内层钢板外层高强度混凝土复合井壁受力特性与支护结构参数优化分析

针对内层钢板外层高强度混凝土复合井壁的厚度设计,以受均匀围压的内层钢板外层高强度混凝土复合井壁得出的弹性解析解为基础,对内层钢板采用Mises屈服准则,外层高强度混凝土采用统一强度理论,研究复合井壁的初始屈服临界状态.以内层钢板和外层高强度混凝土均未屈服为条件,提出复合井壁的设计流程.结果表明,当内半径、围压以及材料给定时,存在外半径和分层半径的最佳取值范围,在此范围内选择外半径和对应的分层半径,内层钢板和外层高强度混凝土均不会达到屈服.与模型试验进行对比,发现试验中内半径、外半径、分层半径和材料给定的复合井壁,当围压等于设计围压时,外半径和分层半径处于最佳取值范围;当围压继续增大时,外层高强度混凝土先于内层钢板屈服.弹性解与屈服准则相结合,得到复合井壁设计流程为:通过规范及工程地质条件确定井壁内半径和围压值,选定复合井壁的材料,采用屈服准则求得外半径和分层半径的最佳取值范围.

TBM有压输水隧洞内张钢圈-管片-围岩组合结构联合承载力学特性分析

为探究全断面隧道岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)有压输水隧洞内张钢圈-管片-围岩组合结构的受荷状态,以榕江―关埠引水工程中Ⅴ类围岩TBM有压输水隧洞段为研究对象,建立内张钢圈-管片-围岩组合结构三维精细化有限元模型,研究内水压力、围岩类型对组合结构力学特性的影响。研究结果表明:采用内张钢圈加固隧洞结构能有效控制隧洞变形,减小管片拉应力及受拉区范围,提高组合结构的承载能力;内水压力作用下管片压应力、竖向变形、接缝张开度、连接螺栓应力、内张钢圈应力、锚杆应力均较无内水压力作用下有所减小,但管片拉应力和接缝错台分别增大了19.68%、39.25%,其主要原因为内水压力作用致使隧洞结构整体呈现向外膨胀,在充水运营期间应加强内水压力作用下的安全监测;在外部水土压力和内水压力共同作用下,围岩类型的改变使组合结构中连接螺栓应力、管片接缝错台、锚杆应力分别提高37.11%、15.29%、14.75%,其主要原因为围岩岩性越差承担荷载能力越弱,在围岩类型的过渡区域应进行重点监测;此外,在外部水土压力和内水压力共同作用下,组合结构中围岩、管片、内张钢圈、锚杆的荷载分担率分别为21.38%、43.08%、24.01%和11.53%,内张钢圈荷载分担率较无内水压力作用提高了34.06%,内水压力作用提高了内张钢圈分担荷载的效果;组合结构中围岩的分担率随围岩类型(Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类)的增加而减小,相同荷载下Ⅲ类围岩的荷载分担率较Ⅴ类围岩提高了16.96%。该研究成果可为类似隧洞工程的衬砌设计及后期加固措施提供理论参考。

内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁数值模拟

为解决深厚冲积层冻结井筒的支护难题,采用有限元软件对内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁结构的强度特性进行了数值模拟。计算结果表明,提高混凝土强度等级、增大厚径比和加大内层钢板厚度可显著提高该种井壁的承载能力,而配筋率对井壁承载力影响很小。根据数值模拟计算结果,回归得到了内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁承载能力计算公式,计算方法简单,可用于该类井壁结构设计参考。

深冻结井筒内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁试验研究

针对600～800 m特厚表土层中冻结井筒的支护难题,根据约束混凝土原理,提出合理的解决途径是采用内层钢板高强钢筋混凝土复合冻结井壁结构。通过模型试验,对该种井壁结构的应力、变形和强度特性进行深入研究,结果表明:由于内层钢板筒的约束作用,井壁结构中混凝土处于三轴受压应力状态下,其变形能力和抗压强度都得到较大程度的提高,井壁破坏时,内缘混凝土的环向应变可达-4 000με,表现出较好的延性特性,改善了高强混凝土的脆性缺陷。如将目前现场使用的现浇高强钢筋混凝土冻结井壁改为内层钢板高强钢筋混凝土复合结构形式,则井壁承载能力可大大提高,可合理地解决特厚表土层中冻结井筒的支护难题。影响该种井壁极限承载力大小的因素依次为混凝土抗压强度、厚径比、内层钢板厚度和配筋率,其中提高混凝土强度对井壁承载力影响非常显著,如将混凝土强度提高10 MPa,则井壁承载力将提高约13.8%。而增大配筋率对井壁承载力影响甚微,所以,在实际工程应用中,为经济合理设计井壁,只需配置单外排钢筋。最后,根据理论分析和试验结果推导出该种井壁承载力的计算公式,从而为该种井壁结构的工程应用提供设计依据。

深厚冲积层井筒修复内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁研究及应用

针对板集煤矿副井井筒修复的复杂工程条件,提出采用内套内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁结构。首先,对该种新型井壁结构力学特性进行了模型试验研究,结果表明:在井壁结构中高强钢纤维混凝土的极限压应变可达(-3 710^-3 750)με,显著提高了井壁结构的延性特征;由于内层钢板的约束作用,井壁内缘钢纤维混凝土也处于三向受压状态,钢纤维混凝土抗压强度提高了1.822~1.974倍,从而显著提高了该种复合井壁的承载能力;在板集煤矿副井井筒修复工程中首次应用了内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁,并通过现场实测结果表明,2个监测水平钢纤维混凝土应变分别为-290με和-359με,远小于试验实测的极限压应变值,说明目前该种新型井壁结构混凝土变形小,井壁结构安全可靠。

西部钻井法“一钻成井”新型高强复合井壁力学特性

针对西部地区富水弱胶结地层中深、大钻井井筒“一钻成井”支护难题,提出采用高强钢板-混凝土复合井壁新型结构。首先,以内蒙古鄂尔多斯市陶忽图煤矿北风井为工程原型,基于相似理论推导了复合井壁结构模型试验相似指标,通过正交模型试验,研究了不同井壁厚度、混凝土强度等级和钢板型号情况下高强钢板-混凝土复合井壁的力学特性。其次,采用数值模拟方法,计算分析了高强钢板-混凝土复合井壁极限承载力的影响因素及其变化规律。然后,根据模型试验与数值计算结果,构建了高强钢板-混凝土复合井壁承载力和混凝土抗压强度提高系数计算公式,并给出了各影响因素的取值范围,同时提供了该种井壁结构的工程应用设计优化方法。最后,分析了复合井壁结构中锚卡的力学作用效应。研究结果表明,在复合井壁结构中,由于高强钢板屈服强度高,可更好地对中间混凝土产生复合约束作用,混凝土抗压强度提高系数可达2.3~2.6,井壁承载力显著提高。在相同条件下,与Q345钢板相比,高强钢板(Q460~Q620)-混凝土复合井壁的极限承载力可提高7.14%~19.46%,井壁厚度可减薄8.18%~19.52%,且增大内层钢板厚度更有助于提高井壁极限承载力。复合井壁结构中锚卡约束着内钢板,使其达到屈服应力后不会过早发生屈曲失稳,同时对中间混凝土提供约束作用,保证其处于三向受压状态,2者起到很好的复合作用,有利于井壁结构整体受力。

约束混凝土结构在井筒支护中的研究与应用

约束混凝土井壁由于采用材料强度和弹性模量都高于钢筋混凝土的钢板作为其内层结构 ,内外层产生良好的复合作用 ,使外层钢筋混凝土筒体在受力时 ,内表面产生径向约束压应力 ,从而提高井壁的整体承载能力 ,避免井壁因径向拉应变超过材料极限而发生破坏 .模型试验和工程应用都证明了约束混凝土结构是一种理想的抗地层竖向附加力的井壁结构型式 .

特厚表土层双层钢板高强高性能混凝土钻井井壁试验研究

针对500～700m特厚表土中钻井井筒的支护难题,认为合理的解决途径是采用双层钢板高强高性能混凝土复合井壁结构。首先,给出钻井井壁C60～C75高强高性能混凝土的优化配合比;然后,根据相似理论,进行双层钢板高强高性能混凝土复合井壁结构的模型设计。通过模型试验,对这种井壁结构的应力、变形特性和强度特征进行研究,研究结果表明:由于内、外钢板筒的约束作用,井壁结构中的混凝土完全处于三轴受压应力状态下,其抗压强度得到较大程度的提高,且井壁破坏时混凝土的极限压应变达到-4600με,表现出较好的延性特性,得到了该种井壁结构承载力的试验值,从而为该种高强井壁结构的工程应用提供了设计依据。目前,该研究成果已应用于3个特厚表土层的钻井井筒工程实践中。

内钢板高强钢纤维混凝土井壁力学特性研究

针对特厚（600～800m）冲击层中煤矿立井井筒支护问题,提出了使用内钢板-高强钢纤维混凝土复合井壁结构,为研究该井壁结构的水平承载特性,利用相似理论推导,采用物理模拟试验的方法,进行了4个模型井壁的破坏性试验,研究了该类井壁结构的水平承载特性和变形特征。研究表明,内钢板-高强钢纤维混凝土复合井壁属约束混凝土结构,是特厚冲积层中井筒支护理想的井壁结构形式之一。

内钢板高强混凝土井壁锚卡的力学特性研究

通过模型试验对内钢板-高强混凝土井壁锚卡的力学性能进行了研究,结果表明随着井壁作用力的增加锚卡受到的拉应变逐渐增大,并且当内钢板进入塑性变形后应变增长加快,明确了井壁在荷载作用下锚卡的应力-应变特性,以及破坏特征。通过数值模拟进一步明确了锚卡的最大拉应力位置并不在锚卡与内钢板的焊接位置,而是在离开焊接位置约1/3倍的锚卡长度处。

内钢板—混凝土复合井壁的设计计算方法研究

就内钢板—混凝土复合井壁的设计计算方法进行了初步研究,探讨了组合筒法基本公式的推导过程,并结合实例,验证了公式推导的正确性,以供类似的设计计算借鉴参考。

小孔径溜矸井垮落原因分析及修复技术研究

为了防止溜矸井垮塌对上下巷道和人员安全造成的严重威胁,采用"架金属支护+木垛法"将下部巷道进行加固,形成了稳定可靠的维护空间,创新性地采用圆形钢筒作为预制井壁,依据试验确定钢筒的直径、厚度和高度等参数,钢筒在井内起到了通体浇筑模板的作用,周围空隙采用混凝土浇筑法填充,在混凝土预制钢筒外侧形成牢固可靠的加固层,混凝土加固层与周围岩体有效结合形成整体结构,增大了溜矸井的整体强度和稳定性,解决了长期以来小孔径软岩井(仓)体难以维护的难题。

脚手架组合钢模在深竖井混凝土衬砌中的应用

深竖井施工中混凝土衬砌一般方量较小,若采用滑模施工,投资大、不实用。采用脚手架组合钢模板进行混凝土衬砌施工,既节约成本又灵活。仅从脚手架组合钢模结合溪洛渡水电站右岸3、4号泄洪洞补气竖井混凝土施工,对脚手架组合钢模在狭小施工空闸的应用进行了介绍。

深大竖井内衬墙整体式钢模施工工艺

竖井为水利工程常见结构,随着产业的快速发展,竖井的深度、直径越来越大。内衬墙为竖井的永久外露结构,混凝土施工多采用逆作法,模板一般为组装式钢模板,安装标准高、安装难度大,每次使用都需要完成一次拆装,时间耗费较长。粤东供水工程工作井内衬墙混凝土施工采用电动整体式钢模,在工作井周圈预设提升系统,钢模板外设调节撑杆作为支撑体系,利用提升系统整体提升、下降钢模板,使每循环施工时钢模板无需进行拆除、运输、拼装,有效提高施工效率,缩短施工周期,具有良好的经济效益和社会效益。

内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁在冻结井筒应用研究

针对板集主井井壁修复工程,提出采用内套内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁。对该种井壁受力机理进行分析,井壁内缘混凝土由于受到钢板筒的约束而处于三向受压应力状态,抗压强度明显增加,而该种井壁的现行设计计算方法并没有考虑到这一点。为此,根据我国现行混凝土结构设计规范中有关内容,给出内层钢板钢筋混凝土复合井壁设计计算完善方法。模型试验证明,采用完善方法设计的内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁结构,其混凝土抗压强度提高了1.838~1.859倍。板集主井工程应用现场实测表明,井壁结构中混凝土环向应变值为-392με,说明采用完善方法设计的井壁结构安全可靠。