泥沙沉淀钢结构锥形罐设计示意图：深厚表土层冻结井筒高强钢筋混凝土内壁设计优化与实测分析
泥沙沉淀钢结构锥形罐设计示意图：深厚表土层冻结井筒高强钢筋混凝土内壁设计优化与实测分析1. 安徽理工大学 土木建筑学院；2. 淮南矿业集团有限责任公司生产部作者单位 （3）将本文提出的内壁设计优化方法应用于潘三煤矿新西风井冻结井筒中，井壁厚度减薄达21.74%，通过工程现场受力变形实测表明，说明设计优化后的井壁结构不但经济合理，而且安全可靠。 作 者 姚直书1 赵丽霞1 程 桦1 徐华生2
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本文创新点
（1）通过模型试验，提出在高强钢筋混凝土内壁结构中混凝土抗压强度得到显著提高，建立了混凝土抗压强度提高系数计算公式，揭示了深厚表土层冻结井筒内壁的受力机理。
（2）基于我国现行混凝土结构设计规范关于混凝土多轴强度验算要求，根据模型试验结果和理论分析，提出了深厚表土层高强钢筋混凝土内壁设计优化方法。
（3）将本文提出的内壁设计优化方法应用于潘三煤矿新西风井冻结井筒中，井壁厚度减薄达21.74%，通过工程现场受力变形实测表明，说明设计优化后的井壁结构不但经济合理，而且安全可靠。
作 者
姚直书1 赵丽霞1 程 桦1 徐华生2
作者单位
1. 安徽理工大学 土木建筑学院；2. 淮南矿业集团有限责任公司生产部
研究背景
冻结法凿井是我国煤矿新井建设穿越深厚表土层的有效工法之一 双层钢筋混凝土塑料夹层复合井壁已成为我国冻结井筒的主要支护形式。 随着冻结井筒穿越表土层厚度增加 为抵御强大的外荷载作用 必须要采用高强井壁结构。
为此 科技工作者们针对深冻结井筒的特殊施工条件 先后研发了C60~C100冻结井壁高强高性能混凝土 并成功应用于深冻结井筒工程中。为实现信息化施工 在冻结法凿井过程中 对外壁的受力变形和温度变化规律进行了大量的现场实测工作 有效地指导了冻结井筒安全建成。
在冻结法凿井过程中 外壁从上而下短段掘砌 内壁自下而上一次浇筑而成 中间铺设塑料板夹层。由于内、外壁的施工工艺和所处位置不同 决定了内、外壁的功能也各不相同 其中 内壁主要承受静水压力作用 其防裂抗渗性十分重要。
虽然采用高强高性能钢筋混凝土井壁可以解决深冻结井筒的大部分支护难题 但当采用我国现行煤矿冻结井壁设计方法计算时 在深厚表土层冻结井筒中 高强钢筋混凝土内壁厚度仍将达到1.2~1.8m。如此厚的井壁结构不但加大了冻结和掘砌工程量、延长建井工期 而且工程造价也大幅提高。特别是当内壁越厚 高强高性能混凝土水化热也越高 井壁内外温差加大 导致内壁结构中混凝土极易产生温度裂纹 不利于井筒的防治水工作。
因此 开展对冻结井筒内壁受力机理和设计计算方法研究 通过设计优化以减薄井壁厚度 可有效降低冻结井壁高强混凝土的水化热 防止温度裂纹产生 提高内壁的抗渗和耐久性。
摘 要
针对深厚表土层冻结井筒内壁设计厚度较大问题 对高强钢筋混凝土内壁的受力机理、设 计优化方法、现场实测结果进行了分析研究。
首先 采用相似理论设计出模型井壁并进行加载试验 实测得到高强钢筋混凝土内壁的应力、变形和承载力 研究了该种井壁结构的受力机理 结果表明深厚表土层冻结井筒内壁属于深埋于地下的厚壁圆筒结构物 由于内表面的圆形结构特征 在侧向压力作用下 井壁结构中混凝土由外缘的三向受压过渡到内缘的二向受压应力状态 其混凝土抗压强度提高了1.592~1.765倍 井壁承载能力得到显著提高。建立了混凝土抗压强度提高系数试验值的计算公式 获得了高强钢筋混凝土内壁的应力特性和强度特征。
然后 基于我国现行混凝土结构设计规范关于混凝土多轴强度验算要求 根据模型试验结果和内壁受力机理 提出了深厚表土层高强钢筋混凝土内壁设计优化方法 给出了混凝土抗压强度提高系数设计取值。并将设计优化方法应用于潘三煤矿新西风井冻结段内壁控制层位 井壁厚度由原设计的1150mm优化为900mm 厚度减薄达21.74%。
最后 通过潘三煤矿新西风井工程现场实测表明 优化设计后的井壁结构中环向钢筋应力值为-125.8~-136.9MPa、竖向钢筋应力值为-39.5~-53.2MPa 远小于钢筋强度设计值300MPa 井壁中混凝土环向应变为-730×10-6~-790×10-6、竖向应变为-380×10-6~-390×10-6 远小于C70混凝土的极限压应变值 说明设计优化后的井壁结构不但经济合理 而且安全可靠。
作者简介
姚直书，男，1963年1月生，安徽舒城人，教授，博士生导师，享受国务院政府特殊津贴，为安徽省学术和技术带头人、安徽理工大学结构工程学科带头人。先后主持有国家自然科学基金等纵向科研课题10多项、企业委托科研项目30多项，成果获国家科技进步二等1项、省部级科技进步奖10多项，先后发表学术论文60多篇，被SCI和EI收录30多篇，获授权发明专利13件。
研究方向
矿井建设与支护
主要成果
针对特厚表土层煤矿立井井筒的支护难题，研发了高强高性能钢筋混凝土冻结井壁结构和双层钢板高强混凝土复合钻井井壁结构等形式，并通过理论分析、模型试验和数值计算，对新型井壁结构的应力、变形和强度特性进行了深入研究，从而为它们的工程应用提供了基础，解决了深井凿井的支护难题。针对特厚表土层冻结井筒内、外层井壁的特殊养护环境和施工条件，提出了深冻结井壁高强高性能混凝土的配制原则，通过配制试验，将C70-C90高强高性能冻结井壁混凝土应用于两淮矿区多个冻结井筒工程中，取得了显著的社会经济效益效果。
文中图片
加工好的井壁模型
井壁模型试验加压装置
PJ6模型荷载与钢筋环向应力曲线
PJ6模型荷载与混凝土环向应力曲线
混凝土多轴受压时抗压强度提高系数规范值
内壁承受壁间压力随时间变化曲线
钢筋应力随时间变化曲线
混凝土应变随时间变化曲线
来源：
姚直书 赵丽霞 程桦 等. 深厚表土层冻结井筒高强钢筋混凝土内壁设计优化与实测分析[J]. 煤炭学报 2019 44(7):2125-2132.
YAO Zhishu ZHAO Lixia CHENG Hua et al. Optimization design and measurement analysis on inter lining of high strength reinforced concrete frozen shaft lining with deep topsoil[J]. Journal of China Coal Society 2019 44(7):2125-2132.
责任编辑：郭晓炜编辑整理：郭晓炜
审 核：常琛
End
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