井壁凍結(jié)壓力及外井壁鋼筋應(yīng)力實(shí)測(cè)

李晉華

(山西汾西正佳煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西　臨汾　041300)

1　工程概況

風(fēng)立井的井口標(biāo)高為1 121.6 m，設(shè)計(jì)深度為966.6 m，整個(gè)井筒凈直徑為7.5 m，凈斷面面積44.2 m2. 井壁采用雙層鋼筋混凝土復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)，外層井壁厚度最大為 550 mm，最小為500 mm，內(nèi)層井壁厚度最大為1 350 mm，最小為600 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C50到C80不等，采用II級(jí)鋼筋，d22～d28 mm. 回風(fēng)立井井筒特征參數(shù)見表1.

表1　風(fēng)立井井筒特征參數(shù)表

風(fēng)立井井筒采用普通法鑿井到井口以下垂深90 m后，通過現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)估算井筒涌水量，含水層厚度總計(jì)達(dá)411 m，其中白堊系洛河組涌水量比較大，涌水造成施工無法繼續(xù)進(jìn)行，因而轉(zhuǎn)為凍結(jié)法施工，主要針對(duì)白堊系和侏羅系含水地層封水，凍結(jié)深度為910 m.

風(fēng)立井依次穿過的沖積層厚度為210.61 m，為第四系黏土層或砂礫層，白堊系地層653.88 m，是井筒凍結(jié)的主要地層。其次是侏羅系巖層109.1 m. 風(fēng)檢孔揭露的地層自下而上厚度見表2.

表2　井檢孔揭露地層厚度表

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果可知，風(fēng)井地層以白堊系地層為主，其占總厚度比例約為70%，因此重點(diǎn)研究白堊系巖層凍結(jié)壓力具有重要意義[1-2].

2　凍結(jié)壓力監(jiān)測(cè)

1) 測(cè)點(diǎn)布置與傳感器埋設(shè)。

通過對(duì)風(fēng)井凍結(jié)段施工特點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)井檢孔的勘察結(jié)果分析，分別選擇距離井口632 m和841 m的位置布置溫度監(jiān)測(cè)裝置、豎向鋼筋計(jì)、環(huán)向鋼筋計(jì)和壓力計(jì)(布置圖見圖1).

圖1　測(cè)點(diǎn)布置總匯圖

在距離井口632 m和841 m兩個(gè)層位分別布置4個(gè)荷載壓力計(jì)，每個(gè)層位的4個(gè)荷載壓力計(jì)分別安置在東、南、西、北4個(gè)方向上。為了確保荷載壓力計(jì)能夠與井幫緊密接觸，將荷載壓力計(jì)制作成水泥塊埋設(shè)在井壁混凝土當(dāng)中，埋設(shè)時(shí)將荷載壓力計(jì)的受力膜面軸線與井筒中心線保持在同一條直線上，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確。

2) 監(jiān)測(cè)方法。

當(dāng)荷載壓力計(jì)埋設(shè)之后，凍結(jié)壓力的監(jiān)測(cè)剛開始7天，加密監(jiān)測(cè)頻率，保證每天監(jiān)測(cè)一次，以后每周監(jiān)測(cè)一次，到套筑內(nèi)層井壁時(shí)期之前再測(cè)一次數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過電纜連接CUB-1 M數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)對(duì)壓力進(jìn)行記錄，然后將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)拷貝到計(jì)算機(jī)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集記錄。每次監(jiān)測(cè)完后，對(duì)荷載壓力計(jì)伸出的電纜做好保護(hù)，方便下次監(jiān)測(cè)工作。

3) 凍結(jié)壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。

監(jiān)測(cè)的凍結(jié)壓力變化曲線分別見圖2，3.

圖2　第一層位(-632 m)凍結(jié)壓力隨時(shí)間變化曲線圖

圖3　第二層位(-841 m)凍結(jié)壓力隨時(shí)間變化曲線圖

比較分析圖2、3，大致可以把作用在外井壁上的凍結(jié)壓力分為以下3個(gè)階段[3-4]：

a) 壓力急劇增長(zhǎng)階段。初期隨著井筒的掘進(jìn)開挖，凍結(jié)土體由于開挖后應(yīng)力得以重新分布，凍結(jié)壁向內(nèi)變形，澆筑外層混凝土井壁時(shí)，由于外層井壁阻止凍結(jié)壁向內(nèi)變形，早期凍結(jié)壁變形產(chǎn)生的凍結(jié)壓力直接作用在井壁壓力荷載計(jì)上而出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)現(xiàn)象；另一個(gè)原因是當(dāng)澆筑外層井壁混凝土?xí)r，混凝土釋放出大量的水化熱，使得凍結(jié)壁融化，凍結(jié)壁由于外部水平地壓應(yīng)力的作用擠壓融化段巖層，當(dāng)凍結(jié)管繼續(xù)供冷時(shí)，融化巖體又重新發(fā)生凍脹而產(chǎn)生凍結(jié)壓力[5].

b) 壓力緩慢增長(zhǎng)階段。隨著工作面的開挖，監(jiān)測(cè)層位距離開挖面越來越遠(yuǎn)，并且下部井壁的澆筑影響范圍對(duì)監(jiān)測(cè)層位越來越小，同時(shí)監(jiān)測(cè)層位的外層井壁混凝土水化基本完成，此時(shí)凍結(jié)壁溫度在逐步下降，凍結(jié)壁巖層慢慢的發(fā)生回凍，因此回凍過程中凍脹壓力會(huì)發(fā)生緩慢增長(zhǎng)現(xiàn)象。

c) 壓力穩(wěn)定階段。隨著凍結(jié)壁在第二階段的溫度繼續(xù)下降，當(dāng)凍結(jié)壁溫度已經(jīng)趨于穩(wěn)定，鋼筋混凝土井壁強(qiáng)度也已基本不再增長(zhǎng)，此時(shí)溫度沒有大幅度變化而影響凍結(jié)壁的變形，凍結(jié)壁只發(fā)生很小的蠕變現(xiàn)象，從而使凍結(jié)壓力最終在一個(gè)固定值上下浮動(dòng)。

通過對(duì)比白堊系地層實(shí)測(cè)凍結(jié)壓力數(shù)值與西部地層目前廣泛采用的凍結(jié)壓力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式計(jì)算的結(jié)果(P=0.005H+1)，對(duì)二者凍結(jié)壓力數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3.

表3　凍結(jié)壓力對(duì)比表

通過表3可以看出，實(shí)測(cè)的凍結(jié)壓力遠(yuǎn)小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的凍結(jié)壓力值，也小于規(guī)范中按表土層計(jì)算的凍結(jié)壓力值。

通過對(duì)圖2和圖3數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，分別得出中粒砂巖和粗粒砂巖凍結(jié)施工時(shí)凍結(jié)壓力隨時(shí)間的函數(shù)表達(dá)式：

中粒砂巖平均凍結(jié)壓力：

P凍=0.576 2lnt+0.117 7

(1)

中粒砂巖最大凍結(jié)壓力：

P凍max=0.678 2lnt+0.138 5

(2)

粗粒砂巖平均凍結(jié)壓力：

P凍=0.581 3lnt+0.819 0

(3)

粗粒砂巖最大凍結(jié)壓力：

P凍max=0.704 2lnt+0.992 2

(4)

通過對(duì)圖2，3分析可知：

對(duì)于中粒砂巖而言，前10天凍結(jié)壓力呈線性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，凍結(jié)壓力達(dá)到最大值的81.3%，20天達(dá)到最大凍結(jié)壓力的93.5%，20天后凍結(jié)壓力大致呈穩(wěn)定狀態(tài)，最終凍結(jié)壓力在最大值左右浮動(dòng)。也就是說中粒砂巖凍結(jié)施工期間，需要關(guān)注前20天的混凝土養(yǎng)護(hù)狀況，特別需要注重前10天的混凝土養(yǎng)護(hù)，施工期間可在井幫與凍結(jié)壁之間放一定厚度的塑料夾層，達(dá)到延緩凍結(jié)壓力增長(zhǎng)對(duì)外井壁作用的時(shí)間，從而使混凝土達(dá)到一定的強(qiáng)度來抵抗前期快速增長(zhǎng)的凍結(jié)壓力。

對(duì)于粗粒砂巖來說，前9天凍結(jié)壓力呈線性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，凍結(jié)壓力達(dá)到最大值的95%，再往后凍結(jié)壓力增幅不大，大致在凍結(jié)壓力最大值左右變動(dòng)。凍結(jié)壓力變化說明：在粗粒砂巖凍結(jié)施工期間，特別需要關(guān)注前9天的混凝土養(yǎng)護(hù)狀況，這樣就可以減少外層井壁施工期間的混凝土壓壞現(xiàn)象。

從表3可以看到，白堊系地層凍結(jié)壓力實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)小于目前西部地區(qū)廣泛采用的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的值。其中，中、粗粒砂巖的凍結(jié)壓力回歸公式可為以后西部同種地質(zhì)的巖層提供參考數(shù)據(jù)，并能為西部地區(qū)井壁的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3　外層井壁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)

1) 外井壁豎向鋼筋受力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。

豎向鋼筋測(cè)試結(jié)果見圖4，5.

圖4　-632 m豎向鋼筋計(jì)受力隨時(shí)間變化曲線圖

圖5　-841 m豎向鋼筋計(jì)受力隨時(shí)間變化曲線圖

a) 快速上升段。

外層井壁澆筑初期，豎直方向上由于鋼筋混凝土水泥水化熱影響，凍結(jié)壁融化，進(jìn)而凍結(jié)壁對(duì)外層井壁的圍抱摩擦力減小，鋼筋混凝土井壁由于自重作用，產(chǎn)生豎直方向的吊掛力，因此豎向鋼筋出現(xiàn)快速增長(zhǎng)的拉應(yīng)力；另一方面，由于外層井壁澆筑后的一周內(nèi)，對(duì)外層井壁拆除模板，隨著鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)開始脫模，豎向方向上由原來的上下兩端用模板固定轉(zhuǎn)變?yōu)橄露藶樽杂啥?，因此鋼筋?yīng)力由拆模前的受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為拆模后的受拉狀態(tài)，此階段拉應(yīng)力急劇增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率很快，最大達(dá)到0.4 MPa/h.該時(shí)期要特別防范混凝土發(fā)生拉裂現(xiàn)象，因?yàn)橥鈱泳诨炷吝€沒有達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，外層井壁豎直方向上由于應(yīng)力過大很容易發(fā)生環(huán)向裂縫。

b) 緩慢上升段。

隨著第一階段的發(fā)生，當(dāng)外井壁澆筑一周以后，在第一階段產(chǎn)生融化的凍結(jié)壁隨著凍結(jié)管冷量的供給，巖層溫度不斷下降，凍結(jié)壁產(chǎn)生回凍。此時(shí)外井壁由第一階段井壁接觸的是融化的凍結(jié)壁，逐漸發(fā)展為回凍的凍結(jié)壁，凍結(jié)壁回凍后增大了外層井壁與凍結(jié)壁的圍抱摩擦力，減小了外層井壁所受的吊掛力，因此，該階段拉應(yīng)力較第一階段緩慢。

井筒內(nèi)外層井壁鋼筋采用的是HRB335鋼筋，在整個(gè)豎向鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)當(dāng)中，由圖4，5可知，外層井壁兩個(gè)層位豎向鋼筋最大應(yīng)力都不超過70 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于HRB335鋼筋屈服強(qiáng)度。內(nèi)層井壁豎向鋼筋應(yīng)力比外層井壁豎向鋼筋應(yīng)力小，究其原因主要是內(nèi)層井壁接觸的是外層井壁內(nèi)壁面，其摩擦力不會(huì)因?yàn)榛炷了療嶙饔枚鴾p小，因此其實(shí)測(cè)結(jié)果小于外層井壁鋼筋實(shí)測(cè)值，總體來說井壁處于安全工作狀態(tài)。

同時(shí)通過監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，鋼筋的豎向應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼筋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，鋼筋的材料性能沒有很好的發(fā)揮。

2) 外壁環(huán)向鋼筋受力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。

外井壁環(huán)向鋼筋監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖6和圖7.

圖6　-632 m外井壁環(huán)向鋼筋受力隨時(shí)間變化曲線圖

圖7　-841 m外井壁環(huán)向鋼筋受力隨時(shí)間變化曲線圖

由圖6和圖7可以看出，環(huán)向鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間變化與豎向鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間變化的趨勢(shì)和規(guī)律大致相同，分為以下3個(gè)階段：

a) 快速增長(zhǎng)段。

外層井壁混凝土澆筑2～12天時(shí)，外層井壁的環(huán)向鋼筋的應(yīng)力呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，最高增長(zhǎng)速度能達(dá)到-0.5 MPa/h，平均增長(zhǎng)速率值為-0.4 MPa/h.由于外層井壁的澆筑，凍結(jié)壓力作用在外層井壁上，從而使外層井壁環(huán)向鋼筋產(chǎn)生環(huán)向壓應(yīng)力，由前面凍結(jié)壓力在外井壁澆筑初期呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，因此導(dǎo)致外井壁環(huán)向鋼筋應(yīng)力也呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)；另一方面，由于混凝土水化熱作用導(dǎo)致鋼筋發(fā)生熱膨脹，而由于凍結(jié)壁的約束效果，進(jìn)一步使得環(huán)向鋼筋的應(yīng)力快速增長(zhǎng)。

b) 緩慢增長(zhǎng)段。

外層井壁混凝土澆筑12～24天時(shí)，環(huán)向鋼筋應(yīng)力處于緩慢增長(zhǎng)階段，最大達(dá)到-37 MPa.由圖6、7可知，外層井壁環(huán)向鋼筋應(yīng)力在20天之后出現(xiàn)略微增長(zhǎng)，主要是此時(shí)第一階段的外層井壁混凝土水化熱溫度達(dá)到一個(gè)峰值的現(xiàn)象結(jié)束，此時(shí)溫度應(yīng)力對(duì)環(huán)向鋼筋的壓應(yīng)力作用會(huì)減小，而由前面凍結(jié)壓力的變化規(guī)律可知20天之后凍結(jié)壓力也呈一個(gè)緩慢增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，因此，此時(shí)環(huán)向鋼筋應(yīng)力隨著凍結(jié)壓力的緩慢增長(zhǎng)而慢慢增加。

c) 趨于穩(wěn)定段。

外層井壁混凝土澆筑24天之后，-632 m外層井壁環(huán)向鋼筋最大應(yīng)力達(dá)到-50 MPa，-841 m外層井壁環(huán)向鋼筋最大應(yīng)力達(dá)到-52 MPa，兩個(gè)層位環(huán)向鋼筋達(dá)到最大值后趨于穩(wěn)定。主要是前期的混凝土水泥水化熱現(xiàn)象結(jié)束，混凝土溫度也漸漸趨于穩(wěn)定，而由前可知凍結(jié)壓力24天之后其值基本穩(wěn)定，因此作用于外井壁凍結(jié)壓力波動(dòng)很小，所以外層井壁環(huán)向鋼筋在此階段基本趨于穩(wěn)定階段。

環(huán)向鋼筋的受力變化情況和監(jiān)測(cè)的凍結(jié)壓力變化趨勢(shì)大致一樣，也是前10天左右呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，后期逐步穩(wěn)定，進(jìn)一步說明了監(jiān)測(cè)方案的正確性。同時(shí)通過監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，鋼筋的環(huán)向應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼筋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，鋼筋的材料性能沒有很好的發(fā)揮。

4　凍結(jié)壁位移監(jiān)測(cè)

井壁與凍結(jié)壁具有相互作用的特性，凍結(jié)壁產(chǎn)生位移必須滿足凍結(jié)管作用要求，否則可能造成凍結(jié)管斷裂，影響井筒凍結(jié)施工。同時(shí)外井壁抵抗凍結(jié)壁位移，預(yù)防凍結(jié)壁過大位移，當(dāng)凍結(jié)壁位移和外井壁位移之和小于凍結(jié)壁要求的最大位移，施工方可安全。因此，對(duì)凍結(jié)壁位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有重要意義，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)風(fēng)立井白堊系巖層凍結(jié)壁最大位移進(jìn)行實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，見表4.

表4　凍結(jié)壁最大位移實(shí)測(cè)結(jié)果表

5　結(jié)　論

凍結(jié)壓力、外層井壁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，凍結(jié)壓力的變化過程可以大致分為3個(gè)階段：壓力急劇增長(zhǎng)階段、壓力緩慢增長(zhǎng)階段、壓力穩(wěn)定階段。外層井壁鋼筋應(yīng)力與凍結(jié)壓力有關(guān)，鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律與凍結(jié)壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律相似，其壓應(yīng)力最大值均小于鋼筋的屈服強(qiáng)度。

通過監(jiān)測(cè)-632 m、-841 m兩個(gè)水平層位的凍結(jié)壓力，分別得出中、粗粒砂巖富水巖層凍結(jié)施工時(shí)其最大凍結(jié)壓力隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式，并且實(shí)測(cè)的凍結(jié)壓力遠(yuǎn)小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的凍結(jié)壓力值，也小于規(guī)范中按表土層計(jì)算的凍結(jié)壓力值，能夠?yàn)楹罄m(xù)西部相同地層凍結(jié)壓力計(jì)算提供參考。

通過監(jiān)測(cè)凍結(jié)壓力數(shù)據(jù)分析可知，對(duì)于中粒砂巖前10天凍結(jié)壓力呈線性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，凍結(jié)壓力達(dá)到最大值的81.3%，20天達(dá)到最大凍結(jié)壓力的93.5%，20天往后凍結(jié)壓力大致呈穩(wěn)定狀態(tài)，最終凍結(jié)壓力在最大值左右浮動(dòng)。對(duì)于粗粒砂巖來說，前9天凍結(jié)壓力呈線性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，凍結(jié)壓力達(dá)到最大值的95%，再往后凍結(jié)壓力增幅不大，大致在凍結(jié)壓力最大值左右變動(dòng)。因此對(duì)西部富水中、粗粒砂巖地層凍結(jié)壓力增長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出凍結(jié)壓力隨時(shí)間變化規(guī)律，可以指導(dǎo)凍結(jié)施工期間混凝土養(yǎng)護(hù)，對(duì)于預(yù)防混凝土提前受壓而破壞具有重要意義。

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