王鵬越 ,王 博 ,王建州 ,朱啟銀 ,崔學仕

(1.中煤第五建設有限責任公司,安徽 徐州 221006;2.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,安徽 徐州 221116)

豎井工程是人類向地下爭取空間和探索資源的重要工程,是聯(lián)系地表與地下空間、資源礦體的重要通道。隨著資源開發(fā)向深部發(fā)展,尤其對超深豎井的建設需求越來越大[1-2]。國內(nèi)建井工程常用工法有:鉆爆破普通法、鉆井法、反井鉆井法、凍結法和注漿法等[3-5]。然而,傳統(tǒng)的地面穩(wěn)車系統(tǒng)隨著建井深度的增加面臨有效提升荷載不足的問題[6]。

為實現(xiàn)無地面穩(wěn)車懸吊條件下立井快速套壁施工,中煤第五建設有限公司研究提出了立井環(huán)形無中心支撐靴的技術方案[7-8],通過支撐靴將砌壁模板懸吊或支撐在己砌筑的井壁上,使模板成為一個能獨立行走的設備,可解決深立井或鉆井法施工[9]相關設備井內(nèi)吊掛困難的問題。此外,譚昊通過分析礦山豎井掘進機施工工況,提出了一種適合礦山豎井掘進機使用的支撐系統(tǒng)方案[10]。李超推導豎井掘進機撐靴作用下井壁土體的極限承載力公式,評估了土層中豎井掘進機撐靴的設計及井壁穩(wěn)定性[11-12]。立井環(huán)形無中心撐靴與井壁相互作用科學理論及相關技術標準尚不完善,支撐靴在不同接觸面工況的承載規(guī)律尚不明確。

筆者開展了立井環(huán)形無中心支撐靴與井壁單側撐緊工況懸吊承載力模型試驗研究,研究不同接觸面工況下?lián)窝コ休d力,揭示不同接觸面工況撐靴與井壁的摩擦機理。

1 模型試驗平臺搭建及試驗方案

1.1 試驗平臺搭建

考慮試驗精度和模型制作難度,模型試驗幾何縮比選定為1∶5,試驗平臺功能結構示意如圖1和圖2所示。試驗平臺總高度1.78 m,外徑1.93 m,混凝土井壁模型下底面凈高1.2 m,能夠為混凝土井壁模型(高度0.4 m、內(nèi)徑1.39 m、厚度0.2 m)、支撐靴模型(高度0.32 m、外徑1.37 m)和4處懸吊荷載的施加提供足夠空間。

圖1 撐靴受力模型試驗平臺正視

圖2 撐靴受力模型試驗平臺俯視

1.2 試驗相似準則

在模型試驗材料相同的條件下,各相似常數(shù)只與幾何尺寸相似常數(shù),即幾何縮比有關。本試驗中設計CL=5,可得其它各相似常數(shù)值見表1。

表1 模型試驗中相似常數(shù)取值

1.3 試驗傳感器布置

模型試驗中主要傳感器類型及檢測內(nèi)容如下:

(1)位移傳感器:在支撐靴懸吊荷載加載點附近布置,測量支撐靴撐緊和懸吊荷載施加條件下的結構位移。

(2)荷重傳感器:撐緊力通過液壓千斤頂施加,荷重傳感器對撐緊力進行量測和控制。

(3)拉力傳感器:懸吊荷載通過絲桿施加,配套拉力傳感器進行懸吊荷載量測和控制。

按照試驗實施方案,模型試驗中共布置混凝土應變計5組(10個)、拉力傳感器4個、荷重傳感器2 個、位移計2 個,具體測點位置及編號如圖3所示。

圖3 模型試驗傳感器位置及編號示意

1.4 試驗方案

混凝土澆筑48 h后開始試驗測試,測試內(nèi)容包括撐靴和混凝土接觸表面常規(guī)(脫模)、淋水、涂油、夾柔性板等6種不同接觸面工況的撐緊和懸吊荷重,每組試驗結束后順時針旋轉180°后重復試驗一次,總計進行了43組試驗,詳細如表2所示。

表2 模型試驗加載方案

續(xù)表

2 試驗結果分析

2.1 支撐靴與混凝土表面常規(guī)脫模工況

試驗中撐緊力和懸吊荷重均為逐級分步施加,表3和表4給出了支撐靴與常規(guī)脫模工況混凝土表面撐緊、懸吊荷重施加過程。表中總撐緊力為設置的兩個液壓千斤頂作用力之和,由配套的荷重傳感器量測并記錄;拉力1～4分別對應支撐靴模型CX-1、CX-2、CX-3 和CX-4上加載絲杠串聯(lián)的拉壓傳感器,具體拉力值由顯示儀表讀出并記錄,總懸吊荷重為4 個拉力值的總和。

表3 常規(guī)脫模工況懸吊荷重施加結果 t

表4 常規(guī)脫模工況懸吊荷重施加結果(旋轉180°重復) t

初始施加懸吊荷重約為總撐緊力的40%,之后按一定比例遞增,一般3～4步施加至極限懸吊荷重。當支撐靴出現(xiàn)局部滑動或懸吊荷載降低明顯難以維持時,終止加載,記錄數(shù)據(jù)并進行下一級撐緊力條件測試。繪制常規(guī)脫模工況下懸吊荷重施加結果曲線,如圖4所示?？梢钥闯?初始1～3步懸吊荷重基本能按設計值施加完成并穩(wěn)定,但第4步實際達到的懸吊荷重維持數(shù)值一般較設計值小。

圖4為常規(guī)脫模工況下總撐緊力和總懸吊荷重極值關系曲線。從圖4可以看出,試驗條件下總撐靴的懸吊荷重極值均大于施加的總撐緊力,二者比值介于1.3～1.5,平均值為1.4(試驗3～7組結果為1.4～1.8,旋轉180°重復結果為1.1～1.3,此處取二者平均值計算)。

圖4 常規(guī)脫模工況下懸吊荷重極值與撐緊力關系

2.2 不同工況下支撐靴承載性能對比分析

針對支撐靴與混凝土表面夾柔性板工況、淋水工況、涂油工況、涂油+橡膠工況和鑿毛工況進行相同測試試驗,得到不同工況下模型撐靴撐緊力與懸吊荷重比值關系(如圖5)。從圖5可以看出,除涂油+橡膠工況外,其它工況撐緊力與懸吊荷重比值均大于1.0,接觸面存在潤滑油脂情況下對懸吊荷重降低明顯,淋水、墊橡膠板與常規(guī)脫模混凝土表面的區(qū)別不大,試驗結果沒有表現(xiàn)出三者差異的規(guī)律性,但橡膠柔性夾層條件存在懸吊荷重松弛現(xiàn)象。

圖5 不同工況下?lián)尉o力與懸吊荷重比值對比

圖6為撐緊力4 t、6 t和8 t時不同工況下懸吊荷重對比,不同工況下懸吊荷重與撐緊力比值最大1.7、最小0.5,平均值為1.4(不包含涂油+橡膠工況),且比值隨撐緊力增加有降低趨勢。將所有試驗數(shù)據(jù)匯總,繪制出撐緊力與懸吊荷重關系曲線,如圖7 所示。除涂油+橡膠工況外,所有試驗數(shù)據(jù)點均分布在1.9∶1.0和0.9∶1.0范 圍內(nèi)。

圖6 撐緊力6～8 t不同工況下懸吊荷重對比分析

圖7 試驗條件下支撐靴撐緊力與懸吊荷重關系

2.3 支撐靴-井壁接觸面摩擦系數(shù)分析

根據(jù)彈性力學圓環(huán)受均布壓力的解答,接觸面壓力P與撐緊應力σφ之間滿足以下關系:

式中,ρ為極徑;r為圓環(huán)內(nèi)徑;R為圓環(huán)外徑。其中圓環(huán)內(nèi)外徑采用模型試驗設計,取r=0.646 m,R=0.686 m,ρ=R代入式(1)中可得

撐緊應力為

式中,Fchj為支撐靴模型上施加的撐緊力,Achj為支撐靴伸縮口斷面面積。從而,根據(jù)試驗測得的不同撐緊力條件下支撐靴懸吊荷重數(shù)據(jù),即可以估算支撐靴-井壁接觸面間的摩擦系數(shù)

式中,F為支撐靴模型上施加的懸吊荷重,Ajch為支撐靴-井壁接觸面積。需要說明,文中估算參數(shù)均為相應物理量的平均值,獲得的摩擦系數(shù)也為整個支撐靴-井壁接觸面的近似平均摩擦系數(shù)。匯總計算結果如表5所示,可見涂潤滑油能大幅降低支撐靴與混凝土之間的摩擦系數(shù),其中涂油+橡膠工況平均摩擦系數(shù)最低,為最不利工況。

表5 不同接觸面工況懸吊承載能力與平均摩擦系數(shù)

3 結 論

(1)在常規(guī)、淋水和夾橡膠板三種工況下,試驗結果接近,且懸吊荷重的承載性能較好,常規(guī)工況下懸吊荷重與撐緊力比值介于1.3～1.5之間、接觸面平均摩擦系數(shù)介于0.22～0.26之間,但有橡膠柔性夾層時會出現(xiàn)懸吊荷重松弛現(xiàn)象。

(2)6種試驗工況中,以涂油+橡膠板為最不利工況,懸吊荷重與撐緊力比值僅介于0.5～0.8,接觸面平均摩擦系數(shù)僅為0.09～0.13;接觸面涂油工況,懸吊荷重與撐緊力比值范圍為0.6～1.5;在涂油基礎上鑿毛工況,懸吊荷重與撐緊力比值范圍為1.0～1.6,潤滑油對支撐靴-混凝土接觸面間的摩擦系數(shù)降低作用明顯。