特厚表土层钢板混凝土复合井壁竖向承载力试验研究

通过模型试验和理论分析,对特厚表土层双层钢板高强混凝土复合井壁的竖向受力特性进行了研究。首先,根据相似理论,进行了双层钢板高强混凝土复合井壁结构的模型设计和试件加工;然后,通过加载试验,得到了井壁结构在竖向荷载和侧压共同作用下的竖向应力、变形和强度特性。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向受压应力状态下,其抗压强度提高了1.73～1.92倍,且井壁破坏时混凝土的竖向极限压应变达到-3.9×10-3,表现出较好的延性特性。通过钢板与混凝土的相互约束,改善了各自的力学特性,使井壁竖向承载力显著提高,远比钢板筒和中间混凝土层的竖向极限承载力之和大,并根据理论分析和试验结果推导出了井壁竖向承载力的计算公式,对理论研究和工程应用具有一定的参考价值。

特厚表土层钻井井壁底结构分析与设计优化

针对目前特厚表土层深钻井工程井壁底常用设计计算方法不能反映结构的细部应力特征、且支承环应力与实际状态不符的难题,采用有限元法对淮南张集煤矿西区进风井井壁底结构进行了数值分析,计算结果表明,原设计井壁底结构中壳体与支承环相交处内缘径向应力最大,为-34.54 MPa.在井壁底结构设计时,可取支承环高度2.0 m进行计算.通过设计优化,井壁底结构中最大应力得到大大降低,只有-12.68 MPa,满足了设计强度要求.工程实测结果表明,优化后井壁底结构中实际钢筋的最大应力为-67.20 MPa,混凝土最大应变为-351με,且都远小于他们的设计值.优化后的井壁底不但节约了混凝土浇灌量,更为重要的是中间部位没有浇灌实,为后面破锅底爆破工作创造了自由面,加快了施工进度.

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。

特厚冲积层冻结井壁受力机理与设计优化

为解决特厚冲积层冻结井筒的支护难题,对井壁受力机理和设计优化方法进行了探讨。井壁实际受力状态分析表明:特厚冲积层冻结井筒,外层井壁的内缘混凝土处于"拉-压"二向应力状态,其中环向处于压应力状态,竖向则处于拉应力状态;而内层井壁的内缘钢筋混凝土处于"压-压"二向应力状态,其中环向压应力是由静水压力或层间压力引起的,竖向压应力则是由自重应力等引起。根据现行混凝土结构设计规范,提出了特厚冲积层冻结井壁设计优化方法。工程实例应用结果表明:采用这一设计优化方法不但可以减薄井壁总厚13%,而且它与现行国家混凝土结构设计规范相衔接,各项参数取值有法可依,优化后的井壁工作状况正常。

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。

磁西矿超深井筒原岩地应力研究

介绍了磁西超千米井筒设计和地质条件,展示了井壁受力的实测方案以及依据包神解析公式进行地层原岩应力反演计算的原理。实测结果反演得到了井筒1 208 m深处的水平应力平均估值以及不均匀分布情况,水平应力与垂直应力之比符合自重应力场的规律,侧压力系数估值约为0.256~0.278之间。通过有限元数值模拟,图形化展示了井筒地应力分布,验证了实测反演数据的合理性,同时也反映了岩层剪切模量和构造等地质条件对水平应力不均匀分布的影响规律。结合对该矿区宏观地质构造运动演化和地质力学的定性分析原理,综合地分析了实测结果、解析反演和数值计算之间的一致性,对水平原岩应力Hoek＆Brown统计规律的普适性提出了质疑,讨论了现有原岩应力解析计算方法,为采用包神公式进行井壁设计供了参考。

地下厂房设置单级竖井解决超深电缆出线的研究

针对目前地下厂房超深电缆出线竖井,通常采用两级竖井所存在的不足现状,超深竖井设置成单级竖井加耳洞的型式,取消分级竖井的中平洞及施工支洞,可以有效地节省工程投资,符合"安全可靠、节能环保、经济适用"的设计原则和设计理念。

复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术综述

穿黄隧洞是南水北调中线穿越黄河的关键工程,工程规模大,地质条件复杂,还需面对河床游动、深度冲淤、砂土地震液化、软土震陷、隧洞渗漏、围土稳定、压力输水安全与长期运用等一系列问题,技术难度高。为此国务院南水北调工程建设委员会办公室将《复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术》列为"十一五"国家科技支撑计划重大项目中的一个课题。通过对工程总体布置优化和多项专题研究,包括按1:1比尺建立洞顶埋深30余米的隧洞仿真试验模型,较真实地模拟外部水土环境和内水压力等工况条件,经过试验研究,解决了一系列技术难题,确保工程顺利实施,推动了有关工程技术的创新与发展。