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深厚表土中圆筒形冻结壁和井壁的力学分析.pdf

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第卷第期煤炭科学技术 年月 深厚表土中圆筒形冻结壁和井壁的力学分析 崔广心 中国矿业大学,江苏徐州 摘要为保障深厚表土层中冻结法凿井的冻结壁和竖井井壁简称两壁在施工和生产中的安 全和可靠性,基于深厚表土层中井壁破裂灾害的机理,探讨两壁的力学模型和方程,用解析分析的 方法,对井壁三维应力,,。,,的求值及其在强度理论中的位置进行研究。结果表明,表土段 井壁要承受自重和竖直附加力,这是深厚表土段井壁发生破裂灾害的主要原因,也是与岩石段井壁 受力的根本区别,因而在深厚表土段“两壁”需按三维空间进行设计必须把竖向应力,和环向 应力,分别作为控制因素进行设计计算和核算。为减小竖直附加力,在井深大于时,井壁 结构设计宜采用井壁竖向可缩装置。 关键词深厚表土中井壁冻结壁圆筒的三维应力状态井壁竖直附加力井壁竖向可缩装置 中图分类号文献标志码文章编号一一一 一 姗仃咭肠邵,二肠, 加妞· , ,。 ,钾朋口,『『‘ 、 叮一。 代 , ,『厅, ,一 ,, 盯代 对华东地区深厚表土层井壁破裂灾害的机理进层承担的观点不适用于深厚表土层中的井壁。井壁 行研究发现在深厚表土层中井壁受竖直附加力作受力计算不再是平面力学问题,而是三维空间的力 、 用是造成井壁破裂的主要原因。表土层中井壁不只学问题。然而许多研究者设计者对井壁冻结 承受水平地压,还承受自重力和竖直附加力的作壁的力学特性和稳定性研究仍延用平面力学问 用。在进行井壁结构设计、井壁材料选择和尺寸确题的观念和方法,这将带来一些理论和工程的不安 定时,水平地压和坚直附加力都可能是控制因全问题,这是本文讨论的主题。 素’〕。竖直附加力已是井壁强度和稳定性的控制 ,。,,冻结壁和井壁的受力特点及力学分析 因素之一有时是主要因素即按传统观念 表土段井壁和岩石段井壁一样,井壁自重主要由地在深厚表土层中的冻结壁和井壁简称两壁 的年第期珠炭科学技术第卷 是典型的长柱状厚壁圆筒结构。在世纪年代边界条件 以前,工程技术人员将岩石段井壁受力和设计计算『,二,二二 。 方法引用到表土段两壁的设井壁受竖一 计计算中直氏氏一叭凡 , 附加力作用因此对两壁强度和稳定性的计算必须九 。 考虑自重力的作用式中,“竖向变形、水平变形 、、、 ,,—、、 假设厚壁筒是弹性的均质的连续的各向『氏竖向环向径向应力 同性的和小变形的,其两壁受力如图所示。— —剪应力 下,剪切角 ,,—、。 凡—竖向环向和径向应变 两壁三维应力状态的力学模型除特定问题 如深埋球体、扁球体等已有解析解外,均尚无 解析解。只好简化为平面问题和垂直受力问题的叠 加求解。但通常只求得,和。,而忽略。。按平 面受力可获得水平应力解为 ‘龟曰了碑 卜了、且二甘几,、户, 心二 ‘井筒线中于久 , ,一习州一﹂‘乃一、共 井壁 卜 二不一一万 几一共 二‘ 尸一垂直荷载尸一水平外荷载一井壁外侧单位面积平均当即井壁内缘可得最大环向应力 竖直附加力卜一混凝土的密度一井壁计算深度 力其氏 、网 ,中 一井壁或冻结壁内外半径嵘 图深厚表土中井壁受力示意二万一一万晰 一 则其力学模型如下。 丁一口 。鉴 力的平衡方程一般引用摩尔强度理论 口,丁一,一『八 、‘ ‘口、了且﹄产、户、,, 十二,,〔」为井壁材料许用强度为最大主应 ——为最小主应力,且壁厚。二几一,,可得 二一一 诊艺一一日名一一丸 —二二一 应变关系措恶 尸二“, “。︸ “一少 小一‘矛了、丹亡尹夕了、产户‘、, 一一式中,为系数,煤矿在华东地区厚表土层中的取 值为“,。 在发现竖直附加力是井壁破裂的主要原因后, 切 日必须对表土层中两壁竖向应力,进行研究并应用 于两壁设计。 日 ,二,‘、,‘、。 名琪军遨冬澳遇您 变形协调方程下气一一一 在进行两壁强度和稳定性设计计算时,无论引 ‘吸了、一︸了、、 了城,, 日日日用摩尔强度理论还是第四强度理论都要考虑新出 。 日现的竖向应力,①竖向应力爪是强度理论中的 一 。 日,还是,②,对井两壁结构和稳定性的要求 崔广心深厚表土中圆筒形冻结壁和井壁的力学分析年第期 尸 一一一下二 ,,,下 。。应如何排列三一亨 为直观比较和,,以钢筋混凝土井壁为例 比较式和可知,只要,则设尸,“,尸二口,,,二,当、二 ,二, 。““ 巩时扩在不同和的条件 比较式和以确定,,,当下用式和求得在不同深度处井壁的 时,,的计算式为和,值见表。 表不同深度表土层中坚向附加力为“时井盛环向应力,和竖应力,的计算值 应力深 度 柳一一加一一一一】 。 从表可得,,,,这是深厚表土层中的特殊荷载井壁内径由生产设备布置所需尺寸及 井壁应力与岩石段井壁应力即不考虑井壁承受保安规程要求确定。 自重力的区别岩石段井壁应力,,二