井壁混凝土在早期荷载作用下的损伤劣化研究.pdf

第 4期 陈志敏等 ：井壁混凝土在早期荷载作用下 的损伤劣化研究 壁的重要依据 井壁的外载可分为： 自重、 永久地 压 ， 温度应力 ， 水平附加力 、 竖 向附加力 、 冻结压力 、 地 震荷 载 等而井 壁在 施工 期 间最 可 能承 受 的早 期 荷载则包括 自重 、 永久地压 、 温度应力 、 冻 结压力等 四个方 面 1 )自重 由井壁 自重荷载引起 的自重应力 由下式计算 ： g y H 式 中 自重应 力 ， k P a ； 井 壁重力 密 度 ， 一 般取 2 5 k N m ； 日 计算深度 ， m 2 )永久地 压 永久地压是指水与土体对井壁 的侧 向压力 在深厚表土层中计算水平地压最常用的是经验公式 ( 即重液公式) ： P ： KH 式中 K 系数 ， 我国取 K=0 0 1 0 0 1 3 ； 日 计算 点 深度 ， 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 51 2 t m 的水泥浆护壁可长时 间保持土壁不塌帮 ， 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 明了该公式 的可行 性 3 )温 度应 力 在 冻结 井筒 施 工期 间 ， 现 浇混 凝 土井壁 时 ， 混凝 土温度 变化 量 可达 4 0 5 0 c I = 这 些 温度 的差 异 必然会在井壁 中引起 自生温度应力和 约束温度应 力温度应力是导致井壁混凝土产生裂缝的主要原 因之一不少文 献 中也有关 于温度 应力 的实测分 析 鉴于温度应力和冻结压力相同 ， 都是使井壁 混凝土产生径 向应力与环 向应力所以， 温度应力 可与冻结压力用 同一公式考虑 4 )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 ， 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 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混凝 土应 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 1 2 2 空 间轴对 称 问题 的弹性力 学解答 平 衡微 分方 程 ： + + + ：0 O r O z r 一 + O 0 - z + i z r O r + =0 r 一 几何方程 ： d M， u O w s r 一 O w O u + 物理 方程 ： E( ) r I 拶 J 南 ( ) I 一 J ( ) I + ： J E 而y n ( 2 ) ( 3 ) 式 ( 3 ) 中 ， =s ， +s +,f l ： ， 称之 为体积 应变 用位移作为基本未知量求解空间轴对称问题 ， 必须使 以应力表示 的平衡微分方程用位 移分量表 示将式( 2 ) 代人到式 ( 3 ) ， 然后再代入到式( 1 ) ， 可 以得到空间轴对称柱坐标形式的拉梅方程( 4 ) 2 1( 1 2 v O r i2 ) 0 ( + ) 一 。 。J 2 1( 1 2 v O z ) 0 ( + ) I 一 。 式 ( 4 ) 中 ， V = O 2 + + 2 O r O r O z r ( 4) 在具体求解时， 要借助= F拉甫 ( L o v e ) 位移函数 ( r ， ) ， 并使 得 1 一 =麦 2 ( 1 V 一 等 ( 5 ) 若不计体力 ， 即f r = f z =0 ( 有体力时 ， 可另取特 解 ， 再叠加 即可 ) 将式 ( 5 ) 代入 无体力 时的方程 1 6 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 ( 4 ) 中， 可见第一式 自动满足， 第二式变为： V V ( r ， )= 0 ( 6 ) 式 中 ， = 熹+ + 由此 ， 空 间 轴 对称 位 移解 法 归结 为 在 给定 的 边 界条件下求解双调和方程 ( 6 ) 在求得拉甫位移函 数后 ， 还可以求得相应 的应力分量表达式为( 7 ) 鼍 ( 一 事 = ( V 一 杀 ) 去 一 熹 r = 昙 一 菩 ( 7) 于是， 通过位移边界条件 即可求 出各种荷载作 用下 井 壁所受 应力 的理论 解 1 2 3 井壁 混凝土在 早期荷 载作用下 的应 力理 论解 1 ) 井 壁 自重作用 下 的应力理 论解 假设单层井壁内径为 a ， 外径为 b ， r 为 a 、 b之间 某一计算点至井筒圆心的距离 通过 自重作用下 的位移边界条件 ， 按位移解法 所应 满 足 的方 程式 ( 7 ) ， 便 可知该 问题 的理 论解 为 ： r=0， =O, o v z 一 1 ( 8 ) ： ， = 0 J 2 ) 井壁在冻胀压力作用下的应力理论解 设 P=P 。产生的应力分布可按位移解法确定 ， 可假设 ( r ， z )=C l n ( r k ) ， 按前所述 ， 温度应力 可与冻胀压力按同一公式考虑按位移解法求得应 力分 量如下 ： ， = b 2 p o ( a 2 一 ) l J 一 ) 一 I 7 J =0 f =0 ( 9 ) 3 ) 井壁在水平地压作用下的应力理论解 设 P=k o z 产生的应力分布按式 ( 9 ) 的形式 ， 先假定为式 ( 1 0 ) ， 然后将其代入基本方程组， 验证 知满足要求 ， 所 以式 ( 1 0 ) 是 k o z作用下井壁应力的 理论 解 ： ) I 一 ( a 2 + 1 ) ：0 =0 4 ) 应力 叠加 ( 1 0) 在 小变 形 、 线 性弹性 本构 方程 的前 提条件 下 ， 叠 加原理可以成立 ， 最终结果见式( 1 1 ) ， = b z( a 2 1 ) ( k oz + P o ) ， l J ) ：一 ( a 2 + 1 ) ( + p 0 ) 一 I J 。抖p o ： 一 y z r =0 5 ) 第四强度理论 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 井壁是受多向力的结构体 ， 可利用第 四强度理 论找出相当于单向受力时的应力强度 ， 以相当应力 o r 相 当 表示三向应力状态下的形状改变的变形 比能 为 式 ( 1 2 ) ： u 。 形= ( O 2 ) +( o - z O 3 ) +( o - ) ( 1 2 ) 式 中： 、 ： 、 分别 为材料三个方 向的主应力； E 为材料弹性模量 ； 肛为泊松比 当一个方 向受力时 ， o r 1 = 相 当、 2=0 、 3 ：0 ， 将其代入式 ( 1 2 ) 得 ： = 2 当， 而 U 。 形= ， 即有 式 ( 1 3 ) ： 相 当 寺 ( 一 0 2 ) + ( z 一 0 3 ) + ( ， 一 O -1 ) ( 1 3 ) 1 2 4 工程举例说 明 下面就以一个工程实例来估算在施工期间井壁 混凝土所受到的早期荷载值 的大小某井壁 ， 外径 b= 6 I l l ， 内径 a=5 m， 应力计算点半径 r = 5 5 I n ； 7 d 极限施工高度假设为 1 0 0 I n 冻胀荷载根据实测可 取为 2 0 MP a 将数据代入式( 1 1 ) ， 得 ： 第 4期 陈志敏等 ： 井壁混凝土在早期荷载作用下 的损伤劣化研究 1 7 O r 一1 21 MP =一 1 2 7 4 M P a I ( 1 4 ) ：一2 5 MPa J 将式( 1 4 ) 代人 ( 1 3 ) 中， 可得 ： = 1 0 9 6 MPa =1 0 9 MPa 对强度等级 C 6 0混凝 土而言 ， 7 d强度一般 可 达到 4 2 MP a 那么在 7 d时， 井壁混凝土所承受的 荷载大概为当时强度的 2 6 ， 我们需要研究 的是这 样比例的早期荷载对井壁混凝土的损伤程度 2试验方 案的选择及确定 2 1 应 力加 载装 置受 力分 析 应 力加 载装 置 示 意 图 ， 如 图 1所 示 通 过扭 力 扳手拧紧螺母 ， 从而使横梁产生挤压荷载， 使应力加 载装置中的混凝土试件产生压应力应力加载装置 受力分析 ， 如 图 2所示由以下公式确定 ： M = 0 2 F D ( 1 5 ) 式 中 扭矩 ， N m； F 螺丝杆 的 预紧力 ， N； D 螺栓 直径 ， m m 囊 害 l J 2 C 1 2 0 2 0 图 1应 力 加 载 装 置 示 惫 图 由受力 分 析可 知 ， y= 0 ， 故 F = P 2 又螺栓直径 D=2 0 m m= 2 01 0 m， 螺丝杆 的 预紧力 F =P 2 ； 由公式( 1 5 ) 可知 ，M =0 2 F D=0 2 X 2 0 1 0 P 2， F f r f ： l ； J J 图 2受 力分 析 所 以 ， P=2 M ( 0 22 01 0 一 )=M 1 0 2 ( N)=M 2 ( k N) 实际操作 中， 亦用压力传感器验证了试块上承 受 的压 力 P与所 加载扭 矩 之 间关系 的正确 性 2 2 加 载规 则 从 1 d后开始连续加压至第 7 d 2 8 d后卸去应 力加载装置具体加载规则如图 3所示 ， 其 中横 坐 标表示在 7 d前连续加压 ， 2 8 d卸载并测强 纵坐标 表 示加 荷 强度 分别 为 当 时强 度 的 2 0 、 3 0 、 4 0 之所以连续加压 ， 是为了更好 的模拟井壁施工的现 实条件在做连续加压之前 ， 也做 了非连续加 压的 试验 ， 两者所表现出来的试验结果有所 区别本文 仅讨论井壁混凝土在连续加压条件下的损伤劣化 4 0 3 0 2 0 1 3 7 2 8 d 图 3应力加载规则图示说明 3试验 结果及分析 3 1 载 荷作 用 下强度 变化规 律 在 试 验过 程 中 ， 所设 置 的对 照块 为 在 实验 室 条 件下的标养试块 ， 并不施加任何压力横轴表示两 种 强 度 等 级 的 混 凝 土 试 块 分 别 加 载 当 时 强 度 的 2 0 、 3 0 、 4 0 纵 轴 表示 试 块 成 型 2 8 d后 ， 按 照 标准方法测定的试块强度 ， 单位为 M P a 从 图 4可 以看出 ， 加荷试块的强度均 比对照块 的强度有所下降， 且随着加载应力的增加 ， 强度在逐 渐下降加荷越大， 强度损失越 多考虑到混凝土 强度可能具有较大的离散性 ， 在同一龄期受荷 ， 相同 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 7 0 6 O 5 O 三4 0 3 0 皤 2 O 1 0 0 图 4强度 变 化 规 律 的养护条 件 ， 受不 同 静力 的混 凝 土试 件 的抗 压 强 度 之间较少的差别并不能说明早期静力荷载可以对混 凝 土后期 性 能产 生 影 响 设 置 两次 独 立 试 验 ， 试 验 结果显示， 两次独立试验 ( C 5 0 、 C 6 0 ) 均很好 的表现 出 了这 一趋 势 3 2 载 荷作 用下 氯离子 扩散 系数 的变化规 律 在 试 验过 程 中 ， 所设 置 的对 照块 为在 实 验室 条 件下的标养试件 ， 并不施加任何压力 ， 横轴表示不同 批 次 时的对 照块 与加 荷 块 ， 加 荷 大小 为 连 续 加 载 当 时强度 的 3 0 ， 纵轴表示为试块成型 2 8 d后 ， 试块 经切片处理后测得的氯离子扩散系数 ， 单位为 ： 1 0 c m s 从图 5可 以看出， 加荷试块 的氯离子扩散系数 要 大 于标养试 块 考 虑到混 凝 土氯 离子 扩散 系 数可 能具有 较 大 的离 散性 ， 设置 了两次 独立试 验 ， 试验结 果显示 ， 两次独立试验均很好 的表现出了这一趋势 图 5氯离子扩散 系数变化规律 按照 N E L法评 价氯 离子扩 散 系数 标 准 ， 加 荷 块 与对照块的氯离子扩散系数评价等级均为 ( 中) 从这一角度看 ， 早龄期荷载可对井壁混凝土 的氯离 子扩散系数产生影响并且这种影响并不足以在最 一 开始时就显现 出来但关键之处在于 ， 早龄期荷 载作用下产生的裂缝一旦 与外界连通 ， 就改变 了侵 蚀介质在混凝土内部传输的边界条件 许 多矿井 位于 地下水 丰 富 、 且富含 氯离 子 、 硫 酸 根离子等侵蚀性介质的区域 ， 尤其在我 国的内蒙 、 宁 夏等西部地区含有该类离子 的地下水进入井壁会 引发混凝土的一系列反应 ， 造成混凝土井壁 的腐蚀 破坏 ， 从而导致混凝土强度和耐久性的严重降低 ， 可 大大缩短井壁的使用寿命 井壁混凝土在早期荷载作用下会产生一定量的 裂缝而长久来看 ， 周围侵蚀性介质的存在， 会对井 壁混 凝 土 的 耐 久 性 产 生 多 大 的 影 响 ， 有 待 进 一 步 研 究 4 结 论 1 ) 通过空间轴对称 问题的弹性力学解答 ， 可知 在井壁施工期问 ， 井壁混凝土就已经承受了较大 的 早期荷载 2 ) 在早期荷 载作用下， 混凝土强度 的降低 ， 说 明过早的承受较大的荷载已在井壁混凝土结构 内部 增 加 了微缺 陷数量 3 ) 在早期 荷载 作用 下 ， 氯 离子 扩 散 系 数有 一 定 的增加 ， 但增加 幅度不大 4 ) 在本试验 3 0 早期荷载作用下产生的损伤 对井壁混凝土的力学性能和密实性影响较小 ， 5 ) 一旦混 凝 土开裂 ， 这 些 微 缺 陷就 改 变 了周 围 侵蚀介质在混凝土内部传输的的状态各种有害离 子沿着这些增加的内部缺陷侵入到混凝土内部 ， 就 会降低井壁混凝土的“ 免疫性” ， 对井壁结构耐久性 影响到底有多大 ， 还有待进一步的研究 参考 文献 ： 1 张福 良 中国矿产资源 开发整合研 究 M 北京 ： 中 国 地质 大学 出版社 ， 2 0 1 2 ： 1 01 5 2 丁敏 复杂荷载条 件下井壁 破裂预测 D 青岛 ： 山东 科技大学 ， 2 0 0 5 3 王衍森 ， 杨维好 ， 黄 家会 特厚 冲积层冻 结井外壁 温度 实测研究 J 中国矿业大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 5 ( 4 ) ： 4 6 8 4 72 4 杨桂通 弹性力学简 明教程 M 北京 ： 清华 大学 出版 社 ， 2 0 0 6： 3 05 5 5 江理平 ， 唐寿高 ， 王俊 民 工程弹性力学 M 上海 ： 同 济大学出版社 ， 2 0 0 2 ： 7 8 8 9 6 何积善 冻结 井井壁 厚度计 算 的建 议 J 煤炭工 程 ， 1 9 8 2 ( 1 1 ) ： 1 1 21 1 3 7 郝育忠 机械设 计基 础 M 重庆 ： 重 庆大学 出版 社 ， 20 0 7： 565 7 责任编辑 ： 王克黎 = f I 黼嬲 阻 蝻 一 豳豳 阻 fF= = = _= = = = = = 广 蒯 隧 豳 阻_ 畸 jF= = = _|= = = = = = = = = 嘲 黼豳飘