壁钢筋 混凝土的受力规律。通过物理力学性能室内试验，得出冻土比热、导热系数以及 基本冻土力学参数。结合混凝土水化热情况下冻结壁井壁温度场数值计算模型的 建立方法，运用有限元软件a d i n a 建立数值模型，进行冻结壁温度场计算，得 出冻结壁温度场分布特性。模拟并比较某矿在原型状态，不同井壁厚度，不同井 帮温度，不同通风条件四种状态下的冻结壁和井壁的温度场，得出井壁最高温度、 摄大温差、回冻时间、冻结壁融化范围等参数。导入温度场计算结果，对井壁冻 结壁相互作用进行温度场应力场耦合计算，得出外井壁温度应力分布、冻结壁应 力分布、工作面底鼓、井帮位移等关键结果。 通过对实测结果和数值模拟进行对比分析，得出冻结壁对井壁的作用规律。 通过本课题的研究可以初步了解冻结壁形成过程和冻结法施工过程中两壁的温度 场分布和冻结壁回冻对井壁的作用规律，对改进冻结施工方法、井壁设计具有一 定的参考意义。 图 7 0 表 1 8 参数 7 5 关键词：冻结壁：井壁；温度场：水化热；。现场监测；数值分析 分类号：t d 2 6 5 3 摘要 a b s t r a c t o nt h eb a s eo fl i n i n ga n df r o z e nw a l ld e s i g n i n gt h e o r i e s ，a n dt h ep h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff r o z e ns o i l ，h y d r a t i o nh e a to fc o n c r e t e ，a n a l y s e st h e c o m p o n e n t sc h a r a c t e r i s t i c ，m e c h a n i s mo fh y d r a t i o nh e a tp r o d u c t i o na n dc a l c u l a t i o n m e t h o do ns h a f ts i n k i n gb yf r e e z i n g t h r o u g ht h em o n i t o r i n go ft e m p e r a t u r ea n ds t r e s s i ns h a f tl i n i n ga n df r o z e nw a l l ，o b t a i nt h ev a r y i n go ft e m p e r a t u r ef i e l ds t r e s sf i e l da n d f r o s th e a v eo nl i n i n ga n df r o z e nw a l l ，t h r o u g ht h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lt e s t i n g ， o b t a i nt h eh e a tc a p a c i t y , c o e f f i c i e n to fh e a tc o n d u c t i v i t y ，a n do t h e rb a s i cm e c h a n i c a l p r o p e r t y c o m b i n et h en u m e r i cc a l c u l a t i o nm e d a lo fc o n c r e t eh y d r a t i o nh e a t ，u s i n g a d i n af i n i t ee l e m e n tp r o g r a m ，n u m e r i c a l l ys i m u l a t e st h et e m p e r a t u r ef i e l do ff r o z e n w a l la n ds h a f tl i n i n g n u m e r i c a l l ys i m u l a t e st h et e m p e r a t u r ei n t e r a c t i o no ff r o z e nw a l l a n ds h a f t l i n i n g i nf o u rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，o b t a i nt h em a x i m u mt e m p e r a t u r e ， t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，r e f r o z e nt i m e ，t h a w i n gl i m i t so ff r o z e nw a l l b a s eo nt h er e s u l t ， s i m u l a t e st h es t r e s si n t e r a c t i o no ff r o z e nw a l la n ds h a f tl i n i n g t h r o u g hc a r r i e s t h ec o n t r a s ta n a l y s i st ot h e a c t u a lr e s u l ta n dt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，f i n a l l yo b t a i n s t h ei n t e r a c t i o nl a w sb e t w e e nh y d r a t i o nh e a tl i n i n ga n d f r o z e nw a l l t h r o u g ht h i st o p i c ，t h ef r o s th e a v eo ff r o z e ns o i la c to nt h ef r o z e nw a l li n t h ef r o z e ns o l i df o r m i n gw a ss t u d i e d t h i st o p i ch a sc o n s i d e r a b l er e f e r e n c ev a l u ei n s h a f ts i n k i n gb yf r e e z i n ga n ds t r u c t u r a ld e s i g no fs h a f tl i n i n g f i g u r e7 0 t a b l e18r e f e r e n c e7 5 k e y w o r d s ：f r o z e nw a l l ：s h a f tl i n i n g ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；h y d r a t i o nh e a t ；f i e l d m o n i t o r i n g ；n u m e r i c a la n a l y s i s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 2 6 5 3 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 塞徼堡王盍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：糊日期：坦丑年彭月绰日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞微理三太堂有保留、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 塞邀垄王太堂。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) 签字曰期：? 呷年形月d 7 日 签字日期：加哆年6 月尹日 l 绪论 l 绪论 1 1问题的提出 跨入2 l 世纪随着我国国民经济建设的迅猛发展和人民生活水平的不断提高， 对能源需求越来越大。目静，我国能源仍有7 0 依赖于煤炭。据统计我国2 0 0 4 年原煤产量达到了1 9 5 6 亿吨，比2 0 0 3 年净增2 亿吨，而专家估计我国煤炭的年 需求量将达到2 8 亿吨“1 。可见，煤炭生产的缺口很大，建设一批新的大型、特大 型矿井已是我国经济建设和发展的需要。但在新井建设中，首先面临着井筒穿越 不稳定表土地层的技术难题。目前，我国通过表土地层的凿井方法主要有冻结法 和钻井法，由于人工冻结法施工适应性广，在施工过程中后续手段多，施工速度 快，因此，在工程中得到更多的应用。我国的人工地层冻结技术始于1 9 5 5 年，首 次在开滦林西风井成功应用，随后冻结法凿井在煤矿井筒施工中得到了普遍应用。 虽然近几十年来人工冻结理论有了长足的发展与进步，关于冻结壁的理论和 计算方法已经发展得较为成熟，但是由于冻土是由土、水冰和气组成的多元多相 空隙介质，其非均匀性和各向异性使得冻土体温度场、应力场和位移场的研究计 算非常复杂，以及入工冻结运用深度和广度的不断增多，给工程界提出了许多新 课题，还有待进行进一步的研究。 过去，在人工地层冻结理论研究和旌工设计中，对冻土墙与其周围地下结构 物的相互作用虽然开展了大量的现场实测工作和试验研究，在冻结壁设计也有专 门的设计取用荷载，但是这些工作的完整性和准确性都值得进一步探讨的问题。 如今，随着如火如荼的矿井建设设计和施工的需要和冻结壁、井壁的深度和厚度 都在不断增大，作为大体积混凝土的井壁结构，需要增强维护结构的抗压能力， 但此种情况下混凝土的水化热及其造成的衬砌和冻结壁的相互作用，以及混凝土 内衬和冻结壁共同作用都是摆在工程界，学术界的崭新课题。目前国p q # t - 就非均 匀温度场中结构物的强度和稳定性及其在周围结构物的共同作用问题研究甚少。 因此，本文基于考虑冻结井壁混凝土水化热、水化热对冻结壁的影响因素范围。 冻结壁回冻对井壁冻胀作用，研究冻结壁温度场应力场的耦合规律及其与冻结井 壁的共同作用规律。 1 2 冻结法凿井的工程概述 人工冻结法凿并的基本原理：在井筒开挖以前，在井筒周围钻造一圈或数圈 钻孔，并在钻孔内下放冻结管( 冻结器) ，利用人工制冷的方法降低薪水( 冷 安徽理i ：人学硕士学位论文 媒剂) 温度，通过低温盐水在冻结管内循环吸收地层热量，使地层形成一个连续、 封闭的冻土结构冻结壁( 冻土墙) ，以抵抗地层的水土压力，隔绝地下水与 井筒开挖工作面的联系，在冻结壁的保护下进行井筒施工。冻结法的实质是将天 然岩土中的水冻结成冰，使天然岩土变成冻土，实现了可靠的隔水目的，从而大 大提高了土体自身的强度和稳定性。 冻结井筒施工基本过程：根据冻土墙距荒径距离、土层性质、冻土温度及 冻结壁强度等因素综合考虑，以冻土墙未进入荒径或在膨胀性粘土中施工为主导 原则，确定施工段高：用风镐，风铲，抓岩机等设备挖掘到设计段高，并把矸 石排出矿井：井壁浇注，沿井筒荒径周圈铺设单、双和三层泡沫板，泡沫板厚 度为2 5 r a m ，采用圆钢制作的t 型钢钉，按一定间排距将泡沫板固定在井帮上，内 外层的接头相互错开，用宽胶带将泡沫板粘连成一个整体。绑扎井壁的环向，竖 向钢筋， 下放整体下行式大模板，混凝土由地面搅拌站将运送到井口，装入2 m 3 或3 一 底卸式吊桶，通过主、副提升机运至井下分灰器上方，打开闸门，经分灰器的六 根2 0 3 r a m 胶管快速均匀对称入模，插入式高频电动振捣器，捣固混凝土。 1 3 冻结法凿井的工程运用和国内外研究现状 1 3 1 冻结温度场研究 根据冻结法原理可知，地层冻结法施工成败的关键是形成的冻结壁支挡结构 的可靠性，而冻结壁的力学性能又取决于冻土的力学性能，冻土的力学性能取决 于冻土的负温条件【3 1 ，可见研究冻结壁力学性能，首先应掌握冻结温度场的性状， 和地层的冻结特性。显然，冻结温度场的研究在人工地层冻结法中占具首要的位 景。 实际上冻土温度场的研究也是冻土生成条件、冻土工程、冻土环境、冻土改 造和利用以及冻胀预报等问题研究的基础，也是研究冻土学的基础 冻结温度场是一个含有相变的温度场，具有移动的内热源和复杂的边值条件， 在整个地层的冻结过程中冻结温度场随时间和空间而变化，是一个不稳定温度场。 研究和掌握冻结温度场的目的是：1 求算冻土的强度，以计算冻结壁的厚度；2 检查和确定冻结壁的形成情况及发展厚度；3 冻结冷量计算【们。 人们对冻土温度场的研究己有1 6 0 多年的历史，但早期由于测试手段的限制， 对冻土温度场的认识只是处于一种表面的和感知状态。直至2 0 世纪早期，俄国成 l 绪论 立了冻土研究委员会后，才开展了较为广泛的研究。2 0 世纪中叶( 1 9 4 5 1 9 6 0 年和1 9 6 1 1 9 7 1 年) 又经历了两个较快的发展时期，先后开展了与温度场有关的 热力学、热物理学、土壤水热改良、工程建筑地基稳定性以及地球表面和岩石圈 层的形成等方碡的试验研究和以解析解为主的理论计算研究。2 0 世纪7 0 年代后， 计算机和数值方法在前苏联冻土领域得到了广泛应用，使以前许多难以解决的具 有复杂几何形状和地质条件、考虑热质交换的非线性问题在深度和广度上都有了 新的发展。真j 下开始理论性研究并被公认为这门学科理论奠基人的是前苏联学者 c y m r a a ，m h 。在温度场等热物理研究方面以k y p a s a e bb a 为杰出代表。 北美、西北欧的一些国家和地区，与前苏联一样。由于自然资源的丌发需要， 也推动了冻土温度场及其相关学科的研究进展。2 0 世纪初阿拉斯加金矿的开采和 1 9 4 2 年北美战备公路的严重冻害的出现，促进了对温度场理论上的较全面研究。 在加拿大，这项研究的蓬勃发展主要起源于对极地多年冻土区石油、天然气等资 源的开发。上世纪7 0 年代。这些国家相继进入了研究的高潮。除自然资源的开发 需要外，现代监测技术和计算机技术在冻土研究领域中的应用也加速了该学科的 发展。b o n a i c i n ac 和f a s a n a a c ( 1 9 7 3 ) 求得了一维非线性温度场的数值解，同期， 还开展了与温度有关的其他闻题的科学研究。 我国在冻土温度场的研究上起步相对较晚，上世纪5 0 年代。余力教授首次采 用水利积分仪对人工冻结法凿井温度场进行研究，根据圆管稳定导热方程推导了 计算单管冻结时间的经验方程；徐枚( 1 9 6 2 ) 研究了天然细砂地基的温度场。此 间的研究，主要集中在开展室内、外观测和经验方程的建立方面。直至7 0 年代后 期，力逐渐开展非线性相变温度场的数值模拟( 郭兰波1 5 l ，1 9 8 1 ；丁德文坤j ，1 9 8 2 ) 。 1 9 8 3 年张燕等人就立井井筒的冻结壁温度场进行了有限元数值模拟计算；陈湘 生、陈文豹、汤志斌、王长生等人就许多矿区的不同冻结深度的井筒，对单圈冻 结孔和双圈孔冻结情况的冻结壁温度场进行了全面系统的工程实测。获得了冲积 层深4 0 0 米以内的冻结壁形成与解冻的规律与特性，并根据工程实测数据分析处 理，建立了冻结壁平均温度的经验计算公式( 陈斌公式) ，目前仍普遍应用于工程 实际计算。 上世纪8 0 年代后，世界各寒区先进国家对冻土研究的重视及相关学科的发 展，进一步推动了本学科向多维多相非线性问题和多场相互作用问题理论模型的 建立和求解、研究和应用现代化高效能及高精度的试验技术领域的发展。 就理论研究而言。冻土温度场研究己从早期的定性描述发展到了今天的利用 计算机进行三维数值分析和模拟。其间经历了以试验和实测为主的经验方程、均 安徽理工入学硕士学位论文 质一维、二维线性稳定问题和一维非稳定问题的解析计算等。 随着科技的进步，人们在研究冻土冻结温度场的手段上已经有了根本性的提 高，借助大型有限元软件进行多种条件下二维、三维问题的温度场的数值模拟， 已经成为复杂工程冻结温度场计算与分析的主要方法；在温度场的监测上实现了 计算机控制自动温度数据采集和分析，大大提高了量测温度的精度和温度场性状 分析的水平。 1 3 2 冻土力学性质研究 冻土力学研究主要有冻土的强度、变形特性、影响因素以及冻土在工程中的 应用。开展冻土力学研究最早的国家是前苏联，并有如下几个代表性的研究成果： 1 9 2 7 年以前。由于缺乏直接的试验数据，有些学者就认为冻土强度是冻土与 河冰的平均抗压强度( h c b o r i i a h o b ，1 9 1 2 年；h i h h e r h h ，1 9 2 4 年) 。 在1 9 2 7 - 1 9 3 7 年间，人们首次获得了冻土抗压、抗拉、抗剪和抗扭强度与其 成分、含水量和负温值之间的关系数据资料，并首次进行了冻土在局部荷载和侧 限条件下融化下沉总量的试验研究。同时，还证明了定量热工计算时应考虑正冻 和正融土中水分相变的必要性( c c k o b h c p 。1 9 3 3 年) 。 1 9 4 0 年，前苏联学者b h b e y a 6 p r 首先研究了土中的冰及其对冻土力学性质 的影响。h i a u 姗b h q 揭示了冻土中存在未冻水的事实，并说明了未冻水含量直 接与负温条件有关。 随后，在冻土中水和冰的平衡状态理论、结构冰学理论等新的物理理论提出 的基础上，冻土研究者开始对研究成果进行总结，并对原有一些观点进行了重新 研究。在此阶段中，h a t m n o n o b ( 1 9 4 7 ) 在他的博士论文中肯定了不只是正冻土 中有水分迁移，而且在已冻土中( 在负温梯度作用下) 也有水分迁移。h a l i 姗b h i i 和c c b u o b 于1 9 5 5 年解释了冻土流变为随时闯变化的一个物理过程，认为在恒 定荷载作用下，冻土颗粒在冰晶处会发生相对移动，从而导致冰的压力融化。 1 9 7 5 年，c c b s _ a o b 在其博士论文中论述了冻土的屈服性流变性和承载能 力。1 9 6 2 年。c c b a o s 提出了冻土应力应变简单的幂函数关系式：盯= a - 占“， 式中，盯为应力；占为应变；彳和m 为参数。 h a i b r r 0 b h q 将冻土的应变分为瞬时变形厶和蠕变变形岛，如= 占。+ 则按照迭加蠕变理论有：g = ! 掣+ 降( ，一f o ) ，o ) a t ，式中，o ( t ) 为r 时刻的应力；e 丘-； 为冻土平均弹性模量；以) 为t o 时刻的应力；k 为应力变化系数。上式右端第一 1 绪论 项表示瞬时应变，第二项表示随时问交化的蠕变变形 随后，人们开始考虑温度、应力、应变的综合效应，以下学者在这方面做出 了重要贡献：t s i t o v i c h ( 1 9 7 3 ) 、f e l d m a n ( 1 9 7 3 ) 、o r l o v ( 1 9 7 7 ) 、p e n n e r 、u e d a ( 1 9 7 7 ) 、 c u r t h i n ( 1 9 7 8 ) 、t a y l o r 、c u r t h i n ( 1 9 7 8 ) 、m i l l e r ( 1 9 7 8 ) 、e r s h o v ( 1 9 7 9 ) 、 g r e e h i s e h e v ( 1 9 8 0 ) 、m e r z l o v e d e n i e ( 1 9 8 1 ) 、0 n e i l l ( 1 9 8 3 ) 、h o l d e n ( 1 9 8 5 ) 等也都从事 过冻土应力应变的研究，但都没能建立一个理想的模型。1 9 8 9 年，vn r a z b e g i n ( 莫斯科地基基础研究院) 假设冻胀和融沉的温度场为： c 百8 t = v ( v 正) ；c ：署= v ( 五v e ) ；五号牛一五号咔= 巧警 或：c 芸= v ( 五v z ) 十越，方程中的下标1 为未冻区、2 为冻结区ic 为热容： a r 为温度；五为导热系数；_ ，、口为单位体积热迁移量；三为潜热：v 为拉普拉 斯算子，v = 兰。与应力的平衡方程相联，即，v ，+ 只= 0 。其中：户= 露、 盯为冻土应力。最后，根据热力学第一、第二定律，解得了温度、应力、应变 的关系为：乃= 甜。气+ 口( r 一瓦) 勺+ 鼠( q - c 。) 占f ，式中尾为蠕变系数。到 了这一阶段，冻土体的应力场与温度场己初步结合起来。 j 在我国，1 9 8 5 年由张长庆、朱元林翻译出版了，h a l i 姗b h q 冻土力学 ( 1 9 7 3 年) ；1 9 8 8 年吴紫汪、丁德文等出版了冻结凿井冻土壁的工程性质( 兰 州大学出版社) ；1 9 9 4 年中国科学院兰州冰川冻土研究所吴紫汪和、马巍出版了 冻土强度和蠕变：制定了冻土试验方法标准( 煤炭工业出版社，1 9 9 5 年) 。 系统地论述了冻土抗压强度、抗剪强度、流变强度、冻土结构的变形效应和人工 冻结壁蠕变变形与应力计算。 目觚，各国学者对冻土力学性质的研究已经形成了全方位，多手段的研究格 局，广泛开展研究冻土的动力学性质、蠕变变形性质、冻土在加载与卸载过程中 不同应力路径下的力学特性、利用核磁共振技术研究冻土中未冻水的含量以及利 用c t 技术研究冻土的微观结构特性及其在加载和卸载过程中的变化规律等。 1 4 井壁水化热研究现状 1 4 1 国外研究概述 瑞典律勒欧理工大学的b e m a n d e r ( 1 9 8 8 ) 嗍对于混凝土的早期丌裂进行了很多 安徽理工人学硕士学位论文 研究，在文献 1 0 l 中研究了由于水化热体积变化而引起的早期开裂和约束程度在早 期混凝土变形与硬化中混凝土的过渡态力学性质中的重要作用等。指出了传统的 建立在裂缝危险性标准基础上温度观点的不充分性和混凝土的不均匀成熟过程； 对于混凝土水化热体积变化引起的早期开裂进行了理论推导，对裂缝分为膨胀阶 段和收缩阶段裂缝，并提出了控制早期裂缝的一般原则和实际措施以及控制大体 积混凝土裂缝的特殊措施 e m b o ga n db e m a n d e r ( 1 9 9 4 ) 【4 j 中对早期温度应力和温度裂缝进行了很多实 验，包括徐变实验、混凝土热体积自由缩膨实验、松弛实验等。在理论计算模型 中，考虑了早期混凝土的温度变化、温度传导以及混凝土配筋因素，这篇文献指 出，在计算机仿真研究中，要控制早期混凝土结构的温度裂缝和应力，单单考虑 早期混凝土结构内的温度分布是不充分的。 m e l g a a l y ( 1 9 8 8 垆j 对混凝土结构中的梁、墙板和楼板的温度梯度进行了理论 研究和实验测试，并进行比较，推出了几个影响参数的计算公式f r a n k j v e c c h i o ( 1 9 8 7 ) 州对在温度作用下的钢筋混凝土框架进行非线性分析，推导了计 算公式，给出了计算机程序流程，对于计算机的仿真计算提供了有益的指导。 m i r a m b e l l ( 1 9 9 0 ) 【7 1 进行了箱式梁混凝土桥的温度和应力分布分析。这篇文献 中提出了非线性模型，预测了温度和应力分布，并同其它文献中的经验结果进行 比较，并做出了横断面的温度影响和应力重分布曲线。 美国s a n d o rp o p o v i e s 研究了大体积混凝土的配合比，认为大体积混凝土材料 选材上应优先选用水化热低的水泥，如火山灰水泥，在大体积混凝土中掺加粉煤 灰，根据a c 标准2 1 1 1 - 3 提出的准则：对于内部混凝土，可以掺加相当于胶凝材 料绝对体积3 5 的矿渣、天然水泥或粉煤厌；而对于外露混凝土则为2 5 。其它火 山灰质混合材的掺量应该更少。同时认为集料应采用在一般技术和经济条件下许 可的最大粒径。 英国的悉尼“明德斯与美国的丁弗朗西斯杨认为大体积混凝土强度不高 是可以充分利用的优点。应用粒径达1 5 0 m m 直径的大集料，其体积不应大于总体 积的2 0 3 0 。英国莱登研究了泵送混凝土的特点，着重研究了砂的含量即砂率 对大体积混凝土浇灌的影响，认为最佳砂率约占4 2 的总集料量。 在大体积混凝土的施工与后期养护方面，日本混凝土工程学会在防止大体积 混凝土产生裂缝的措施有：首先采用早期水化热较低的水泥，减少单方水泥用量， 使用缓凝减水剂，掺加粉煤狄，加大租骨料粒径，设法降低混凝土温度，其次应 防止大体积混凝土表面温度急剧下降及表面过快干燥，注意拆模时间，再者在设 i 绪论 计中应根据情况安排伸缩缝，使裂缝集中在伸缩缝处或增加防裂钢筋。对混凝土 可要求将设计强度标号的龄期内2 8 天适当的加以延长。前苏联认为对大体积混凝 土应布置温度伸缩缝，且应在设计中具体计算出缝的间距，最小为5 1 0 米，最大 为4 0 8 0 m 。美国内务部垦务局规定在大体积混凝土的施工中。为加快早期混凝 拌和物的散热量，采用薄层连续浇筑，每薄层厚度不应超过1 8 英寸( 4 5 c m ) 。 y a n - z h o un i u ( 1 9 9 5 ) p j 中对早期混凝土热力学进行了有限元分析，并考虑了大 体积混凝土中的水化热分布和环境温度变化，其预测裂缝与现场的实测结果基本 一致。 r s a ir a w i 和g f k h e d e r ( 1 9 9 0 ) 研究了底部连续约束的混凝土墙体收缩丌裂问 题。指出了裂缝间距主要与墙体高度和水平配筋有关：钢筋混凝土中收缩和温度 裂缝主要受钢筋和混凝土表面粘结特性所控制；并且指出了控制混凝土墙体收缩 裂缝的两个途径：通过设置可动结点来降低约束( 如：减小墙体的长高比l h ) 和配 簧钢筋来分散裂缝，把素混凝土墙体中的数量不多的宽裂缝分散成钢筋混凝土墙 体中的大量的细小裂缝，从而达到把裂缝控制在容许范围之内的目的。 e u n - l k y a n g ，s h i r o m o f i t a 和s e o n g - t a _ e y ( 1 9 9 9 ) 研究分析了轴向约束的高强混 凝土梁的早期收缩开裂机理。指出当高强混凝土构件轴向完全约束时，裂缝可能 在拆模时间之前就形成、开展，这种现象主要是由于水泥水化热所带来的温降及 混凝土的自身收缩体积变形所引起的，而不是由于干缩所致，因为那时干缩还没 有丌始( 文中假定拆模前的应变只是由于混凝土内部温度改变所引起的) 。本试验 中指出：完全无外约束的钢筋混凝土构件，由于纵向钢筋的约束所引起的约束应力 2 8 天达到0 8 m p a ，这样，对于钢筋混凝土构件，表面裂缝就可能产生。另外，对 于高配筋率的高强混凝土构件，还可能产生贯穿裂缝，对于被约束的高强混凝土 构件，由于高水化热和早期迅速增长的弹性模量所引起的开裂的可能性增加了。 在温度场、温度应力场仿真分析方面，1 9 8 5 年美国陆军工程师s b t a t r a 和 e k $ c h r a d e r 对w i l l o w 坝采用一维温度场分析，开创了仿真分析的先例。 1 4 2 国内研究概述 在现浇混凝土早期裂缝控制的问题上，王铁梦( 1 9 8 7 ) 、朱伯芳( 1 9 7 6 ) 等人己 进行了大量的温度应力和裂缝控制的实验研究。在理论计算的基础上，得出了很 多控制温度裂缝和防止裂缝的技术措施。 王铁梦( 1 9 8 7 ) 对于大体积混凝土的裂缝研究进行了系统的分析。在设计、施 工等各个环节都提出了有效的措施。进行了早期现浇混凝土的温度分布和收缩徐 安徽理工人学硕士学位论文 变影响的理论分析，提出了温度计算的理论方法的收缩预测公式，并介绍了取消 伸缩缝的理论与实践依据，并在工程中得到应用 陈志明、管大庆结合工程实例分析了在高温下的大体积混凝土内部的温度交 化规律。根据有关工程，对不同厚度的大体积钢筋混凝土在高温下混凝土内部温 度进行了施工全过程的跟踪和实测，统计整理出混凝土的中心部位的温度升降变 化的全部曲线。在大量工程实例的整理统计基础上，并考虑各种施工因素，提出 了大体积混凝土在高温情况下的最高温度值的经验计算公式。 与大体积混凝土结构相关研究的在国内有黄国兴、惠荣炎的混凝土的收缩， 惠荣炎、黄国兴、易冰岩的混凝土的徐变，沈旦申的粉煤灰混凝土，傅作新教授 的工程徐交力学和唐崇钊工程师的混凝土的徐变力学与试验技术等。 天津大学崔亚强通过对大体积混凝土温度裂缝的产生及变化规律的分析。研 究了大体积混凝土二维温度场的机理。建立了大体积混凝土的二维温度场的数学 模型，并使之计算程序化。根据工程实际情况，数学、系统、准确地预测大体积 混凝土内部温度场的变化规律，为大体积混凝土施工提供决策依据，并提出了大 体积混凝土的施工新工艺。 在温度场、温度应力场仿真分析方面，朱伯芳提出的扩网并层算法，西安理 工大学提出的网格浮动法，武汉水利电力大学提出了非均质单元法，大连理工大 学的波函数法，河海大学在1 9 9 0 年至1 9 9 2 年自j 结合小浪底工程完成了大体积混 凝土结构的二维、三维有限元仿真程序系统( t c s a p ) ，且提供了丰富的前后处 理和图形输出技术，清华大学刘光廷应用“人工短缝”成功地解决了溪槟碾压混 凝土拱坝两岸的温度拉应力问题。在应力开裂仿真计算方面，武汉水利电力大学 的肖明提出了考虑外部温度变化效应的三维损伤开裂非线性有限元分析方法；陈 敏林提出了估算应力方法；朱伯芳的并层算法和分区异步长法；刘光廷的大体积 混凝土结构温度场随机有限元算法；曾昭杨教授等系统地研究了碾压混凝土拱坝 中“诱导缝”的等效强度、设置位胃、开裂可靠性问题，河海大学陈里红首次在 温度应力仿真分析中考虑了混凝土的软化特性，并在龙滩碾压混凝土坝的温控设 计中建立了一、二、三维有限元综合分析的数值模型。上述的温度场、应力场仿 真分析法一般是结合具体的工程进行研究的，尽量将温度应力、开裂与仿真相结 合，各种方法计算出的温度场相近，但应力场有一些差别。 1 5 本文的主要研究内容 ( 1 ) 通过查阅大量文献，分析井壁混凝土和冻土的温度变化特性 8 - l 绪论 ( 2 ) 对冻结壁、井壁的温度场和应力场进行现场监测及数据分析处理。 ( 3 ) 进行冻土物理力学性能室内试验，掌握冻土的导熟系数、冻结温度、比 热容、弹性模量以及泊松比等参数。 ( 4 ) 运用a d i n a 有限元程序对监测层位的冻结壁形成特性进行数值模拟，分 析冻结壁厚度、平均温度以及井帮温度。 ( 5 ) 在井壁浇筑过程中，考虑混凝土水化热的影响，对井壁和冻结壁在原型 状态、不同的井壁厚度、不同的井帮温度和不同的通风条件进行模拟，分析井壁 和冻结壁温度场分布特性，得出冻结壁融化范围、回冻时间、平均温度等关键参 数。 。 ( 6 ) 对井帮温度、井壁内部温度的现场实测值和数值模拟结果进行比较，分 析用有限元模拟井壁温度场的可行性。 ( 7 ) 对冻结壁初始应力场、冻结壁对井壁作用进行数值模拟。 1 6 研究方法技术路线 ( 1 ) 理论研究 对混凝土的温度变化过程 热学性能，放热量进行分析计算， 对深井冻结粘土的吸热融化过 程，及回冻过程的热量传导进行 理论计算。 ( 2 ) 现场实测 现场埋设压力盒，钢筋计， 温度监测元件。实时监测井壁受 力及内部钢筋应力状态，冻结壁 井壁温度特性，通过实测数据分 析冻结深井混凝土井壁受力，冻 结壁温度变化特性。 ( 3 ) 数值模拟 通过数值计算的方法，模拟 图i 技术路线 混凝土水化热情况下，冻结法凿 f i g 1t e c h n i c a ll i n e 井施工过程中。分四种情况计算，冻结壁温度场分布特性，冻结壁融化范围，回 冻时间，井壁温度场分布特征。温度场应力场耦合计算冻结壁相互作用规律。 安徽理工大学硕士学位论文 2 井壁混凝土水化热分析和冻土性质 随着矿井开采深度的加深。井筒穿越表土地层厚度增大，井壁厚度也随之加 大，由于混凝土的物理化学组成成分的缘故，混凝土发生水化热温升过程，将引 起冻结壁井壁温度场发生变化。大体积混凝土温度场属于有内热源的非稳态温度 场，水泥的水化热作为其内热源，是混凝土温度场变化的内因是影响混凝土温 度应力的一个重要因素。冻结壁温度较低，是引起混凝土井壁温度场变化的外因。 混凝土水化热会引起冻结壁温度场的变化，致使冻结壁部分融化，随着融土回冻， 又会对井壁产生冻胀压力。给井筒的安全性带来威胁。因此，有必要对井壁混凝 土水化热的情况进行试验分析和理论研究，掌握井壁混凝土水化热对冻结壁和井 壁的影响规律，为井壁设计和井筒施工提供依据和指导。 2 1并壁高性能混凝土的组成成分及其性能 2 1 1 水泥 水泥是影酾混凝土强度的主要因素。也是水泥石自身强度产生的根源。一般 混凝土破坏常常发生在水泥石与优质骨料的界面处，即水泥混凝土的强度主要取 决于水泥石和骨料的粘结力。因此。要提高混凝土的工作性能，首先要选择合适 的水泥。 水泥熟料中，从实用角度可以用四种矿物成分表示：即c ，s 、c ，s 、c ，a 、 c 4 a f 。c ，s 在水泥熟料中占比重大，凝结硬化快，放热量大与较高的早期强度 有关，早期强度增长是因水泥中的c ，s 含量比较高、硬化快、放热量大，但强度 甚低，收缩也大。相反c s 的水化要慢得多，放热量最少，相伴随的强度和水化 热都比较低，但有一定的后期强度。g a 含量过多( 在5 以上) 的水泥很容易 收到硫酸盐或盐溶液的侵蚀，c ，a 是引起水泥凝结不正常的主要原因。规范一般 规定氧化镁含量最多不得超过5 ，超过此值时水泥水化较慢，在湿( 或时干时 湿) 混凝土中导致有害的膨胀。 水泥的活性，在很大程度上取决于水泥熟料的矿物成分，水泥的矿物成分对 水泥颗粒水化的速度与深度，对水泥石和混凝土的硬化速度和最终强度，有着决 定性的影响。尤其冻结法施工井筒时，与水泥矿物成分的关系就更大。 水泥各种矿物成分在完全水化时所放出的总热量，硅酸三钙为5 0 2 k j k g ，硅 酸二钙为2 5 0 k j k g ，铝酸三钙为8 6 6 7 k j k g ，铁铝酸四钙为4 l 8 7k j n 噜。磨得较细 一l o 2 井壁混凝士水化热分析和冻土性质 的水泥。初期放热量较大。养护温度对水泥水化放热也有很大的影响一般促进 快硬的因素均使早期放热量增加。水泥长期储存后水化热减少。如下三种硅酸靛 水泥在不同养护下7 2 h 放出的水化热见表l i l 6 l 表1 水泥在不同的养护温度下放出的水化热( k j k g ) ! ! ! 堕! ! 巴! 坐! ! 苎! ! ! z ! 垡! ! ! 堡! ! ! ! 竖! ! ! ! ：i ! g ! ! 竺篓翌! ! 堡l 鉴! ! 堕2 水泥类型4 c 2 4 ( 33 2 c 4 1 国际建联混凝土冬季施工委员会建议，以在5 下最初7 2 h 内发出的水化热 量作为水泥分级标准。按水化热分为4 等，见表2 f 1 6 1 。 表2 水泥水化热量表 ! ! ! ! ! ：坚塑堡! ! ! ! 壁9 1 竺! l 型! ! ! ! 里! 坐 分级水泥品种在5 c _ 卜最初7 2 h 内 备注 发出的水化热量 采用超快硬水泥配胃混凝土，在低温条件施工中效果明显。使用超快硬水泥 时，水化热放出较早，早期强度高得多。在较低的温度下，这种优越性在7 天以 前特别突出。但是这种水泥在大体积的井壁结构中是不太适用的，因为水泥水化 热早期发热量大，使混凝土浇注块内部温度过高，而井壁表面受冻结壁低温的影 响，温度较低，形成内外温差，最容易产生裂缝。 配制高强混凝土用的水泥宜选用5 2 5 或更高标号的硅酸盐或普通硅酸赫水泥。 如混凝土强度等级不超过c 6 0 ，也可用4 2 5 水泥配制。同时要求水泥具有较高的c ，s 含量和细度( 比表面积3 5 0 0 4 0 0 0 c m 3 ，g ) 的特性，也就是说，水泥的矿务组成及 细度，对高强混凝土也有影响，特别是，在配置井壁高强混凝土时所选用的水泥， 其c 3 a 含量应尽可能低，因为水泥中c 3 a 含量大，对减水剂的吸附量大，塌落度经 时损失也大。 高细度的水泥能获得早强，但后期强度很少增加，并且其过快的水化反应可 安徽理上大学硕士学位论文 能导致混凝土的流动度损失过快及早期水化热过高，对抗裂不利。因此井壁高强 高性能混凝土不宜选用细度过高的水泥，以免内层井壁开裂、冻结壁解冻后造成 井壁渗、漏水。 配制煤矿井筒高强混凝土的水泥用量较多，一般在4 0 0 5 5 0k g m 3 之自j 。水 泥用量的多少直接影响水泥水化热的多少，一般每m 3 混凝土水泥用量，每增减 1 0 k g ，水泥水化热将使混凝土的温度相应升降l 。因此，在保证混凝土强度等 级、和易性、耐久性的情况下，应尽量减少水泥用量，以减少水泥的发热总量， 从而降低混凝土内部的最高温度及所引起的温度应力。尤其是对于冻结井筒井壁 混凝土水化达到峰值时井壁内外温差大的特点，更应该控制水泥的用量，减小混 凝土的温升。 骨料在大体积混凝土中主要起骨架和填充作用，其主要技术性质有物理力学 性质和化学性质。不同粒径的骨料所起的主要作用不同，对它们的技术要求也不 同。骨料按粒径分为粗骨料和细骨料，在混凝土工程中，粒径大于5 m m 的颗粒 称为租骨料，俗称为石，粒径小于5 m m 颗粒称为细骨料，俗称为砂。大体积混 凝土和泵送混凝土施工中，为降低混凝士的内部温升和增加混凝土的可泵性，对 石和砂有一些特殊要求，需要在品种的选用和用量上加以注意和控制【。优质的 骨料不仅可以配置出高强井壁混凝土，同时也有利于提高混凝土的耐久性。 在大体积混凝土施工中，岩石种类的不同和骨料线膨胀系数不同，对大体积 混凝土的抗裂性能影喻较大如有的资料认为，混凝土的热膨胀系数可由水泥石 的热膨胀系数和骨料的热膨胀系数加权平均得到。因此，骨料的热膨胀系数( 线膨 胀系数) 也是基础大体积混凝土防止裂缝的关键因素。这是因为混凝土的热收缩应 变决定于混凝土温度下降的大小和热膨胀的线性系数，后者也是主要为骨料热膨 胀系数所控制。混凝土的热膨胀系数与骨料的品种有较大的关系，美国a c l 2 0 9 r 曾建议当没有具体资料时混凝土的热膨胀系数( q 。) 可由混凝土饱水度、水泥石和 骨料这三个部分来合成a “1 0 6 ) 1 1 9 1 。 口= e 。+ 3 1 + 0 7 2 e 。 ( 2 1 ) 式中：p 。混凝土饱水度分担部分 3 1 水泥石分担部分； 吒骨料总体( 砂石) 的平均热胀系数。 混凝土的热膨胀系数不仅影响到混凝土的温降应交，而且还影响到混凝土的 - 1 2 - 2 井壁混凝十水化热分析和冻十性质 约束拉应力。所以为了减小井壁开裂的可能性，必须选择降低混凝土热膨胀系数。 要降低混凝土的热膨胀系数，就必须降低粗骨料的热膨胀系数。如石灰岩，玄武 岩、辉绿岩、花岗岩等。租骨料应选用质地坚硬、级配良好的石灰岩、花岗岩、 辉绿岩等碎石或碎卵石。骨料母材的抗压强度应比所配制的混凝土强度高2 0 以 上。c 6 0 混凝土中最大粒径不宜超过3 1 5 m m 。粗骨料颗粒中针片状含量不宣超 过5 ，不得混入分化颗粒粗骨料的其他质量标准与还应满足普通混凝土用碎 石或软石标准。 细骨料应选用洁净、质地坚硬、级配良好的河沙，其细度模数c 6 0 混凝土不 宜小于2 3 。细骨料中的含泥量不应超过2 ，c 8 0 以上混凝土不应超过1 5 。 一般井筒施工时，需冲洗后使用。 2 1 3 混凝土外加剂 1 减水剂 减水剂是一种对规定和易性混凝土可减少拌和用水量的外加剂，这种减水剂 一般为可溶于水的有机物质，它可以改变新拌混凝土的性能，特别是提高混凝土 的强度和耐久性。减水剂在混凝土高性能化中的作用，在于其能够全面地提高混 凝土的性能因此，高效减水剂已成为高性能混凝土中除水泥、砂、石和水之外 的“第五组分”。目前国内常用的高效减水剂有：以茶为原料的茶磺酸钠甲醛缩 合物：以二聚氰胺为原料的磺化二聚氰胺甲醛树脂；以葸油为原料的聚次甲萘磺 酸钠；以甲基萘为原料的聚次甲基萘磺酸钠；以古马隆为原料的氧茚树脂磺酸钠； 以拷胶为原料的高效减水剂。 掺加高效减水剂已成为配制流态混凝土的主要手段。但是，加入商效减水剂 后混凝土坍落度经时损失较快。坍落度损失不仅直接影响到外加剂的使用效果， 还大大制约了搅拌站的服务半径以及泵送的高度和距离，处理不当就会使卸料困 难，导致混凝土中产生蜂窝、孔洞等缺陷，严重影响工程质量。如何控制坍落度 损失，己成为推广应用预拌大流动性混凝土必须解决的一大问题。 加入减水剂会加快水泥的水化速度。加入减水剂后，水泥水化放热速度的参 数较大的改变，水化热达到最终水化热一半所需时间缩短，水化速度加快。水泥 的最终水化热会有所增加，但相差不大。基准水泥加入减水剂后，促进了水泥早 期水化，从而增加了早期的放热量，而导致后期放热增加量较少。 2 膨胀剂 膨胀剂的主要特性是掺入混凝上后能起抗裂防渗作用，它的膨胀性能可补偿 1 3 - 安徽理工大学硕士学位论文 混凝上硬化过程中的收缩在限制条件下成为自应力混凝上。我国尘产的膨胀剂主 要品种有：u 型膨胀剂( 生、熟明矾、石h 等组成) ；复合膨胀荆( c e a ) ；铝酸钙 膨胀剂( a e a 一高强熟料、天然明矾石、石膏) ：e a l 膨胀剂( 生明矾石，石膏等 组成) ：f n m 膨胀剂( 硫铝酸盐混凝上膨胀剂) ：c s a 微膨胀剂( 硫铝酸钙等) 。 在混凝土中加入膨胀剂，可在混凝土中产生体积增大的水化产物。而表现出 膨胀性能，使