富水岩层中斜井井壁型钢混凝土底板力学特性研究

发布时间：2018-02-23 23:26

本文关键词： 斜井井壁底板接茬型钢力学特性极限承载力数值计算物理模拟　出处：《中国矿业大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：斜井冻结法凿井已成为我国西部矿区富水岩层中矿井建设的主要方式。冻结法施工的斜井井筒,井壁底板往往属于受力最不利的环节,受冻结壁解冻后的高水压作用,底板易发生隆起至压裂破坏,影响井壁的使用。单纯增加底板混凝土厚度、增大配筋率也很难有效地解决该问题。鉴于此,本论文提出斜井井壁可采用型钢混凝土底板结构,并综合采用数值计算、模型试验手段,对该型井壁底板的力学特性开展研究。首先,基于典型参数,对斜井井壁在两种不同的接茬施工工艺下的力学特性进行数值计算研究,以掌握井壁纵向接茬缝的位置对斜井井壁力学特性的影响。以井壁接茬部位粘结和滑移错动的界限摩擦系数大小为判断标准,对计算数据进行了对比分析,得出井壁的水平接茬缝较竖直接茬缝对结构更有利的结论,在此基础上提出合理的井壁接茬浇筑工艺,并提出型钢混凝土底板结构及型钢的具体布置形式。其次,基于斜井井壁的三维弹性有限元模型,开展了型钢混凝土底板力学特性的数值分析。在均布水压作用下,分别计算了井壁结构在型钢和混凝土不同粘结状态(完全粘结、完全分离、典型粘聚力)、不同的几何参数、物理力学参数条件下的弹性力学特性。结果表明:在水压2MPa时,井壁底板施加型钢与未施加型钢对比,底板中心位移减少9.5%左右,内侧拉应力减小8.8%,外侧压应力减小12.4%,型钢作用效果较明显;井壁的底板半径、型钢的厚度、型钢的高度、型钢的纵向间距等因素对井壁结构的弹性力学特性影响较大;型钢和混凝土完全分离与完全粘结相比,各因素的变化对结构应力及应变的影响规律相似,两者计算结果最大相差不超过3%;选择型钢与混凝土典型粘结力进行计算,井壁底板的环向应力及径向位移始终在完全粘结与完全分离时之间;随着型钢与混凝土粘结力的增加,井壁结构越有利,因此,在工程中应采取加强型钢与混凝土粘结力的措施。然后,基于斜井井壁的三维弹塑性有限元模型,在均布水压作用下,分别计算井壁结构在型钢和混凝土不同粘结状态(完全粘结、完全分离、典型粘聚力)、不同的几何参数、物理力学参数情况时的极限承载力。结果表明:增加型钢有利于提高井壁结构的极限承载力,在增加型钢的情况下井壁结构的极限承载力与未加型钢(正常配筋)时的结构相比,极限承载力提高28.9%;井壁的底板曲率、型钢的厚度、型钢的高度、型钢的纵向间距等因素对井壁结构的极限承载力影响较大;型钢和混凝土完全分离与完全粘结相比,各因素的变化对结构极限承载力的影响规律相似,两者计算结果最大相差不超过3.5%;型钢与混凝土典型粘结力时井壁的极限承载力在型钢与混凝土完全粘结与完全分离时之间,且粘结力增加,井壁结构越有利。最后,开展了斜井井壁型钢混凝土底板力学特性的物理模型试验研究。结果表明:斜井井壁型钢混凝土底板在全水压作用下,试验中井壁内外侧的变形及应力变化均与数值模拟计算结果具有一致的变化规律,但井壁的极限承载力大于数值模拟时的情况,分析原因可能是井壁模板变形造成浇筑的井壁厚度增大及井壁两侧钢头的约束作用,另外,井壁的非平面应变状态也会提高井壁的极限承载力。
[Abstract]:In this paper , a numerical analysis of the mechanical properties of steel concrete bottom plate is carried out based on three - dimensional elastic finite element model of inclined shaft wall . The results show that the structure of bottom plate is reduced by 9.5 % , the internal tensile stress is reduced by 8 . 8 % , the stress in the bottom plate is reduced by 8 . 8 % , the axial displacement of the steel section is always between full bonding and complete separation . The ultimate bearing capacity of the well wall structure is increased by 28 . 9 % . The ultimate bearing capacity of the well wall is more than 3.5 % . The results show that the ultimate bearing capacity of the well wall is not more than 3.5 % when compared with the structure of unstiffened steel . The results show that the ultimate bearing capacity of the well wall is not more than 3.5 % when the steel and concrete are fully separated .

【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD265.3

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