深厚冲积层冻结井筒复合井壁的强度特性分析

深厚冲积层冻结井筒复合井壁的强度特性分析

黄淮地区丰富的煤炭储量和明显的区位优势。但随着浅部煤炭资源渐趋枯竭,为确保煤炭工业的可持续发展,需进行深部煤炭开发。根据地质勘探资料可知,黄淮地区新井建设时井筒穿过的冲积层将厚达600~800m。在如此深厚的冲积层中建井,为抵御强大的荷载作用,必须要采用高强井壁结构。在国外的深厚表土层冻结井筒中,为了提高井壁强度,广泛采用铸铁丘宾块井壁结构。它具有强度高、质量可靠、及时承载和厚度薄等优点。但它的钢材用量大、加工复杂、成本高、井下装配精度要求高和施工速度慢等,不符合国情,难以在我国推广使用。根据井壁结构设计理论可知,提高冻结井壁承载能力的方法主要有两种:一是提高筑壁材料强度;二是通过选择合理的井壁结构形式,以改善其受力状态。结合冻结法凿井施工特点和我国国情,提出采用内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁结构。为深入了解这种井壁结构的强度特性,本文采用有限元法对其进行了数值模拟分析。1有限元网格划分数值分析采用大型通用有限元软件——ANSYS,它不但可以很好的模拟井壁结构的受力条件和内层钢板高强钢筋混凝土的本构关系,而且可以按照原型结构参数直接进行计算,方便地获得包括井壁结构的截面应力、应变和承载能力等数据。外层钢筋混凝土采用分离式模型建模,其中混凝土采用SOLED65三维实体单元进行划分网格,钢筋采用LINK8三维杆单元进行划分网格,钢筋和混凝土之间位移协调。内层钢板和外层钢筋混凝土层交界面之间选用结点共用算法,这主要是考虑到内层钢板井壁在受到均匀围压时,内层钢板和外层钢筋混凝土之间既不会产生滑移也不会产生分离,也就是说内层钢板和外层钢筋混凝土始终保持位移协调。高强混凝土采用多线性随动强化本构模型,钢筋和钢板均采用理想弹塑性本构模型。高强混凝土采用ANSYS自带的Willam&Warnke破坏准则,忽略混凝土的应力松弛阶段。作为空间轴对称问题,沿井壁高度方向取一微段进行模拟,假定在该微段内的高度方向上侧压力保持不变,有限元网格划分如图1所示。模型的边界条件为上、下端面的竖向(z方向)约束。2试验情况对比由于研究问题的复杂性,选用的材料本构关系和强度准则是否适合于井壁结构、计算误差大小等问题有必要进行检验。为此,首先在实验室内模拟井壁的实际受力情况进行了内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁结构模型试验,其中井壁模型外直径462.5mm、高度562.5mm,几何相似比为11.027,井壁厚度与内半径之比为0.275,试验情况同文献,同时采用有限元软件对井壁试件进行了数值模拟计算,结果见表1。由表1计算结果对比可见,数值模拟方法计算值与物模试验结果较为一致,误差范围在10%左右,这表明利用数值计算得到的井壁极限承载力能够较好地反映该类井壁结构的强度特性、数值计算精度较高。并且数值分析建模时没有模型大小条件的限制,可以选择原型几何参数进行计算,从而为分析井壁结构极限承载力与厚径比、混凝土强度、内层钢板厚度及配筋率等影响因素的定性定量关系提供了方便。3井壁承载能力分析深厚表土层冻结井筒内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁是由内层钢板、外层钢筋混凝土复合而成,井壁结构的极限承载力主要影响因素有:内层钢板厚度(Hg)、混凝土强度(fcu)、配筋率(μ)及井壁结构的厚径比(λ,指井壁厚度与内半径之比),下面将利用数值计算结果对其关系式进行研究。为使研究结果具有广泛性,现分别选取薄、中、厚三种尺寸作为计算模型,其几何相似比分别为8.216、11.027和13.405,具体参数见表2。采用前面所述方法对表2模型进行数值计算,得到其承载力列于表2中。对表1和表2中高强井壁的数值计算承载能力进行回归分析,得到其承载能力经验公式如下:上式的回归复相关系数R=0.99433,接近于1,有显著意义。通过多因素的t检验结果表明,数值模拟分析中考虑的4个因素对井壁承载能力影响程度依次为:混凝土强度等级、厚径比、内层钢板厚度和配筋率。为清楚地表明混凝土强度等级、厚径比、内层钢板厚度和配筋率对内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁的影响趋势和作用大小,下面根据模拟计算结果绘制的各主要因素与井壁极限承载能力的相互关系见图2至图5。由图2可见,内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁的承载能力与混凝土强度等级近似呈线性关系,提高混凝土强度等级,可显著地提高井壁结构的承载力。如将混凝土强度等级从C65提高到C80,井壁承载力提高了约4.0MPa。所以说,采用高强度等级混凝土是提高内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁承载能力的最有效途径。图3反映出厚径比对井壁极限承载力的影响非常明显,厚径比从0.2155增加到0.3103,井壁结构极限承载力由19MPa提高到25.6MPa。但随着厚径比的增加,建井成本也将大幅度提高,不经济。由图4可见,井壁结构极限承载力与内层钢板厚度成近似线性关系,表明在该类井壁结构工程应用中,通过增加内层钢板厚度,可明显提高井壁结构的极限承载力。从图5可以看出,配筋率对井壁承载力影响很小,说明增大配筋率对提高井壁极限承载力效果不显著,但在井壁结构中配置钢筋可增加混凝土的塑性,提高井壁的延性特性。4壁承载能力分析通过以上对内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁结构的数值模拟分析,可得到以下主要结论:(1)由于采用高强筑壁材料和约束混凝土结构,内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁具有很高的承载能力,可解决特厚冲积层冻结井筒的支护难题;(2)数值模拟与物模试验结果对比可知,两者结果较为一致,说明采用数值模拟方法计算内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁强度特性是可行的;(3)根据数值模拟计算结果,