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摘要：针对西部地区某煤矿冻结井筒的支护问题，根据相似理论，采用模型实验方法研究了高强混凝土井壁的水平极限承载特性。实验结果表明：井壁结构在水平荷载达到10MPa后，钢筋应力进入屈服应力阶段，表现出明显的塑性流动；井壁破坏荷载达18.4MPa，破坏前混凝土的最大环向应变可达-3400×10 -6。实验结果可为井筒支护参数优选和工程监测提供参数。
关键词：高强井壁；水平极限承载；模型试验
中图分类号：TD262文献标志码：A
[WT]文章编号：1672-1098（2012）04-0056-04
作者简介：吴娟（1988-），女，安徽舒城人，在读硕士，研究方向：工程结构分析。
近些年来西部大开发战略的大力实施，西部煤炭的开发也在大规模的进行。西部矿井的井筒直径较大，且所处的白垩系和侏罗系地层成岩晚、强度低。以内蒙古红庆河煤矿为例，其主井筒的设计净值是9.5m，在累深495.71m处需穿过白垩系及侏罗系地层，地层岩性以细砂、粉细砂为主。井筒穿过的三个主要含水层中，第一含水层位于白垩系地层中，第二、第三含水层位于侏罗系地层。采用冻结法施工时，地层的冻结特性及水文地质条件与中、东部地区的差异较大，地层冻胀性能等不确定因素多，因此井壁多采用高强钢筋混凝土结构进行支护。
对于高强钢筋混凝土井壁结构的力学特性研究方面，国内已有较多的研究成果，如对深表土中高强钢筋混凝土井壁力学性能的研究[1-2]，这些研究成果对高强井壁结构设计及应用方面有重要指导意义。鉴于东、西部地区工程地质等方面的差异，井壁设计参数并不能完全通用，因此针对高强混凝土井壁在西部地区的应用开展相应井壁结构实验，对优选支护参数和为工程监测提供参数等方面有重要意义。
1实验模型设计
1.1井壁原型
红庆河矿主井井筒深786.0m，其井筒设计净值9.5m，井壁采用双层钢筋混凝土结构，井壁厚度1.8m，采用的混凝土强度等级C60～C70。
1.2相似模型设计
为弄清井壁的力学特性，模型设计不仅需要满足应力和变形相似条件，还应满足强度相似条件。依据相似理论和弹性力学的基本方程，采用方程分析法，推导出井壁模型相似准则[3]。
由几何方程得C εC l/C δ=1；由边界方程得C P/Cσ=1；由物理方程得C EC ε/C σ=1，C ν=1。其中C l为几何常数；C P为荷载（面力）相似常数；C E为弹性模量相似常数；C δ为位移相似常数；C ε为应变相似常数；C σ为应力相似常数；C ν为泊松比相似常数。
为使模型和原型井壁各部分的破坏荷载和破坏形态与原井壁完全相似，不仅要满足上述弹性状态下应力、应变相似条件，还应满足以下强度相似条件：井壁模型与原型的材料在加载全过程中应力-应变曲线相似；井壁各部分材料的强度相似；井壁破坏的强度准则相似。故试验模型采用原井壁结构材料，有C E=C σ=C P=C R=1；C ε=1；C μ=1；C R为强度相似常数；C μ为配筋率相似常数。该情况下，只需确定合适的几何相似常数即可。为使研究结果更具广泛性，试验中不以某个具体井筒作为模拟对象，而是考虑厚径比（即壁厚与内半径之比）的应用范围，则相似常数C K=1。根据冻结井壁的设计参数，使通常井壁的厚径比都包括在内并结合试验加载装置尺寸，确定的井壁模型参数如表1所示，混凝土强度等级设计为C60～C70。模型试件的外径和高度分别为925mm和562.5mm，井壁模型结构如图1所示。
1.3试验加载与测试方法
为了进行试验应力分析，试验前在每一模型试件的内、外混凝土表面和钢筋上沿圆周方向布置4个点并粘贴电阻应变片（见图2～图3），并采用精密压力表和油压传感器测量施加的油压值，井壁加载装置如图4所示。试验时，先预加压6.0MPa，然后分级稳压加载，并记录下每级荷载下的应变及最终的破坏荷载。
2实验结果分析
2.1应变变化规律
水平加载过程得到的荷载与应变曲线如图5～图6所示，钢筋与混凝土的竖向应变曲线形状较为一致，说明钢筋与混凝土的复合协调作用良好。在加载初期水平荷载不大于8MPa时，混凝土与钢筋的变形主要表现为线弹性变形，且其内侧的应变明显大于外侧应变。随着水平荷载增大到10MPa，钢筋达到应力屈服，其应变值为-1400×10-6。高强井壁的破坏荷载为18.4MPa，破坏前混凝土达到的最大环向应变为-3400×10 -6。
2.2破坏特征与极限荷载
钢筋在水平荷载达到10MPa进入塑性流动阶段，将不在分担井壁的外荷载（见图7）。因而，均匀侧压下钢筋能增加高强混凝土的延性，但不能提高井壁的承载能力。
加载初期即水平荷载不大于8MPa时，井壁的混凝土表现为近似的线弹性特征（见图8），截面的应力符合弹性厚壁筒应力分布规律。试验得到井壁极限承载力为18.4MPa，破坏前井壁内缘混凝土的最大应力约为100MPa。在受力全过程中，混凝土没有明显的弹塑性阶段，这表明高强混凝土井壁具有明显的脆性特征，故结构破环时没有明显的变形特征。
当井壁承受较大的外荷载时，井壁内缘混凝土环向应力首先达到极限强度，由于内侧方向为自由方向，因此内侧混凝土将出现微小斜裂纹，且局部有脱皮现象（见图9）。随外荷载的继续增加，超过极限强度的高应力区由井壁内侧迅速向外侧发展，最终会在井壁混凝土质量较差处发生压剪破坏，形成一个贯穿整个厚度的破坏面（见图10）。井壁破裂时，有大块的脱落，并出现斜向的断裂裂纹，环向钢筋沿破坏面发生塑性弯曲，破坏面与最大主应力方向的夹角为25°～30°（见图11），且由于高强钢筋混凝土井壁在破坏前内部积聚了大量能量，所以试件破坏时发生的破裂声比普通钢筋混凝土井壁大。
3结论
针对红庆河矿井冻结井筒的支护问题，依据相似理论，通过采用模型实验方法来研究高强混凝土井壁的水平极限承载特性。实验结果表明：
1）井壁结构在水平荷载达10MPa后，钢筋进入屈服应力阶段，表现出明显的塑性流动；
2）井壁破坏荷载达18.4MPa，破坏时混凝土的环向应变可达-3400×10-6，混凝土的最大环向应力约为100MPa；
3）井壁发生压剪破坏，且破坏面与最大主应力方向的夹角为25°～30°；
4）实验结果可为井筒支护参数优选和工程监测提供参数，且该试验方案及试验参数可作此类井壁结构设计参考。
参考文献：
[1]姚直书，程桦，杨俊杰.深表土中高强钢筋混凝土井壁力学性能的试验研究[J].煤炭学报，2004，29（2）：167-171.
[2]荣传新，王秀喜，程桦，等.深厚冲积层高强钢筋混凝土井壁力学特性研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（S1）：2841-2847.
[3]姚直书，程桦，荣传新.深冻结井筒内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁试验研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（1）：153-160.
[4]崔云龙.简明建井工程手册[M].北京：煤炭工业出版社，2003：1423-1429.
[5]黄小飞.特厚表土层冻结井壁的受力机理及设计理论研究[D].淮南：安徽理工大学，2006.
[6]韩涛，杨维好，任彦龙，等.钢骨混凝土井壁水平极限承载特性的试验研究[J].采矿与安全工程学报，2011，28（2）：181-186.
（责任编辑：何学华，吴晓红）
关键词：高强井壁；水平极限承载；模型试验
中图分类号：TD262文献标志码：A
[WT]文章编号：1672-1098（2012）04-0056-04
作者简介：吴娟（1988-），女，安徽舒城人，在读硕士，研究方向：工程结构分析。
近些年来西部大开发战略的大力实施，西部煤炭的开发也在大规模的进行。西部矿井的井筒直径较大，且所处的白垩系和侏罗系地层成岩晚、强度低。以内蒙古红庆河煤矿为例，其主井筒的设计净值是9.5m，在累深495.71m处需穿过白垩系及侏罗系地层，地层岩性以细砂、粉细砂为主。井筒穿过的三个主要含水层中，第一含水层位于白垩系地层中，第二、第三含水层位于侏罗系地层。采用冻结法施工时，地层的冻结特性及水文地质条件与中、东部地区的差异较大，地层冻胀性能等不确定因素多，因此井壁多采用高强钢筋混凝土结构进行支护。
对于高强钢筋混凝土井壁结构的力学特性研究方面，国内已有较多的研究成果，如对深表土中高强钢筋混凝土井壁力学性能的研究[1-2]，这些研究成果对高强井壁结构设计及应用方面有重要指导意义。鉴于东、西部地区工程地质等方面的差异，井壁设计参数并不能完全通用，因此针对高强混凝土井壁在西部地区的应用开展相应井壁结构实验，对优选支护参数和为工程监测提供参数等方面有重要意义。
1实验模型设计
1.1井壁原型
红庆河矿主井井筒深786.0m，其井筒设计净值9.5m，井壁采用双层钢筋混凝土结构，井壁厚度1.8m，采用的混凝土强度等级C60～C70。
1.2相似模型设计
为弄清井壁的力学特性，模型设计不仅需要满足应力和变形相似条件，还应满足强度相似条件。依据相似理论和弹性力学的基本方程，采用方程分析法，推导出井壁模型相似准则[3]。
由几何方程得C εC l/C δ=1；由边界方程得C P/Cσ=1；由物理方程得C EC ε/C σ=1，C ν=1。其中C l为几何常数；C P为荷载（面力）相似常数；C E为弹性模量相似常数；C δ为位移相似常数；C ε为应变相似常数；C σ为应力相似常数；C ν为泊松比相似常数。
为使模型和原型井壁各部分的破坏荷载和破坏形态与原井壁完全相似，不仅要满足上述弹性状态下应力、应变相似条件，还应满足以下强度相似条件：井壁模型与原型的材料在加载全过程中应力-应变曲线相似；井壁各部分材料的强度相似；井壁破坏的强度准则相似。故试验模型采用原井壁结构材料，有C E=C σ=C P=C R=1；C ε=1；C μ=1；C R为强度相似常数；C μ为配筋率相似常数。该情况下，只需确定合适的几何相似常数即可。为使研究结果更具广泛性，试验中不以某个具体井筒作为模拟对象，而是考虑厚径比（即壁厚与内半径之比）的应用范围，则相似常数C K=1。根据冻结井壁的设计参数，使通常井壁的厚径比都包括在内并结合试验加载装置尺寸，确定的井壁模型参数如表1所示，混凝土强度等级设计为C60～C70。模型试件的外径和高度分别为925mm和562.5mm，井壁模型结构如图1所示。
1.3试验加载与测试方法
为了进行试验应力分析，试验前在每一模型试件的内、外混凝土表面和钢筋上沿圆周方向布置4个点并粘贴电阻应变片（见图2～图3），并采用精密压力表和油压传感器测量施加的油压值，井壁加载装置如图4所示。试验时，先预加压6.0MPa，然后分级稳压加载，并记录下每级荷载下的应变及最终的破坏荷载。
2实验结果分析
2.1应变变化规律
水平加载过程得到的荷载与应变曲线如图5～图6所示，钢筋与混凝土的竖向应变曲线形状较为一致，说明钢筋与混凝土的复合协调作用良好。在加载初期水平荷载不大于8MPa时，混凝土与钢筋的变形主要表现为线弹性变形，且其内侧的应变明显大于外侧应变。随着水平荷载增大到10MPa，钢筋达到应力屈服，其应变值为-1400×10-6。高强井壁的破坏荷载为18.4MPa，破坏前混凝土达到的最大环向应变为-3400×10 -6。
2.2破坏特征与极限荷载
钢筋在水平荷载达到10MPa进入塑性流动阶段，将不在分担井壁的外荷载（见图7）。因而，均匀侧压下钢筋能增加高强混凝土的延性，但不能提高井壁的承载能力。
加载初期即水平荷载不大于8MPa时，井壁的混凝土表现为近似的线弹性特征（见图8），截面的应力符合弹性厚壁筒应力分布规律。试验得到井壁极限承载力为18.4MPa，破坏前井壁内缘混凝土的最大应力约为100MPa。在受力全过程中，混凝土没有明显的弹塑性阶段，这表明高强混凝土井壁具有明显的脆性特征，故结构破环时没有明显的变形特征。
当井壁承受较大的外荷载时，井壁内缘混凝土环向应力首先达到极限强度，由于内侧方向为自由方向，因此内侧混凝土将出现微小斜裂纹，且局部有脱皮现象（见图9）。随外荷载的继续增加，超过极限强度的高应力区由井壁内侧迅速向外侧发展，最终会在井壁混凝土质量较差处发生压剪破坏，形成一个贯穿整个厚度的破坏面（见图10）。井壁破裂时，有大块的脱落，并出现斜向的断裂裂纹，环向钢筋沿破坏面发生塑性弯曲，破坏面与最大主应力方向的夹角为25°～30°（见图11），且由于高强钢筋混凝土井壁在破坏前内部积聚了大量能量，所以试件破坏时发生的破裂声比普通钢筋混凝土井壁大。
3结论
针对红庆河矿井冻结井筒的支护问题，依据相似理论，通过采用模型实验方法来研究高强混凝土井壁的水平极限承载特性。实验结果表明：
1）井壁结构在水平荷载达10MPa后，钢筋进入屈服应力阶段，表现出明显的塑性流动；
2）井壁破坏荷载达18.4MPa，破坏时混凝土的环向应变可达-3400×10-6，混凝土的最大环向应力约为100MPa；
3）井壁发生压剪破坏，且破坏面与最大主应力方向的夹角为25°～30°；
4）实验结果可为井筒支护参数优选和工程监测提供参数，且该试验方案及试验参数可作此类井壁结构设计参考。
参考文献：
[1]姚直书，程桦，杨俊杰.深表土中高强钢筋混凝土井壁力学性能的试验研究[J].煤炭学报，2004，29（2）：167-171.
[2]荣传新，王秀喜，程桦，等.深厚冲积层高强钢筋混凝土井壁力学特性研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（S1）：2841-2847.
[3]姚直书，程桦，荣传新.深冻结井筒内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁试验研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（1）：153-160.
[4]崔云龙.简明建井工程手册[M].北京：煤炭工业出版社，2003：1423-1429.
[5]黄小飞.特厚表土层冻结井壁的受力机理及设计理论研究[D].淮南：安徽理工大学，2006.
[6]韩涛，杨维好，任彦龙，等.钢骨混凝土井壁水平极限承载特性的试验研究[J].采矿与安全工程学报，2011，28（2）：181-186.
（责任编辑：何学华，吴晓红）