早龄期荷载及负温作用下的混凝土井壁极限施工速度研究.pdf

2 0 1 4年第 1 1期( 总第 3 0 1期 ) 混 凝 土 Nu mb e r 1 1 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 3 0 1 ) Co nc r e t e 实用技术 P RACT I CAL TECHN0LOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 1 1 0 4 0 早龄期荷载及负温作用下的混凝土 井壁极限施工速度研究 宋少民 。郭丹 ，陈志敏 z ( 1 北京建筑大学 绿色建筑与节能技术 北京市重点实验室 ，北京 1 0 0 0 4 4 ；2 唐山众合基础工程有限公司，河北 唐山 0 6 3 0 0 0 ) 摘 要 ： 在冻结法井壁施工期间， 井壁混凝土受到冻结应力 、 自重应力等各种早龄期荷载， 这些早期荷载都会对井壁混凝土的耐 久性能产生不利影响， 而施工速度的快慢将直接影响早期荷载的大小。 首先通过空间轴对称问题的弹性力学解答得到井壁混凝土在 早期荷载作用下的单轴相当应力随施工速度的变化规律； 以此为基础 ， 自行设计应力加载装置 ， 研究早龄期荷载及负温耦合作用对 冻结竖井井壁混凝土抗压强度、 氯离子扩散性能的影响。 结果表明： 井壁冻结法负温条件施工期间， 在井壁混凝土可能遭遇的最不利 工况组合条件下， 混凝土井壁极限施工速度不应超过 3 m d 。 关键词 ： 井壁 昆 凝土；早龄期荷载 ；负温；施工速度 中图分类号 ： T u5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 1 1 - 0 1 5 3 0 4 S t u d y on t h e l i mi t i n g c o n s t r u c t i o n s p e e d o f c o n c r e t e s h a f t u n d e r t h e c ou p l i n g e ffe c t o f ear l y age l oa d and nega t i ve t em per a t ur e SONG Sh a o mi n GUO Da n CHEN Zhi m抽 ( 1 T h e K e y L a b o f B e ij i n g ， G r e e n B u i l d i n g a n d E n e r g y C o n s e r v a t i o n T e c h n o l o g y ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ， C h i n a ； 2 T a n g s h a nZ h o n g h e F o u n d a t i o nE n g i n e e r i n g C o ， L t d ， T a n g s h an 0 6 3 0 0 0 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Du r i n g t he p e r i o d o f s h a f t c o ns t r u c t i o n， t he s h a ft c o n c r e t e a r e un d e r v a r i o us k i nd s o f e a r l y a g e l o a d s u c h a s the fre e z i ng p r e s s u r e a nd g r a v i t y s t r e s s T he s e l oa ds wi l l c a us e a n a d ve r s e i mpa c t o n the d ura b i l i t y o f s h a ft c o nc r e t e Whi l e t h e c o n s t r u c t i o n s p e e d wi l l di r e c t l y a ffe c t the l e ve l of t he s e l o a ds W e o b t a i n e d t h e c ha ng e rol e o f u ni a xi a l e q u i va l e n t s t r e s s o f s h a ft c o n c r e t e a l o ng wi t h c o ns t r u c t i on s pe e d u n d e r e a r l y a g e l o a d t h r o u g h e l a s t i c i t y me c hani c s s o l u t i o n s t o s pa c e a x i s y n u e t r i c p r o bl e ms An d， o n t h i s ba s i s， we d e s i g n e d a s t r e s s l o a d i ng de v i c e t o s tudy the i n flue nc e o f t he c ou p l i n g e ffe c t o f e a r l y a g e l o a d an d n e g a t i ve t e mpe r a t u r e o n t he c o mpr e s s i v e s t r e ng t h an d c hl o r i de d i f f us i o n c o e ffi c i e n t of fre e z i n g s ha ft l i n i n g c o n c r e t e The r e s u l t s s ho we d t ha t du r i n g the pe r i o d o f n e g a t i v e t e mp e r a t ur e c o n s t r u c t i o n ， u n d e r t h e mo s t u n f a v o r a b l e wo r k i n g c o n d i t i o n s w h i c h th e s h a f t c o n c r e t e c o u l d s u b j e c t ， the l i mi t i n g c o n s t r u c t i o n s p e e d s h o u l d n o t e x c e e d 3 m d Key w or ds ： c o nc r e t e s h a f t ； e a r l y a g e l o a d； n e g a t i ve t e mp e r a t ur e； s p e e d o fc o ns t r u c t i o n 0 引 言 立井是矿藏生产 中连接地面与地下 的生命通道 。 可近 些年来 ， 仅华东地区井壁结构破裂数量就达 9 0多个【 1 ， 严重 影响了矿藏的正常开采、 严重危及到了井下作业人员的生命 安全。 一般认为竖向附加力及温度应力是导致井壁破裂的主 要原因回 。 井壁混凝土所处的环境极为复杂 ， 力学作用可诱发 混凝土内部微裂缝扩展 ， 这会加快井壁混凝土周围侵蚀介质 对井壁的侵蚀速度 ， 从而可形成一种愈演愈烈的损伤过程固 。 调查研究发现 ， 井壁破裂处大多先伴有侵蚀现象 的发生 3 1 。 在井筒施工期间 ， 随着井筒穿越冲积层厚度 的加大 ， 作用于井壁上 的各种竖向横 向压力 、 冻结法施工时的冻结 压力等早龄期荷载 ， 使 得井壁混凝土在远远没有达到设计 强度时即承受各种复杂荷载 ， 从而可能导致井壁混凝土 的 收稿 E t 期 ：2 O 1 4 - 0 5 2 3 整体强度及耐久性性能的降低 。 立井井壁采用整体滑模浇筑 ， 滑升速度也即施工速度 的快慢又将 直接影响早期荷载大小。 所以研究确定并控制 施工速度的快慢对井壁混凝土 的耐久性具有重要意义。 本研究通过负温箱及 自制 的应力加载装置来模拟施 工 阶段的井壁混凝土受荷特征 ， 并在井壁混凝土所处 的极 限条件下通过各种不利工况组合来确定最后 的试验方案 ， 通过试 验数 据及空间轴对称问题的弹性力学解答可 以确 定最终的极 限施工速度 。 1 施工期间井壁混凝土的弹塑性力学分析 1 1 荷 载 分析 井壁在施工 和生产期 间所承受 的外载是设计井壁 的 重要依 据闸 。 井 壁的外载 可分为 ： 自重 、 永久地压 ， 温度应 1 53 力 ， 水平附加力 、 竖向附加力 、 冻结压力 、 地震荷载等。 而井 壁在施 期间最可 能承受的早期荷载则一般包括 自重 、 永 久地压 、 冻结压力等三个方面。 1 1 1 自重 由井壁 自重荷载引起 的自重应力 由式( 1 ) 、 ( 2 ) 计算 ： h Z 【 1 ) z = f 2 ) 式中 ： 自重应力 ， K P a ； h 井壁重力密度 ， 取 2 5 k N m ； 施工速度 ， m d ； f 混凝土龄期 ， d ； 施工高度 ， I n 。 1 1 2 永久地压 永久地压是指水与土体对井壁的侧 向压力 5 J 。 在深厚 表土层中计算水平地压最常用的是经验公式 ： p 0 z ( 3 ) 式 中： ， 系数 ， 我 国取 0 0 1 0 0 1 3 ； 施工高度 ， m。 该公式的背景是在深厚表土层中采用钻井法施工时 ， 用密度 1 0 5 1 2 t m 的泥浆护壁可长时间保持土壁不坍 帮 ， 在 已建成 的表土层中井壁 尚无 因水平地压作用而失稳 的例子 ， 从而证 明该公式的可行性6 1 。 1 1 3冻结压 力 施工期 间冻结壁作用于井壁上的侧压力称为冻结压 力 P 。 ， 冻结压力是控制外壁厚度的关键荷载 。 由于影响冻结压力的因素很多 ， 尚未获得诸参数 间的 函数关系， 故很难用计算方法获得冻结压力值， 一般参照 已有的实测结 果根据地质条件与工程 条件选 取经验值n 。 实测结果表 明， 在黏土层 中冻结压力较大 ， 故在确定最大 冻结压力时 ， 应 比较最深土层的冻结压力 和最深黏土层 的 冻结压力值 ， 取其大者。 1 2 井壁混凝 土所 受的应 力分析 1 2 1 应力叠加原理 在弹性力学 中这样描述应力叠加原理 ， 在小变形线弹 性情况下 ， 作用在物体上 的几组荷载产生 的总效应 ( 应力 和变形 ) ， 等于每组荷载作用效应 的总和【8 _ 。 1 2 2 井壁混凝土在早期荷载作用下 的应力理论解 根据弹性力学 中空问轴对称 问题 的弹性力学解答 引 ， 将几何方程代入到物理方程 中， 然后再代入到平衡微分方 程中 ， 可得到空间轴柱坐标形式的拉梅方程 ( 4 ) 。 軎 ( 一 a 2 ) 0( v ： 一 ) 0 F dr 0 2 O r 一詈 从式 ( 4 ) 可 以看出 ， 通过位移边界条件 即可求 出各种 1 5 4 荷载作用下井壁所受应力的理论解。 假设单层井壁内径为 n ， 外径为 6 ， r 为 a b 之间某一计 算点至井筒 圆心 的距离 。 将 自重作用下 的位移边界条件 、 温度应力及冻胀压力作用下的位移边界条件 、 水平地压作 用下的位移边界条件分别代入式( 4 ) ， 再通过应力叠加原 理 ， 即可得到井 壁混凝 土在 早期荷 载作用下 的应力理 论 解 8 1 。 见式 ( 5 ) 。 ( _1 ) ( 。 ) ( + 1 ) ( 。 ) ( 5 ) z 一 -一 ,7 - 0 从式 ( 5 ) 中可 以看 出 ， 实 际井壁 受力 是处 于 多轴受 力状 态 的 ， 为便 于试验 室研究 ， 可通 过第 四强 度理 论找 出相 当于 单 向受 力 时 的应 力强 度 ， 以单 轴相 当应 力 表 示 9 。 第 四强度 理论认 为形 状改 变 比能是引 起材 料屈 服 破坏 的主要 因素 。 无 论什 么应力 状态 ， 只要 构件 内一 点 处 的形 状改变 比能达到单 向应 力状态下 的极 限值 ， 材料 就要 发生破坏 。 三 向应力状 态下 的形状 改变 的变形 比能 为式 ( 6 ) ： 形= ( l 一 2 ) ( 2 一 3 ) ( 3 一 1 ) 2 ( 6 ) O 式 中 O r 、 、 ， 材料三个方向的主应力 ； E 材料 弹性模 量 ； 泊松比。 当一个 方 向受 力 时 ， 1 = 相 当 、 0 2 0 、 3 = = 0 ， 将 其代 入 式( 6 ) 得 ： V o 形 = 2 当 ， 而 0 形 = 形 ， 即有式 ( 7 ) ： 0 厂r 相 当 = 、 ( 1一 2 ) 2 + ( 2一 3 ) 2 + ( 3 一 1 ) 2 ( 7 ) V 1 2 - 3 单轴相当应力随施工速度的变化规律 从式 ( 5 ) 中可 以看出 ， 在井筒井壁施工期 间， 施工方案 中需要考虑 的变量将 只有施工 高度和冻结压力 p 。 ， 其 中施 工高度决定了施工速度的快慢。 冻结压力据现有资料来看用 ， 在井壁施工后 7 d 内一般不会超过 2 0 MP a ， 所以本文计算将 固定冻结压力的取值， 而只将施工高度作为需要考虑的变量。 可假设 a = 5 m， b = 6 m， p 2 0 MP a 。 代人式 ( 5 ) 中， 可以 得到式 ( 8 ) ： l = -0 0 1 1 3 6 z 一1 1 3 6 2 = 一 0_ 0 l 1 5 一1 1 9 5 4 ( 8) D 。 ： 一0 0 2 5 z r = O 变量 z 选择三个具体数值 1 0 、 2 0 、 3 0 、 5 0 、 1 0 0 m d 。 再 将 z = 7 d x 1 0 m d = 7 0 1 1 1 、 = 7 d x 2 0 m d = 1 4 0 r I 1 、 z = 7 dx3 0 m d = 21 0 1T I 、 z =7 dx5 0 m d = 3 5 0 1 T I 、 z =7 d 1 0 0 m d = 7 0 0 m分别代人式( 8 ) ， 通过式( 7 ) 第 四强度理论 将 三向应力在形状改变 比能一定的情况下转化为单轴相 当应力 ， 可以得出计算结果如表 1 所示。 与标准养护条件相 比氯离子扩散系数上升值约为 2 3 0 。 混凝土的渗透性评价 由“ 中” 变为“ 高” 。 C 5 0 、 C 7 0时也表现 出相类似 的规律。 在早龄期荷载及负温耦合作用下 ， 混凝土 内部的初始 微裂纹等缺陷都会成长 、 连通与扩展 ； 随着荷载 的加大 ， 界 面上初始微裂纹 的长度与宽度都在增加 ， 有的还连成新的 界面裂纹 ； 荷载继续增加 ， 界 面裂纹向水泥砂浆内部蔓延 ， 并与原有 的砂浆 内微裂纹连通 。 早期裂缝导致的最严重后 果是极大地降低 了混凝土的抗氯离子渗透性能。 3 3施 工 速 度 的确 足 从表 1 可 以看 出 ， 当施 丁速度 为 3 m d时 ， 通过计算 得 到井壁混 凝土 的单 轴相 当应力 为 l 3 。 5 2 MP a ，相 当于 C6 0混凝土 7 d强度的 3 0 。 并且从 图 3 、 4可以看 出 ， C6 0 混凝土在 “ 加荷 3 O +冻 7 d ” 的条件 下 ， 与标准养护条 件 相比强度损失约为 1 6 1 ； 氯离子扩散系数上升约为2 3 0 ， 混凝 土的渗透性评价由“ 中” 变为“ 高” 。 试验方案设置时选择的是处于诸多不利工况组合极 限条件下的井壁混凝土作为研究对象的， 是真实井壁可能 遭遇 的最不 利的一种状态 。 当施工速度 大于 3 m d时 ， 这 些处 于不利工况组合极 限条件下 的井壁混凝土 的耐久性 就不能得到保证。 早期损伤导致的最严重后果是极大地降 低混凝土结构 的耐久性 。 这时 ， 无论强度多高 ， 混凝土多致 密 ， 一 旦混凝 土出现损 伤 ， 对外 界腐蚀介 质来说 就成为无 障碍通道。 一个不透水但存在非连续微裂缝且多孔 的钢筋 混凝土结构 ， 在环境作用 下 ， 微裂纹和孔隙会连通并延伸 ， 不透水性逐 渐丧失 。 水 、 O 、 C O 。 、 酸性离子的渗入会使孔隙 内静水压力增大 ， 混凝 土膨胀 ， 导致钢筋锈蚀 、 碱 一 骨料反 应 、 水结冰、 硫酸盐侵蚀等 ， 同时混凝土强度与刚度降低 。 这又大大降低 _7 混凝土 的耐久性能。 此 ， 井壁混凝土的极 限施工速度不应超过 3 m d 。 4结 论 ( 1 ) 通过井壁施T期间的混凝土弹塑性 学分析可得到 单轴相当应 力随施工速度的变化规律 。 ( 2 ) 在真实井壁所处的可能遭遇的最不利状态 的条件 F， C 6 0 混凝土强度损失值约为 1 6 1 ； 氯离子扩散系数上 上接第 1 5 2页 c o mpa c t i n g c e n l e n p a s t e s a n d c o n c r e t e c o n t a i n i ng g r o un d c l a y b r i c k s J Co n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 3， 3 8 ： 1 0 1 1 0 9 I 2 I2 孟志良 ， 李国宇 ， 马晓伟 ， 等月 彭胀剂对自密实混凝土力学性能 影响l J 1 混凝土 ， 2 0 1 3 ( 5 ) ： 8 9 9 2 【 3 】I l i a n a Ro d r l g u e z V i a c a v a ， A n t o n i o Ag u a d o d e C e a ， Ge mma R o d r l g u e z de S e ns a l e S e l f -c o mp a c t i n g c o nc r e t e o f me d i u m c h a r a c t e r i s t i c s t r e n g t h J 1 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s 2 0 1 2， 3 0 ： 7 7 6 7 8 2 J 4 1 A S Hq 、 I ANI M S ， S C O TT A N， DHA KAL R P Me c h a n i c a l a n d fl e s h pr o p e r t i e s o f h i g h - s t r e n g t h s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e c o nt a i n i n g c l a s s C fl y a s h J 1C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s 2 0 1 3 ， 4 7 ： 1 2 1 7 - 1 2 2 4 5 黄维蓉 ， 刘贞鹏 ， 张 忠明 ， 等 自密实混凝土的特点及性能研究 综述I J 1 混凝土， 2 0 1 4 ( 1 ) ： 1 0 8 1 1 0 1 5 6 升值约为2 3 0 ， 混凝土渗透I生评价由“ 中” 变“ 高” 。 ( 3 ) 井壁混凝 土的极限施工速度不应超过 3 m d 。 参 考文献 ： 【 1 】Z HOU Gu o q i n g， C UI G u a n x i n， L V He n g l i n ， e t a 1 S i m u l a t i o n s tud y o n r e i n f o r c i n g o v e r b u r d e n t o p r e v e n t a nd c u r e t h e rup t u r e o f s ha f t l i n i n g J J o u r n a l o f C h i n aU n i v e r s i t y o f Mi n i n gT e c h n o l o g y ， 1 9 9 9 ， 9 ( 1 ) ： 1 - 7 【 2 】 经来盛 表土沉降对井壁破裂的影响及防破裂措施的研究 J 煤 炭学报 ， 2 0 0 l ， 2 6 ( O 1 ) ： 4 9 5 3 【 3 】李定龙， 周志安 井壁混凝土渗水腐蚀破坏可能性分析【 J I _ 煤炭 学报 ， 1 9 9 6 ， 2 1 ( 2 ) ： 1 5 8 1 6 3 4 】纪洪广 ， 刘娟红 ， 周晓敏 矿井混凝土井壁材料腐蚀劣化途径及 服役安全问题对策研究 C 2 0 1 1 中国材料研讨会论文摘要集， 2 0 11 f 5 1 余红发， 孙伟， 等在冻融或腐蚀环境下混凝土使用寿命预测方 法 H员伤演化方程与损伤失效模式f J 1 硅酸盐学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 3 ) ： 1 2 8 1 3 5 【 6 1 姚直书， 程桦 ， 荣传新 西部地区深基岩冻结井筒井壁结构设计 与优化【 J I _煤炭学报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 ( 5 ) ： 7 6 0 7 6 4 7 】张驰 ， 杨维好， 杨志江， 等 深厚含水基岩区立井外壁冻结压力 的实测与分析 煤炭学报 ， 2 0 1 2 ， 3 7 ( 1 ) ： 3 3 3 8 【 8 江理平 ， 唐寿高， 王俊民 工程弹性力 M】 上海 ： 同济大学出版 社 ， 2 0 0 2 【 9 何积善泺 结井井壁厚度计算的建议【 J 1 煤炭工程 ， 1 9 8 2 ( 1 1 ) 1 0 1 郝育忠 机械设计基础 M 重庆 ： 重庆大学出版社 ， 2 0 0 7 f 1 1 1 陈 志敏 井壁混凝土在早期荷载与负温作用下的损伤劣化研 究 D 】 - _ E 京： 北京建筑大学， 2 0 1 3 【 1 2 】 方永洁， 李志清， 张亦涛 持续压荷载作用下混凝的渗透性f J j _硅 酸盐学报 ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 1 O ) ： 1 2 8 2 1 2 8 7 1 3 倒1 伟 荷载与环境因素耦合作用下结构混凝土的耐久性与服役 寿命 东南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ， 3 6 ( s 2 ) ： 7 - 1 4 作者简介 联 系地 址 联系电话 宋少民( 1 9 6 5 一 ) ， 男 ， 硕士 ， 教授 。 北京市西城区展览馆路 1 号 北京建筑大学土木学院 ( 1 0 0 0 4 4 ) 1 3 5 21 2 61 6 33 6 龙武剑 ， 王卫仑 ， 冼向平 ， 等 高强自密实混凝土研究及其在工 程中的应用f J 混凝土 ， 2 0 1 4 ( 1 ) ： 9 0 9 2 【 7 】G B T 2 2 8 -2 0 0 2 ， 金属材料 室温拉伸试验方法【 s 】 8 G B T 5 0 1 5 2 -2 0 1 2 ， 混凝土结构试验方法标准【 s 】 【 9 】G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 s 】 作者简介 联系地址 联系电话 陈波 ( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 ， 从事结构 工程及高性 能混凝土研究 。 新疆乌鲁木齐市延安路 1 2 3 0 号 新疆大学南校区建 筑工程学院( 8 3 0 0 4 7 ) 1 3 61 99 0 91 22