刁奶毫 姚直書(shū) 張平

摘 要：為了解決深厚沖積層凍結(jié)井筒外壁易產(chǎn)生環(huán)向裂縫難題，以楊村煤礦主井凍結(jié)段外壁為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)相結(jié)合的方法，進(jìn)行了混凝土水化熱對(duì)外壁受力變形影響分析。研究結(jié)果表明，在外壁混凝土入模后，受水泥水化放熱反應(yīng)的影響，混凝土溫度快速上升，外壁峰值溫度高達(dá)55.5℃。隨后又開(kāi)始降溫，混凝土產(chǎn)生收縮，由于受到井幫凍土的約束，外壁產(chǎn)生豎向約束拉應(yīng)力。如村煤礦主井326.7m測(cè)試水平豎向溫度應(yīng)力達(dá)到了3.63MPa，這是引起凍結(jié)井筒外壁產(chǎn)生環(huán)向裂縫的主要原因，從而揭示了深厚沖積層凍結(jié)井筒外壁易產(chǎn)生環(huán)向裂縫機(jī)理，并提出了防止混凝土出現(xiàn)環(huán)向裂縫的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：凍結(jié)井筒;外壁;混凝土水化熱;溫度應(yīng)力;裂縫

中圖分類(lèi)號(hào)： TU528.31文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（2021）02-0062-06

收稿日期：2020-12-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（51674006）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016YFC0600902）;安徽省高校學(xué)科（專(zhuān)業(yè)）拔尖人才學(xué)術(shù)資助項(xiàng)目（gxbjZD09）

作者簡(jiǎn)介：刁奶毫（2000-），男，重慶江津人，在讀碩士，研究方向：地下工程結(jié)構(gòu)。

Analysis on the Influence of the Stress Deformation of Concrete Hydration

Heat on the Outer Wall

DIAO Naihao，YAO Zhishu，ZHANG Ping

（School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001，China）

Abstract：In order to solve the problem of circular cracks easily occurring on the outer wall of frozen shaft lining in deep alluvium， taking the outer wall of frozen section of main shaft in Yangcun Coal Mine as the research object， the influence of hydration heat of concrete on the stress and deformation of outer wall was analyzed by means of field measurement， theoretical analysis and laboratory test.The results showed that the concrete temperature rose rapidly due to the influence of cement hydration exothermic reaction， and the peak temperature of the outer wall reached 55.5℃.Then the outer wall began to cool down， and the concrete shrank. Due to the constraint of frozen soil， the outer wall produced vertical constraint tensile stress. For example， the horizontal and vertical temperature stress of 326.7m main shaft in Yangcun Coal Mine reached 3.63MPa，which was the main reason for the circumferential fracture in the outer wall of frozen shaft.Therefore，the mechanism of circumferential cracks on the outer wall of frozen shaft in deep alluvium was revealed， and the technical measures to prevent circumferential cracks in concrete were put forward.

Key words：frozen shaft lining; outer wall; hydration heat of concrete; thermal stress; cracks

目前煤炭仍是我國(guó)的主要能源，無(wú)論是新建礦井還是現(xiàn)有煤礦安全改建工程都需要新建井筒[1]。在深厚沖積層采用凍結(jié)法鑿井時(shí)，外層井壁（外壁）施工過(guò)程中混凝土常出現(xiàn)環(huán)向裂縫，影響了外壁承載力[2]。當(dāng)井筒建成、凍結(jié)壁解凍后這些裂縫又成為導(dǎo)水通道，加大了內(nèi)壁的防治水壓力[3-4]。為防止凍結(jié)壁解凍后井筒出現(xiàn)涌漏水現(xiàn)象，引發(fā)淹井事故，進(jìn)行外壁環(huán)向裂縫的產(chǎn)生機(jī)理研究具有十分重要的意義。

針對(duì)這一方面問(wèn)題，已有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)研究。文獻(xiàn)[5]根據(jù)彈性理論，給出了井壁內(nèi)外溫差引起溫度應(yīng)力的解答。文獻(xiàn)[6-7]針對(duì)井壁溫度應(yīng)力、井壁自重、水平側(cè)壓力和豎向應(yīng)力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明井壁破裂的重要原因是豎向附加力和溫度應(yīng)力。文獻(xiàn)[8]利用凍土理論和混凝土水化熱理論，分析了在凍結(jié)法鑿井施工情況下井壁混凝土不同成分對(duì)井壁強(qiáng)度性能的影響。文獻(xiàn)[9]采用有限元法和工程監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)凍結(jié)井壁的溫度和溫度應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。文獻(xiàn)[10]通過(guò)實(shí)測(cè)，得到了井壁在施工、解凍和解凍后的一些變化規(guī)律，包括井壁溫度、凍結(jié)壓力、垂直應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變。文獻(xiàn)[11]研究了不同摻量水泥漿體的水化熱釋放與抗壓強(qiáng)度之間的定量關(guān)系。

雖然上述文章對(duì)井壁的溫度應(yīng)力和變形進(jìn)行了相關(guān)研究，但對(duì)于深厚沖積層凍結(jié)井外壁混凝土水化熱引起環(huán)向裂縫還缺乏深入分析。為此，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析和實(shí)際算例對(duì)混凝土水化熱引起外壁豎向受力變形進(jìn)行分析研究。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及混凝土水化熱分析

1.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

楊村煤礦主井穿過(guò)松散層厚達(dá)538.25m，井筒凈直徑7.5m，井筒全深998m，凍結(jié)深度723m，表土層主要由粘土、砂質(zhì)粘土和砂層組成。

該井筒在外壁施工到第68段高、深度約251.2～255m的粘土層位出現(xiàn)二道橫向裂紋，影響井筒安全施工。為此，課題組確定在深度326.7m處（該位置為21m深厚粘土層的中部）設(shè)置觀測(cè)水平，對(duì)外壁的混凝土溫度、凍結(jié)壓力和豎向混凝土應(yīng)變進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，以分析井壁產(chǎn)生環(huán)向裂紋的原因。實(shí)測(cè)的外壁內(nèi)外側(cè)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖1所示。

由圖1可知，由于外壁厚度大，大體積混凝土的熱量發(fā)散受到阻隔，因此在混凝土入模后1～2d左右，外壁混凝土溫度上升速度極快，最高溫度達(dá)到了55.5℃。然后受凍結(jié)壁低溫影響，于第24d變?yōu)樨?fù)值，最低溫度達(dá)到了-3.8℃，第1～7d為快速降溫段，溫差達(dá)到了39.8℃。在外壁混凝土降溫過(guò)程中，如果沒(méi)有受到約束，外壁豎向?qū)⒆杂墒湛s，沒(méi)有豎向約束應(yīng)力。但由于外壁受到凍結(jié)壁的凍結(jié)壓力作用，收縮變形將會(huì)受到約束，從圖2外壁所受凍結(jié)壓力實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到。

如圖2所示，凍結(jié)壓力在前10d增長(zhǎng)速度快，隨后增長(zhǎng)速度變慢，最后趨于穩(wěn)定。由于該處外壁對(duì)應(yīng)地層為粘土層，凍結(jié)壓力達(dá)到了3MPa，凍結(jié)壓力大，外壁受到了很大的約束，不能自由收縮，將在井壁中產(chǎn)生約束拉應(yīng)變或拉應(yīng)力。為此，又對(duì)外壁的豎向變形進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析（見(jiàn)圖3）。

如圖3所示，在井壁澆筑后，混凝土受到了較大的豎向拉應(yīng)變，且隨著時(shí)間增長(zhǎng)持續(xù)增大，這主要是由于外壁混凝土豎向收縮受到約束，產(chǎn)生了較大的豎向溫度約束拉應(yīng)力。

由圖1～圖3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析表明，凍結(jié)井筒外壁鑿井期內(nèi)產(chǎn)生的豎向約束溫度應(yīng)力主要是混凝土入模后經(jīng)歷水化熱反應(yīng)后溫度快速上升，再受凍結(jié)壁低溫影響，外壁溫度將在混凝土入模后2～3d內(nèi)急劇下降，隨后緩慢降至零下，前后溫差一般可達(dá)到40～50℃，甚至更高。因此，外壁混凝土必然引起收縮變形，在凍結(jié)壓力耦合作用下，在井壁中產(chǎn)生豎向溫度約束拉應(yīng)力， 當(dāng)受到的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土極限拉應(yīng)力就會(huì)使井壁產(chǎn)生環(huán)向裂縫，對(duì)井壁結(jié)構(gòu)的整體性和承載力產(chǎn)生影響。

2 降溫引起豎向溫度應(yīng)力分析

為了更好地探究外壁混凝土產(chǎn)生環(huán)向裂縫的機(jī)理，本文又進(jìn)行了理論分析。

受到混凝土水化熱反應(yīng)和凍結(jié)壁的影響，在混凝土入模后，整個(gè)外壁的溫度急劇升高后又快速降低，因此外壁在豎向方向?qū)⒁a(chǎn)生收縮變形。當(dāng)變形受到約束時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，溫度應(yīng)力的大小主要取決于外壁短時(shí)間內(nèi)溫差和周?chē)s束條件，下面將對(duì)此進(jìn)行分析。

分析外壁豎向約束溫度應(yīng)力時(shí)，假設(shè)外壁混凝土入模后，水化熱反應(yīng)達(dá)到頂峰，峰值溫度為t1，隨后快速降溫短時(shí)間內(nèi)溫度降為t2，外壁各部分均勻收縮，但是由于凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)凍土對(duì)外壁的約束作用，外壁的自由收縮受到限制。特別是在深厚粘土層，凍結(jié)壁變形大、凍結(jié)壓力大，凍土對(duì)外壁的豎向變形限制大，類(lèi)似于加強(qiáng)地基。因此，外壁混凝土內(nèi)產(chǎn)生了較大的豎向約束拉應(yīng)力。

2.1 豎向約束溫度應(yīng)力

假設(shè)外層井壁與凍土間的約束剪力τ與外壁變形u為線性比例關(guān)系，如圖4所示。

根據(jù)彈性力學(xué)，可得任何一點(diǎn)的位移，是由約束位移和自由位移組成的

u=u0+αΔTz（1）

式中：u為實(shí)際位移;u0為約束位移。

σz=Eε=E（du0/dz）（2）

du/dz=（du0/dz）+αΔT（3）

dσZ/dz=E（d2u0/dz2（4）

（d2u/dz2）-Cu/tE=0（5）

令β=ChE（6）

得到以下微分方程

d2u/dz2-β2u=0（7）

得到通解后帶入邊界條件求最大值得到外壁最大豎向約束溫度應(yīng)力為[12-13]

σz=αEΔT1-10Hchβ（8）

式中：σz為豎向約束溫度應(yīng)力，MPa;β為計(jì)算系數(shù);ch為雙曲線余弦函數(shù)表示符號(hào);ΔT為井壁降溫的溫差，ΔT=t1-t2，℃;

h為井壁厚度，mm;H為井筒深度，mm;α為混凝土線膨脹系數(shù);E為混凝土彈性模量，N/mm2;C為粘結(jié)力系數(shù)，如表1所示。

由于前期水化熱反應(yīng)，混凝土早期彈性模量取折減系數(shù)為k1=0.5[14]，同時(shí)由于外壁混凝土屬于大體積混凝土，因此本文考慮混凝土徐變。由于徐變會(huì)引起外壁豎向溫度約束應(yīng)力松弛，松弛系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值k2=0.5[15]，對(duì)外壁豎向溫度約束拉應(yīng)力進(jìn)行折減，即

σ0z=k1k2σz（9）

井壁混凝土的線膨脹系數(shù)α一般為1.0×10-5/℃，即外壁溫度每降低1℃，外壁就將產(chǎn)生近十萬(wàn)分之一的收縮位移，外壁混凝土的極限拉應(yīng)變?yōu)?00με到150με，當(dāng)外壁混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度差超過(guò)限值，由此產(chǎn)生的豎向位移對(duì)于外壁來(lái)講是無(wú)法承受的。

2.2 計(jì)算實(shí)例

根據(jù)對(duì)楊村煤礦主井的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得到了井壁內(nèi)外側(cè)溫度變化曲線，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到的最大溫差帶入式（1），計(jì)算最大豎向約束溫度應(yīng)力。

計(jì)算實(shí)例井壁厚度h=950mm，井壁溫差取快速降溫段t1=55℃、t2=9.5℃，ΔT=t1-t2=39.8℃，井筒深度H=3.267×105mm，混凝土線膨脹系數(shù)α=1.0×10-5/℃，第三水平凍結(jié)壁土層為鈣質(zhì)粘土，粘結(jié)力系數(shù)C=6，E=3.65×104MPa。

將上述數(shù)據(jù)帶入式（6）、（8）、（9）可得：

β=ChE=5.88×10-4

σz=αEΔT1-10Hchβ=14.52MPa

σ0z=k1k2σz=3.63MPa

通過(guò)實(shí)例計(jì)算得到外壁在快速降溫段所受到的豎向約束拉應(yīng)力將大于該處混凝土早期抗拉強(qiáng)度，井壁極易產(chǎn)生深層環(huán)向裂縫。如同處兩淮礦區(qū)的丁集煤礦風(fēng)井，在埋深353m的深厚粘土層處，曾發(fā)生施工期間外壁豎向鋼筋被拉斷現(xiàn)象，由此可見(jiàn)，豎向約束溫度應(yīng)力相當(dāng)大。相對(duì)于不影響井壁安全的表面裂紋，深層裂縫寬度和深度都較大，對(duì)井壁混凝土的耐久性不利。特別是當(dāng)井筒建成、凍結(jié)壁解凍后這些裂縫又成為導(dǎo)水通道，加大了壁間注漿的難度，不利于井筒的防治水工作。

3 防止外壁混凝土環(huán)向裂縫措施

為了減少凍結(jié)井筒在凍結(jié)壁解凍過(guò)程中的涌水量，確保井壁安全可靠，提高井壁混凝土的耐久性，需要采取措施防止凍結(jié)井筒外壁產(chǎn)生環(huán)向裂縫。

3.1 控制外壁混凝土水化熱

為了降低外壁大體積混凝土水化放熱，在混凝土配制時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用低水化熱水泥，并采用粉煤灰、磨細(xì)礦渣等其他膠凝材料替代部分水泥[16]，以降低井壁的水化熱溫度。在澆筑外壁時(shí)，特別在環(huán)境溫度較高的夏季，混凝土的粗細(xì)骨料應(yīng)當(dāng)進(jìn)行預(yù)降溫處理，使混凝土的入模溫度保持在15～20℃，從而降低混凝土的水化熱峰值溫度[17]。

3.2 采用纖維混凝土

現(xiàn)有研究成果表明[18-20]，在混凝土中摻加纖維可以顯著提高混凝土的抗裂、抗拉等力學(xué)性能，改善地下工程結(jié)構(gòu)物的抗?jié)B性和耐久性。為此，本文又開(kāi)展了仿鋼纖維混凝土主要力學(xué)性能試驗(yàn)。

1）材料及配合比

為滿(mǎn)足凍結(jié)法鑿井對(duì)外壁混凝土的早強(qiáng)性和高強(qiáng)的要求，試驗(yàn)選用海螺牌P.Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥。粗骨料選用粒徑為5～20mm連續(xù)級(jí)配的玄武巖碎石，其壓碎指標(biāo)為3.7%。細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.78的天然河砂，其含泥量小于1.5%。外加劑選用NF高效復(fù)合減水劑。為了降低澆筑混凝土?xí)r的水化熱，在膠凝材料中加入Ⅰ級(jí)粉煤灰和磨細(xì)礦渣，其中磨細(xì)礦渣的比表面積為4 500cm2/g、密度為2.89g/cm3。

仿鋼纖維選用聚丙烯粗纖維（PPTF），其實(shí)物外觀如圖5所示，主要性能指標(biāo)如表2所示。

針對(duì)特厚沖積層凍結(jié)法施工井壁的受力特點(diǎn)和施工工藝，現(xiàn)以?xún)鼋Y(jié)井壁常用的C60高性能混凝土為基礎(chǔ)，其基準(zhǔn)配合比（每立方米混凝土材料用量）為：水泥400kg、磨細(xì)礦渣為110kg、粉煤灰為40kg、水為143kg、砂為626.5kg、碎石1 114kg和減水劑為16.5kg。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)摻加仿鋼纖維得到纖維混凝土。為了進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)化，每立方米混凝土中分別摻加0、3、5kg的仿鋼纖維，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)組編號(hào)分別為C-0、C-3、C-5。

2）試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述配合比，制作混凝土試件分別進(jìn)行抗壓、劈裂抗拉測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，仿鋼纖維的加入提高了混凝土抗壓強(qiáng)度，但是增加幅度有限。而混凝土的抗拉強(qiáng)度提高顯著。相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土，其抗拉強(qiáng)度提升最大達(dá)到了30.03%。由此可見(jiàn)，仿鋼纖維的加入明顯提高了混凝土的抗拉性能。且其工程造價(jià)比常用的鋼纖維混凝土大大降低，推廣應(yīng)用后對(duì)凍結(jié)井壁混凝土的耐久性具有積極作用。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)楊村礦主井326.7m測(cè)試水平的外壁內(nèi)外側(cè)溫度、凍結(jié)壓力以及混凝土豎向變形進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，凍結(jié)井筒外壁溫度快速上升，隨后又急劇下降，前后溫差一般可達(dá)40～50℃，外壁混凝土發(fā)生收縮變形、在凍土約束作用下，井壁中并產(chǎn)生豎向約束拉應(yīng)力，混凝土極易產(chǎn)生環(huán)向裂縫。

（2）基于彈性力學(xué)原理，推導(dǎo)出由于井壁降溫引起的豎向約束溫度應(yīng)力計(jì)算公式。計(jì)算表明，外壁受到的豎向約束溫度拉應(yīng)力達(dá)到了3.63MPa，是導(dǎo)致凍結(jié)井筒外壁產(chǎn)生深層環(huán)向裂縫的主要原因。

（3）為了確保井壁安全使用，可采用降低井壁混凝土水化熱和采用纖維混凝土來(lái)防止井壁出現(xiàn)環(huán)向裂紋。并通過(guò)試驗(yàn)表明，仿鋼纖維混凝土可使抗拉強(qiáng)度最大提高30.3%，這對(duì)抑制井壁環(huán)向溫度裂縫的產(chǎn)生具有積極作用。

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（責(zé)任編輯：丁 寒）