复杂地质环境中立井井筒受力特征研究报告

1、. 复杂地质环境中立井井筒受力特征研究申明亮1，邵伟1，薛爱芝2，朱宜海21同济大学地下建筑与工程系 200092，2市市政 272000摘要：本文采用有限元数值分析的技术手段，选取深层地下构造立井井筒为研究对象，建立大型三维有限元模型，设定复杂的地质环境条件，深入研究了随着深度的增加，地质条件的改变而引起的地下构造位移及受力特征的变化，确定了应力集中位置，并且分析了由于地下构造的施工造成的土体位移趋势。本文所得结论可以对立井井筒及其他大深度地下构造的设计、施工起到一定的理论指导意义。关键词：大深度地下构造；立井井筒；复杂地质条件；有限元数值模拟中图：TU923 文献标识码：AStess Fe

2、ature Research of Shaft in ple* Geological EnvironmentSHEN Mingliang1, SHAO Wei1,*UE Ai-zhi2,ZHU Yi-hai2(1. Department of Geotechnical Engineering in Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Municipal Design Institute of Jining,Jining, Shandong 272000, China)Abstract:The change of underground st

3、ructure displacement and stress feature caused by the change of geological conditions as the depth increasing is researched in this article, and the stress concentration position is determined. The research is done by the method of finite element numerical analysis. The reaserch object of the three-

4、dimensional finite element modele is deep underground structure-shaft under ple* geological environmental. The soil displacement and the change of secondary stress field caused by the underground structure construction is also analysed in this article. The conclusions can play a guiding significance

5、 to the design and construction of shaft and other deep underground structures.Key words: deep underground structure; shaft; ple* geological condition; finite element numerical simulation. 0 引 言随着我国的经济开展，煤矿产业也在迅速开展，新的矿区不断建立，立井井筒是矿井建立的一个重要局部。立井井筒属于一种大深度地下构造，穿越地层多，影响因素多，受力特征复杂，很难用纯粹的理论公式来表达其受力特征。浅层深度在

6、几十米围地下构造，如：城市地铁隧道，高速公路隧道，基坑等所处地质环境相对简单，穿越地层围不大，其受力特征相对容易分析，针对浅层地下构造的理论研究也相对成熟。但随着深度的增加，影响因素的增多，地下构造的受力特征将要发生变化。上世纪50年代以来，我国较流行的井筒受力计算方法主要有普氏方法(普逻托迪雅柯诺夫方法)、氏方法(巴列维奇方法)、萨氏方法(萨乌斯托维奇方法)以及重液公式，但这些公式仅仅适用于浅层的表土，随着深度的增加，其与实测值的误差也越来越大12。中国矿业大学根据实测和分析得出了拟重液公式，水土分算公式，夹心墙地压公式，科技大学也得出了千米立井的计算公式，这些成果都推动了深层地下构造受力特

7、征的研究。随着计算机技术的开展，有限元法得以应用于地下工程的研究。本文以立井井筒为研究对象，设定复杂地质环境，采用有限元数值软件，研究大深度井筒穿越多种地层时受力特征的变化。所得结论可以对立井井筒及其它大深度地下构造的设计、施工起到一定的指导意义。1工程背景*矿井立井井筒施工方法为冻结法，井筒深度474.70米，表土段深度为148.69米，井筒净直径6.50米，表土段壁厚度为0.60米，外壁厚度为0.40米，井壁材料为双层钢筋混凝土材料。其第四系地层厚148.6m，分上、中、下三组，上组厚23.5m，有砂及砂砾层共4层；中组厚70.1m，主要由粘土，砂质粘土及粘土质砂组成；下组厚55.0m，为

8、砂及粘土互层3。各地层及井壁根本参数如表1所示：表1 各地层及井壁根本参数1Table1 Basic parameter of each stratum layer and sidewall密度Kg/m3弹性模量MPa泊松比摩擦角聚力MPa抗拉强度MPa上组1650300.25250.030.06中组165050.40.26250.0350.07下组170050.40.26250.040.075风化岩25007991.620.2493052井筒2700300000.184554.722.982 有限元数值分析47本文采用ANSYS软件进展有限元数值分析，建立大型三维数值模型，采取合理的分析流程

9、，以期取得可靠的分析结果。分析流程如图1所示：建立模型Kill shell63自重模拟重启动Kill solid45Active shell63加节点力施工模拟结果分析图1 分析流程图Fig.1Analysis process2.1数值分析模型的建立根据实际工程资料，确定模型高度为173.69米，其中基岩以下为25米，基岩以上为148.69米，以井筒中轴线为中心，长宽各取100米围为模型边界。地层单元采用SOLID45单元，井壁采用SHELL63单元进展模拟。由于井筒几何形状及其荷载均为轴对称，取1/4模型为研究对象。对称轴为Y轴。在竖直方向上基岩段每个单元的高度为2米，共有10个单元；下组土

10、层每个单元的高度为1米，共有55个单元；中组土层每个单元的高度为2米，共有35个单元；上组土层每个单元的高度为5米，共有5个单元。水平径向方向上，从到外单元的尺寸逐渐变大，共有40个单元，总的单元数目为40503个单元，井筒施工前模型建立如图2、3所示：图2模型正面图图3 SHELL63单元图Fig.2 Model front faceFig.3SHELL63 element约束的施加：在Y=0平面上施加所有方向约束；在*=0，Z=0平面施加对称约束；*=100平面施加*方向水平约束；Z=100平面施加Z方向水平约束；Y=170平面为自由面。2.2原始应力场的模拟 地层经过许多年的沉降固结已经

11、到达一种稳定的状态，称之为原始应力状态，首先将这种原始应力状态进展模拟，然后才能分析立井施工后井壁的受力状态，否则模型土体就相当于未固结土，将对模拟结果造成误差。在进展计算前，首先杀死SHELL63单元，原始应力场模拟结果如下列图4所示：图4 原始应力场Fig.4 Y-direction stress nephogram 2.3二次应力场的模拟在初始地应力模拟分析的根底上，重新启动程序，杀死井筒部的SOLID45单元来模拟开挖，同时激活SHELL63单元来模拟井壁的建立，对模型再次进展求解，分析由于立井的施工对周围的地层影响而形成的二次应力场。开挖后的1/4模型以及模型扩展如图5、6所示：图5

12、开挖后模型 图6模型扩展图Fig.5 E*cavated model Fig.6E*pansion model数值模拟结果分析：经过模拟计算，得到井筒周围地层的位移、应力如下云图710所示：图7水平向位移 图8水平向应力 Fig.7 Horizontal displacement Fig.8 Horizontal stress图9竖直向位移 图10 竖直向应力Fig.9 Vertical displacement Fig.10 Vertical stress从水平向位移图可以看出，大局部土体发生朝向井筒的位移，其中最大位移发生在地表处井口周围，其最大值为。而在Y=20150m围一局部土体发生背

13、离井筒的位移，其最大值为。分析其原因，笔者认为是井壁在土体深部水平向位移过大，造成土体相对于井壁有远离的趋势。竖直方向位移沿深度的增加逐渐变小，最大值发生在地表处，基岩段的位移几乎为零。水平向、竖直向应力随深度的增加而增加，在基岩与表土交界处发生应力集中，水平向应力最大值，竖直向应力最大值。2.4井筒受力及变形分析为了研究随着深度的增加，地质环境的变化，在自重及周围土体附加应力的作用下立井井筒的受力及变形特点。我们在井壁外侧沿井壁轴向建立一条应力路径Pathroz1。也就是过Y轴和角*OZ作一平面，该平面与井壁外缘面的交线就是Pathroz1，该路径上共有106个节点，几何模型上的路径如图11

14、所示：图11 路径PATHRQZ1Fig.11Path PATHRQZ1沿应力路径Pathroz1水平及竖直方向的位移及应力如图1215所示：图12水平方向位移图 图13 竖直方向位移图Fig.12 *-direction displacement Fig.13 Y-direction displacement图14水平方向应力图 图15 竖直方向应力图Fig.14*-direction stress Fig.15Y-direction stress结果分析从图12可以看出，表土段水平方向位移从地表开场呈线性增长趋势，最大值出现在表土与基岩交界处，基岩段水平位移根本呈矩形分布，随深度变化不大。

15、这与井筒所受的围岩压力结果相一致。从图14可以看出，表土段水平方向的压力从上向下逐渐增大，呈线性增长，最大值出现在表土与基岩交界处，而基岩段围岩压力随深度变化不大，根本呈矩形分布，应力值在左右。可见井筒水平方向的位移主要是受水平方向的压力的影响，因此确定井筒所受的围压对于分析井筒的变形意义重大。因此，将另外详细分析在本文地质条件下，数值模拟结果与现阶段流行理论的计算结果的差异，以期确定出最正确的立井井筒围岩压力计算方法。从图13可以看出，竖直方向的位移趋势与水平方向的位移趋势正好相反，从地表向下呈非线性减少趋势，最大值出现在地表处，而在基岩与表土交界处竖直方向的位移减少至零。这与竖直方向的应力

16、变化趋势也正好相反。从图15可以看出，竖直方向的应力从上向下逐渐变大，在表土与基岩交界处到达最大值。这一趋势与实际情况也是相符合的，在本文中井壁所受的竖直力主要是表土给与的负摩擦力以及井筒的自重，地表处该力为零，表土与基岩交界处为最大值。而位移却相反，在表土与基岩交界处为零，这是因为基岩的变形量几乎为零，而地表处的位移为最大值。2.5 井筒围压分析关于井筒围压的理论有多种，就其研究方法分，主要有平面挡土墙主动土压力理论，空间轴对称极限平衡理论，拱效应理论等，这些理论分析和大量的实测结果有较大出入，计算值往往比实测结果偏大，并且随着深度的增加，偏差越大。而随着计算机技术的开展，有限元法得以在地下

17、工程中得到广泛应用。本文用有限元软件得出了立井井筒围岩压力随深度的变化趋势，在此，我们谈论有限元法与传统理论结果的差异89。1氏公式10其中为氏给定的侧压力系数，流砂0.757，沙砾和砂性土0.526，粘土0.387。针对本文地质情况：2重液公式10H计算地层深度1.3水土混合重液比重，吨/米3经计算，本文。3中国矿业大学拟重液公式10其中称为压力当量系数，经实测说明其值为0.91.2当深度H200m，=1.2吨/米3；200H300米，=1.0吨/米3经计算，本文。三种公式计算结果及本文数值模拟结果如图16所示：图16 结果比照图Fig.16 Result paration由图可以得知，就变

18、化趋势来说，氏公式结果显然与模拟结果相差较大，并且，在同一深度水平上出现两种压力值，这一点氏公式并不严谨。本文结果与重液公式及拟重液公式趋势根本一致，但与拟重液公式在数值上更接近，因此本文认为，在对立井井筒围压计算中，拟重液公式和有限元法都有非常大的开展前景。3结论当立井井筒或其它构造由于深度较大而穿越不同地层时，其应力和应变特征将随着深度的不同，地质条件的改变而改变。深度和地质条件是影响立井井筒或其他地下构造应力、应变的主要因素。本文通过研究分析可得如下几点结论：1立井施工造成地外表土体产生朝向井筒的位移，而深部土体却产生相对背向井筒的位移趋势。2立井井筒在表土层随着深度的增加，水平向位移增大，而竖向位移却减小。在基岩段位移并不随深度的增大而增加。3立井井筒在表土段水平向、竖直向应力和应变均随深度的增大而增加；在基岩段各方向应力应变为一定值，并不