复杂地质环境中立井井筒受力特征研究应用.doc

复杂地质环境中立井井筒受力特性研究
声明亮1，邵伟1，薛爱芝2，朱宜海2
（1同济大学地下建筑与工程系 上海 92，2济宁市市政设计院 山东 济宁27）
摘 要：本文采用有限元数值分析技术手段，选用深层地下构造——立井井筒为研究对象，建立大型三维有限元模型，设定复杂地质环境条件，进一步研究了随着深度增长，地质条件变化而引起地下构造位移及受力特性变化，拟定了应力集中位置，并且分析了由于地下构造施工导致土体位移趋势。本文所得结论可以对立井井筒及其她大深度地下构造设计、施工起到一定理论指引意义。
核心词：大深度地下构造；立井井筒；复杂地质条件；有限元数值模仿
中图分类号：TU923 文献标记码：A
Stess Feature Research of Shaft in Complex Geological Environment
SHEN Mingliang1，SHAO Wei1,XUE Ai-zhi2,ZHU Yi-hai2
(1. Department of Geotechnical Engineering in Tongji University，Shanghai 92，China；2. Municipal Design Institute of Jining，Jining，Shandong 27，China)
Abstract:The change of underground structure displacement and stress feature caused by the change of geological conditions as the depth increasing is researched in this article，and the stress concentration position is determined. The research is done by the method of finite element numerical analysis. The reaserch object of the three-dimensional finite element modele is deep underground structure----shaft under complex geological environmental. The soil displacement and the change of secondary stress field caused by the underground structure construction is also analysed in this article. The conclusions can play a guiding significance to the design and construction of shaft and other deep underground structures.
Key words：deep underground structure；shaft；complex geological condition；finite element numerical simulation

0 引 言
随着国内经济发展，煤矿产业也在迅速发展，新矿区不断建设，立井井筒是矿井建设一种重要某些。立井井筒属于一种大深度地下构造，穿越地层多，影响因素多，受力特性复杂，很难用纯粹理论公式来表达其受力特性。浅层（深度在几十米范畴内）地下构造，如：都市地铁隧道，高速公路隧道，基坑等所处地质环境相对简朴，穿越地层范畴不大，其受力特性相对容易分析，针对浅层地下构造理论研究也相对成熟。但随着深度增长，影响因素增多，地下构造受力特性将要发生变化。上世纪50年代以来，国内较流行井筒受力计算办法重要有普氏办法(普逻托迪雅柯诺夫办法)、秦氏办法(秦巴列维奇办法)、萨氏办法(萨乌斯托维奇办法)以及重液公式，但这些公式仅仅合用于浅层表土，随着深度增长，其与实测值误差也越来越大[1]~[2]。中华人民共和国矿业大学依照实测和分析得出了拟重液公式，水土分算公式，夹心墙地压公式，山东科技大学也得出了千米立井计算公式，这些成果都推动了深层地下构造受力特性研究。随着计算机技术发展，有限元法得以应用于地下工程研究。本文以立井井筒为研究对象，设定复杂地质环境，采用有限元数值软件，研究大深度井筒穿越各种地层时受力特性变化。所得结论可以对立井井筒及其他大深度地下构造设计、施工起到一定指引意义。
1 工程背景
某矿井立井井筒施工办法为冻结法，井筒深度474.70米，表土段深度为148.69米，井筒净直径6.50米，表土段内壁厚度为0.60米，外壁厚度为0.40米，井壁材料为双层钢筋混凝土材料。其第四系地层厚148.6m，分上、中、下三组，上组厚23.5m，有砂及砂砾层共4层；中组厚70.1m，重要由粘土，砂质粘土及粘土质砂构成；下组厚55.0m，为砂及粘土互层[3]。各地层及井壁基本参数如表1所示：
表1 各地层及井壁基本参数[1]
Table1 Basic parameter of each stratum layer and sidewall

密度
（Kg/m3）
弹性模量
（MPa）
泊松比
摩擦角
内聚力
（MPa）
抗拉强度
（MPa）
上组
1650
30
0.25
25
0.03
0.06
中组
1650
50.4
0.26
25
0.035
0.07
下组
1700
50.4

0.26
25
0.04
0.075
风化岩
2500
7991.62
0.249
30
5
2
井筒
2700
30000
0.184
55
4.72
2.98
2 有限元数值分析[4]~[7]
本文采用ANSYS软件进行有限元数值分析，建立大型三维数值模型，采用合理分析流程，以期获得可靠分析成果。分析流程如图1所示：
建立模型
Kill shell63
自重模仿
重启动
Kill solid45
Active shell63
加节点力
施工模仿
成果分析

图1 分析流程图
Fig.1 Analysis process

2.1 数值分析模型建立
依照实际工程资料，拟定模型高度为173.69米，其中基岩如下为25米，基岩以上为148.69米，以井筒中轴线为中心，长宽各取100米范畴为模型边界。地层单元采用SOLID45单元，井壁采用SHELL63单元进行模仿。
由于井筒几何形状及其荷载均为轴对称，取1/4模型为研究对象。对称轴为Y轴。在竖直方向上基岩段每个单元高度为2米，共有10个单元；下组土层每个单元高度为1米，共有55个单元；中组土层每个单元高度为2米，共有35个单元；上组土层每个单元高度为5米，共有5个单元。
水平径向方向上，从内到外单元尺寸逐渐变大，共有40个单元，总单元数目为40503个单元井筒施工前模型建立如图2、3所示：

图2 模型正面图 图3 SHELL63单元图
Fig.2 Model front face Fig.3 SHELL63 element
约束施加：在Y=0平面上施加所有方向约束；在X=0，Z=0平面施加对称约束；X=100平面施加X方向水平约束；Z=100平面施加Z方向水平约束；Y=170平面为自由面。
2.2 原始应力场模仿
地层通过许近年沉降固结已经达到一种稳定状态，称之为原始应力状态，一方面将这种原始应力状态进行模仿，然后才干分析立井施工后井壁受力状态，否则模型土体就相称于未固结土，将对模仿成果导致误差。在进行计算前，一方面杀死SHELL63单元，原始应力场模仿成果如下图4所示：

图4 原始应力场
Fig.4 Y-direction stress nephogram
2.3 二次应力场模仿
在初始地应力模仿分析基本上，重新启动程序，杀死井筒内部SOLID45单元来模仿开挖，同步激活SHELL63单元来模仿井壁建立，对模型再次进行求解，分析由于立井施工对周边地层影响而形成二次应力场。开挖后1/4模型以及模型扩展如图5、6所示：

图5 开挖后模型 图6 模型扩展图
Fig.5 Excavated model Fig.6 Expansion model
数值模仿成果分析：
通过模仿计算，得到井筒周边地层位移、应力如下云图7~10所示：

图7 水平向位移 图8 水平向应力
Fig.7 Horizontal displacement Fig.8 Horizontal stress

图9 竖直向位移 图10 竖直向应力
Fig.9 Vertical displacement Fig.10 Vertical stress
从水平向位移图可以看出，大某些土体发生朝向井筒位移，其中最大位移发生在地表处井口周边，其最大值为。而在Y=20~150m范畴内一某些土体发生背离井筒位移，其最大值为。分析其因素，笔者以为是井壁在土体深部水平向位移过大，导致土体相对于井壁有远离趋势。竖直方向位移沿深度增长逐渐变小，最大值发生在地表处，，基岩段位移几乎为零。
水平向、竖直向应力随深度增长而增长，在基岩与表土交界处发生应力集中，水平向应力最大值，竖直向应力最大值。
2.4 井筒受力及变形分析
为了研究随着深度增长，地质环境变化，在自重及周边土体附加应力作用下立井井筒受力及变形特点。咱们在井壁外侧沿井壁轴向建立一条应力途径Pathroz1。也就是过Y轴和角XOZ作一平面，该平面与井壁外缘面交线就是Pathroz1，该途径上共有106个节点，几何模型上途径如图11所示：

图11 途径PATHRQZ1
Fig.11 Path PATHRQZ1
2.4.1 沿应力途径Pathroz1水平及竖直方向位移及应力如图（12~15）所示：

图12 水平方向位移图 图13 竖直方向位移图
Fig.12 X-direction displacement Fig.13 Y-direction displacement

图14 水平方向应力图 图15 竖直方向应力图
Fig.14 X-direction stress Fig.15 Y-direction stress
2.4.2 成果分析
从图12可以看出，表土段水平方向位移从地表开始呈线性增长趋势，最大值出当前表土与基岩交界处，基岩段水平位移基本呈矩形分布，随深度变化不大。这与井筒所受围岩压力成果相一致。从图14可以看出，表土段水平方向压力从上向下逐渐增大，呈线性增长，最大值出当前表土与基岩交界处，而基岩段围岩压力随深度变化不大，基本呈矩形分布，应力值在左右。可见井筒水平方向位移重要是受水平方向压力影响，因而拟定井筒所受围压对于分析井筒变形意义重大。因而，将此外详细分析在本文地质条件下，数值模仿成果与现阶段流行理论计算成果差别，以期拟定出最佳立井井筒围岩压力计算办法。
从图13可以看出，竖直方向位移趋势与水平方向位移趋势正好相反，从地表向下呈非线性减少趋势，最大值出当前地表处，而在基岩与表土交界处竖直方向位移减少至零。这与竖直方向应力变化趋势也正好相反。从图15可以看出，竖直方向应力从上向下逐渐变大，在表土与基岩交界处达到最大值。这一趋势与实际状况也是相符合，在本文中井壁所受竖直力重要是表土给与负摩擦力以及井筒自重，地表处该力为零，表土与基岩交界处为最大值。而位移却相反，在表土与基岩交界处为零，这是由于基岩变形量几乎为零，而地表处位移为最大值。
2.5 井筒围压分析
关于井筒围压理论有各种，就其研究办法分，重要有平面挡土墙积极土压力理论，空间轴对称极限平衡理论，拱效应理论等，这些理论分析和大量实测成果有较大出入，计算值往往比实测成果偏大，并且随着深度增长，偏差越大。而随着计算机技术发展，有限元法得以在地下工程中得到广泛应用。本文用有限元软件得出了立井井筒围岩压力随深度变化趋势，在此，咱们谈论有限元法与老式理论成果差别[8]~[9]。
（1）秦氏公式[10]

其中为秦氏给定侧压力系数，流砂0.757，沙砾和砂性土0.526，粘土0.387。针对本文地质状况：

（2）重液公式[10]

H—计算地层深度
1.3—水土混合重液比重，吨/米3
经计算，本文。
（3）中华人民共和国矿业大学拟重液公式[10]

其中称为压力当量系数，经实测表白其值为0.9~1.2
当深度H<200m，=1.2吨/米3；200300米，=1.0吨/米3
经计算，本文。
三种公式计算成果及本文数值模仿成果如图16所示：

图16 成果对比图
Fig.16 Result comparation
由图可以得知，就变化趋势来说，秦氏公式成果显然与模仿成果相差较大，并且，在同一深度水平上浮现两种压力值，这一点秦氏公式并不严谨。本文成果与重液公式及拟重液公式趋势基本一致，但与拟重液公式在数值上更接近，因而本文以为，在对立井井筒围压计算中，拟重液公式和有限元法均有非常大发展前景。
3 结论
当立井井筒或其他构造由于深度较大而穿越不同地层时，其应力和应变特性将随着深度不同，地质条件变化而变化。深度和地质条件是影响立井井筒或其她地下构造应力应变重要因素。本文通过研究分析可得如下几点结论：
（1）立井施工导致地表面土体产生朝向井筒位移，而深部土体却产生相对背向井筒位移趋势。
（2）立井井筒在表土层随着深度增长，水平向位移增大，而竖向位移却减小。在基岩段位移并不随深度增大而增长。
（3）立井井筒在表土段水平向、竖直向应力和应变均随深度增大而增长；在基岩段各方向应力应变为一定值，并不随深度变化而变化。
（4）在表土层与基岩交界处，立井井筒极易产生应力、应变集中，立井井筒在该位置极易发生破坏。
（5）在复杂地质环境大深度地下构造受力研究中，有限元法有着很大发展前景。
参照文献
[1]王渭明,孔亮.超深立井围岩压力测试与分析[J].土工基本,,17(3):78-80.
[2]王渭明,千米立井地压计算与探讨[J].煤炭工程,1990,(12):3-6.
[3]刘环宇.厚冲积层立井井筒破坏发生机理及防治技术研究[D].南京:河海大学,:22-46.
[4]李围.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中华人民共和国水利水电出版社,.
[5]盛和太,喻海良,范训益.ANSYS有限元原理与工程应用实例大全[M].北京:清华大学出版社,,12.
[6]龚曙光.ANSYS基本应用及范例解析[M].北京:机械工业出版社,,1.
[7]刘涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,.
[8]王祥厚.沉井地压-一种特殊表土地压探讨[J].贵州工业大学学报,,31(2):53-57.
[9]李定龙,周志安,邹海.井筒变形特性实验研究[J].岩土工程学报,1997,19(5):95-99.
[10]马英明.立井厚表土层地压理论与实践[J].中华人民共和国矿业大学学报,1979,(1):45-69.
第一作者简介：声明亮（1981--），男，山东潍坊人。同济大学在读博士生，重要研究方向为岩土工程。
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