深厚表土中井壁结构破裂的力学机理.pdf

中国矿业大学学报990 6 0 5 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG 内壁内侧竖向钢筋为二级‧φ18 30 0 , 环向钢筋为二级 ‧φ18 30 0 ; 配筋率μ竖总 0 . 0 0 2 3, μ环总 0 . 0 0 3 35. 井筒周围简化地质柱状分布见表 1，根据实测水位的下降情况［1］，含水层疏排水速率取为6 m / a . 1996 年7 ～8 月，在第 2 7 道罐道梁以下2 . 0 m 左右（垂深约158 . 0 m 处井壁发生破裂，内侧混凝土呈块状脱 落，破裂带高约1. 5 m ，径向裂隙深度约为50 ～7 0 m m ，环向有3/ 4圆周，破裂处有 微弱渗水. 井筒施工的开工日期为197 8 年12 月2 6 日，竣工日期为197 9年8 月1日，投产时 间为198 6 年6 月. 2 . 2 井壁外载 1） 水平地压 由重液公式计算出表土与基岩交界处（垂深158 m ）的水平地压 为2 . 0 54 M Pa ，由秦氏公式计算出基岩地压平均为0 . 2 9 M Pa （假定岩层无水且与含水 层无水力相通，或井壁完全透水，不存在水的压力）. 2 ） 自重应力 表土与基岩交界处自重应力为-3. 95 M Pa . f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 5. h t m （第 4／10 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 43 中国矿业大学学报990 6 0 5 3） 竖直附加力 综合考虑井筒周围的地层分布和水文地质条件，含水层厚度取 12 . 355 m ，由文献［1］可以计算出各土层的附加竖向面力的月增长率b 见表1，表土 与基岩交界处井壁外侧积累的附加力增长率为8 8 . 0 6 6 k N/ m . 月 ，沿深度总平均的附 加面力增长率为0 . 56 k Pa / 月，表土与基岩交界处井壁横截面的竖直附加平均应力增长 率为132 . 7 4 k Pa / 月（1. 6 M Pa / a ）. 表1 井壁周围地层分布、b 值和计算单元划分 T a b l e 1 T h e s t r a t a a r o u n d s h a f t l i n i n g , b a n d d i v i d i n g o f t h e c a l c u l a t i n g e l e m e n t s 序号岩 性 深度累计/ m b / k Pa . 月-1 单元划分 1深灰色粘土40 . 0 7 6 4 m , 单元 共34个 2灰黄色砂质粘土80 . 131 3灰褐色粘土120 . 0 7 6 4黄色中粒砂160 . 6 2 9 5黄灰色粘土2 00 . 0 7 6 6黄色砂质粘土2 80 . 131 7黄红色粘土320 . 0 7 6 8粘土质砂6 00 . 533 9灰绿色砂砾层7 61. 2 36 10灰绿色粘土920 . 11 11灰绿色砂砾层10 81. 2 2 3 12灰绿色粘土12 00 . 131 13黄色中砂12 81. 2 2 3 14灰绿色粘土1360 . 131 15灰白色中砂1461. 2 2 32 m ，5个 16浅黄色粘土1580 . 17 51 m ，12 个 17粉、细、中砂岩17 002 m ，6 个 18细砂岩（稳定）18 604 m ，4个 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 5. h t m （第 5／10 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 43 中国矿业大学学报990 6 0 5 2 . 3 计算模型 本文采用大型通用结构分析软件A NSYS［1］进行井壁结构的弹塑性数值模拟计 算，单元模型为3-D Re i n f o r c e d Co n c r e t e So l i d 6 5，8 节点块体单元. 根据井筒周围的实 际地层分布，表土层厚度取为158 m ，表土与基岩交界面以下取2 8 m ，计算模型总 高度为18 6 m ，根据对称性，取1/ 4结构进行计算，竖向共划分6 1个层面，环向4等 分，径向等分为15个层面 每层50 m m ，共3 6 6 0 个计算单元，如表1. 考虑基岩段对 井壁的侧向约束和计算模型下部井壁对上部井壁的竖向约束. 2 . 4 数值计算结果的综合分析 1） 井壁破裂的时间、形态、位置和发展如图1所示，井壁的破裂过程分3个阶段 首次径向劈裂阶段首次破裂时间为疏水时间10 a （此时水位总下降量6 0 m ），破裂位置为垂深157 ～158 m ，破裂高度1 m 左右，环向整个圆周、径向为井壁 内侧50 m m 左右，与实际井壁的破裂位置、时间和形态基本相同； 裂缝发展阶段随着竖直附加力的增大（疏水时间10 ～13 a ，水位下降量为6 0 ～ 7 8 m ），裂缝向表土与基岩交界面的井壁上下发展，破裂高度达到5 m 左右（垂深 155～16 0 m ）. 离鲍店南风井不远的主井1995年7 月破裂时，井筒周围水位总下降量7 5 m ，破裂高度4 m 左右［1］. 大段高压碎阶段如果竖直附加力继续增大，井壁将最终压碎，失去承载能力， 破坏高度8 6 m 左右（垂深10 0 ～18 6 m ）. 由于鲍店南风井在第一次破裂后的第二阶段 进行了综合治理 1998 年4～7 月采用卸压法进行治理［1］ , 所以未发生第三阶段破坏. 图1 井壁破裂位置和形态示意图 Fi g . 1 Sc h e m a t i c d i a g r a m f o r t h e l o c a t i o n a n d f o r m o f s h a f t l i n i n g f r a c t u r e a 首次破裂 10 a ; b 裂缝发展 10 ～13 a ; c 最终压碎 13 a 后 圆圈表示劈裂; 圆点表示压碎； f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 5. h t m （第 6 ／10 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 43 中国矿业大学学报990 6 0 5 图形表示破裂段离计算模型底部距离 2 ） 井壁径向应力和环向应力的变化规律. 如图2 ，表土段井壁的径向压应力绝对值基本上是从上到下线性增加，井壁内侧为 零，沿径向非线性变化，在表土与基岩交界面附近的井壁外侧径向压应力绝对值最大. 而且，随着竖直附加力的不断增大，表土段井壁的径向应力变化较小. 但由于基岩地压 与表土地压不同，特别是随着竖直附加力的增大，井壁要向井外扩张，而井筒周围基 岩会限制其扩张，造成被动侧压力不断增大，相应的基岩段井壁的径向压应力绝对值 也随竖直附加力的增大而增大，在表土与基岩交界面（垂深158 m ）附近发生突变并 形成拐点. 同理，表土段井壁的环向压应力绝对值从上到下线性增加，沿径向从内到外 非线性减少，基岩段井壁的环向压应力绝对值也随竖直附加力的增大而增大，在表土 与基岩交界面附近发生突变形成拐点. a 井壁外侧 b 井壁内侧 图2 井壁应力的变化规律 Fi g . 2 T h e c h a n g i n g l a w o f r a d i a l s t r e s s e s o u t s i d e a n d i n s i d e t h e s h a f t l i n i n g 1. 侧压 重力； 2 . 侧压 重力 5 a 附加力；3. 侧压 重力 10 a 附加力 首次破裂 ; 4. 侧压 重力 13 a 附加力 压碎 3） 井壁竖向应力的变化规律 如图3a ，竖向压应力绝对值随疏水时间的增长而线性增大，由于表土段各土层的 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 5. h t m （第 7 ／10 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 43 中国矿业大学学报990 6 0 5 附加力分段不同，竖向应力沿井壁深度也成曲线变化，在表土与基岩交界面附近达到 最大并形成拐点. 竖向应力沿径向变化很小、外侧略大. 4） 井壁径向应变的变化规律 如图3b ，井壁的径向应变为拉应变，由于竖向应力沿井壁深度曲线变化，径向应 变沿深度也曲线变化，在表土与基岩交界面附近产生极值并形成拐点，并随附加力的 增大而增大，径向应变沿径向从内到外是逐渐减少，最大值出现在表土与基岩交界面 附近的井壁内侧. a b 图3 井壁内侧应力、应变变化规律 Fi g . 3 T h e c h a n g i n g l a w o f v e r t i c a l s t r e s s a n d r a d i a l s t r a i n i n s i d e t h e s h a f t l i n i n g 1. 侧压 重力； 2 . 侧压 重力 1 a 附加力；3. 侧压 重力 5 a 附加力； 4. 侧压 重力 10 a 附加力 首次破裂 ; 5. 侧压 重力 13 a 附加力 压碎 5） 井壁破裂的机理 根据1）～4）可知按传统方法设计的井壁结构，即使考虑全部井壁重力和侧压 的共同作用，井壁不会发生破裂；只有在特殊地层地区，当表土层中含水层水位下降 和地层沉降时，周围土层对井壁外表面施加竖直附加力，附加力随含水层水位的下降 和地层不断沉降而不断增大，井壁在侧压、重力和增大到一定数值的附加力共同作用 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 5. h t m （第 8 ／10 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 43 中国矿业大学学报990 6 0 5 下发生破裂；如果附加力继续增大，井壁会最终压碎而失去承载能力. 竖直附加力是华 东地区大量井壁破裂的根源. 井壁首次破裂时 疏水10 a ，在井壁内侧垂深158 . 8 8 m 处, 环向应力σθ -12 . 8 M Pa ，竖向应力σz -19. 8 M Pa ，内侧面径向应力等于零，内侧第一个单元平均径向 应力σr -1. 42 M Pa ，满足混凝土破坏准则［1］和以下条件σr/ σz 0 . 0 7 2 0 . 15. 对照文献［1］的理论分析结果，混凝土材料在三向压应力下可能的破裂形态有柱 状压碎、片状劈裂、斜剪破坏和挤压流动4种方式，而井壁的首次破裂是属于径向片状 劈裂，破裂机理见结论. 3 结 论 1） 井壁破裂的力学机理为井壁结构与围岩（土）的耦合作用是井壁破裂的根 源. 外因方面表土层中的含水层水位下降和土体的固结沉降造成井壁外侧的竖直附加 力不断增大. 内因方面井壁结构在水平地压、重力、不断增大的竖直附加力、温度等 荷载的共同作用下，钢筋混凝土材料处于三向压应力状态，随着疏水时间的增加，表 土段井壁的环向与径向应力相对稳定、径向拉应变随竖向压应力绝对值的不断增大而 增大，而井壁向外扩张的趋势与围岩变形约束的矛盾使基岩段井壁环向与径向压应 力、径向拉应变绝对值不断加大，井壁的应力、应变在表土与基岩交界面附近产生极 值并形成拐点，比较而言，拐点位置的第一主应力σr绝对值较小、第二主应力σθ绝 对值较大、第三主应力σz绝对值不断增大，径向拉应变也随之不断增大，当应力应变 变化到一定数值时，井壁首先在最大拉应变的位置（竖向位于表土与基岩交界面附 近、环向是水平周圈、径向是在井壁内侧）沿着σθ-σz平面劈裂破坏；裂缝从井壁内 侧向井外、向表土与基岩交界处井壁的上下发展；井壁有效横截面积不断减少，最终 可能导致较大段高范围内混凝土因强度不足而压碎，井壁失去承载能力. 2 ） 由于表土与基岩交界面附近的围岩（土）侧压力的变化、土体与基岩（风化 带）对井壁侧向变形约束的程度不同，导致井壁的应力、应变和侧向位移在表土与基 岩交界面附近产生极值并形成拐点，破裂首先发生在拐点处并向拐点附近发展. 3） 井壁破裂过程分3个阶段 a . 径向片状劈裂阶段井壁首先在拐点位置的井壁内侧径向劈裂，实际表现为局 部混凝土掉皮； b . 裂缝发展阶段裂缝向拐点附近发展，破裂高度多为1～5 m ，径向剥落深度 多为50 ～2 0 0 m m ，混凝土会大块脱落； c . 大段高压碎阶段如未采取有效的治理措施，竖直附加力的继续增大会导致井 壁在拐点附近较大段高范围内竖向压碎，高度可达几十米. 国家自然科学基金资助项目（597 7 40 0 4） 作者简介吕恒林，男，196 6 年生，工学博士，副教授 作者单位吕恒林 崔广心 （中国矿业大学建筑工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 ） f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 5. h t m （第 9／10 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 43 中国矿业大学学报990 6 0 5 参考文献 1 吕恒林. 深厚表土中井壁的力学特性研究．［博士学位论文］. 徐州中国矿业大 学建筑工程学院，1999 2 崔广心，杨维好，吕恒林. 深厚表土层中的冻结壁和井壁. 北京中国矿业大学出 版社，1998 . 1～30 3 吕恒林，杨维好，程锡禄等．特殊地层条件下井壁破裂机理与防治技术的研究 （之二）．中国矿业大学学报，1997 ，2 6 2 1～4 4 杨维好，崔广心，周国庆等．特殊地层条件下井壁破裂机理与防治技术的研究 （之一）．中国矿业大学学报，1996 ，2 5 4 1～6 收稿日期1999-0 6 -2 2 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 0 5. h t m （第 10 ／10 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 43