型钢骨架钢板混凝土复合井壁力学性能研究

摘要：为了解决深厚表土地层井壁结构设计问题，首次提出了型钢骨架钢板混凝土支护井壁。本文全面评价型钢骨架钢板混凝土井壁的受力性能,采用有限元软件对其受力性能进行模拟分析。讨论了构件的承载力、变形和应力分布，证明了型钢骨架钢板混凝土井壁是一种承载力高，造价较低，规格多样，可适合各种地质条件的新型井壁。

关键词: 型钢骨架钢板混凝土井壁; 承载力; 数值模拟

Abstract: In order to solve the Deep Overburden wall lining design，The article first proposed steel reinforcing plate concrete support wall．Forevaluating the working performance ofthe shaft lining support member comprehensively. Using numerical simulation software to simulate and analyze its mechanical properties. The bearing capacity, deformational properties and stress distribution are discussed.As a new shaft lining ,this steel reinforcing plate concrete support wall has high carrying capacity, lower costs, a structure can be used in various geologic situation.

Key words: steel reinforcing plate concrete support wall; bearing capacity; numerical simulation

中图分类号：TU375.4文献标识码：A 文章编号：

一 引言

随着我国经济的发展，能源短缺问题愈益严重，煤炭能源目前仍占主要地位，但随着浅部煤炭资源的充分开挖，在深厚表土地层中建设新矿井将是煤矿建设所面临的长期任务[1]。随着表土地层厚度的增加，出现了井壁设计难以解决的问题，无论是外层井壁或是内层井壁的设计，在考虑冻胀压力和全水压设计中都将出现井壁厚度太大或混凝土强度等级过高问题[2]。高强砼脆性显著。采用冻结法施工时，井壁厚度的增大严重加大了冻结层半径，施工和材料供应上出现了难以克服的困难，延长工期，造成工程造价大幅度提高。

型钢骨架钢板混凝土复合井壁是一种新型的井壁,内壁和基岩部分同钢筋混凝土井壁支护，圆形井壁内侧为钢板，将型钢弯曲成圆形作为支撑骨架，取代钢筋混凝土井壁中的环向钢筋，型钢与钢板之间以螺栓连接(如图一、二)。钢板和混凝土皆处于三向应力状态。三向受压的混凝土抗压强度显巨提高，塑性增大，混凝土材料表现出较好的延性，能有效抑制混凝土井壁的脆性破坏。型钢骨架钢板混凝土复合井壁是深厚表土层理想井壁形式之一。

图一井壁平面图 图二井壁1-1剖面

二 型钢骨架钢板混凝土井壁的工作原理

混凝土是一种抗压性能较好的材料，由库伦强度理论可知，混凝土强度随其最小主应力δ1增大而增大，所以要提高混凝土的强度可采用约束混凝土的方法，即使混凝土受到侧向压缩[3]。型钢骨架钢板混凝土井壁在受压后,内壁的混凝土所到内侧钢板的约束，其强度得以大幅度的提高。圆形井壁受压后，当载荷较小时，混凝土的径向变形较小，钢板对混凝土的约束作用不大，此时钢板混凝土井壁的承载力约为钢板圆筒和钢筋混凝土单独承载力之和。随着荷载的增加，当钢材达到屈服点后，钢板的切向应力不断增大，而纵向压应力却不断减小，但由于砼的径向变形量大于钢材的径向变形量，混凝土受到的径向挤压力不断增大，因此其强度也不断提高。混凝土三向受压时，应力增大后曲线趋平缓，极限应变值很大，有效的避免了高强混凝土的脆性破坏[4]。

三 型钢骨架钢板混凝土复合井壁力学性能研究

现结合某一矿井实例，浅述型钢骨架钢板混凝土井壁的力学性能。

某矿进风井井筒设计净直径为φ9.0m，井筒全深999.6m，表土层厚度400m。采用冻结法施工，型钢骨架钢板混凝土复合井壁其内壁和基岩部分同钢筋混凝土井壁支护。笔者通过ansys软件对不同情况下的型钢骨架钢板混凝土井壁进行了数值分析,井壁外表面假定为均布压力，研究其力学性能。钢材的屈服准则采用Von Mises强度准则,混凝土的屈服准则采用Drucker－Prager屈服准则[5]，混凝土的破坏准则为改进的william-warnke五参数破坏准则[6]，砼粘聚力4.332（N/m㎡），摩擦角φ为64.65°，膨胀角φf为30°，钢板及内侧砼应力如下表。

表一壁厚为0.6m 的井壁的力学性能（mpa)

表二 壁厚为0.8m 的井壁的力学性能

钢材进入屈服状态以后，随着荷载的增大内侧混凝土径向应力不断增大，混凝土处在三向应力状态，承载能力得到很大的提高。在壁厚相同的条件下，钢板越厚在极限状态时，内侧混凝土所受的侧向挤压力越大。

在井壁厚度相同，用钢量相同的条件下，笔者对钢板混凝土井壁和钢筋混凝土井壁两种类型的井壁所能承受的极限载荷进行了分析，井壁厚0.8m时，钢板厚8mm时，型钢骨架钢板混凝土承载力提高系数为1.21。井壁厚0.6m时，其承载力提高系数为1.24。型钢骨架钢板砼井壁的承载能力较钢筋混凝土井壁有较大的提高，并且随着内侧钢板厚的增加而增加。当所采用的钢材等级越高，极限承载力效果越大。

四 结论及展望

本文对新型型钢钢板砼井壁和钢筋砼井壁进行了比较，可以看出型钢骨架钢板混凝土井壁具有明显的优点。由于钢板及其核心砼两种材料受力过程中的相互作用, 其具有一系列优越的力学特性。通过分析结果，可得出如下结论:

(1) 型钢骨架钢板砼井壁充分利用了砼在三向应力状态下的力学特性，使混凝土完成了从低强到高强，从脆性材料到塑性材料这两个方面的转化、从而使钢板混凝土的承载力远大于钢筋混凝土井壁承载力。

(2) 由于内侧钢板对内侧混凝土形成的套箍作用，提高了混凝土的承载能力、改善了混凝土的脆性性质,不仅大幅提高了混凝土的承载力，且提高了其塑性性能，使得混凝土特别是高强混凝土脆性大的弱点得到克服，使井壁的整体稳定性有了极大的提高。

(3) 利用钢骨架钢板混凝土复合井壁支护的矿井施工比常规方法施工省去了稳模和脱模时间，一个阶段施工完毕后，可不间断的进入下一个阶段的施工，缩短了工期。

新型型钢骨架钢板砼复合井壁是新一代的具有良好力学性能的井壁形式，其发展前途光明，若推广开来，定会产生巨大的经济效益.

参考文献

1、 姚直书，程桦等．深厚表土层中高强复合井壁结构的试验研究[J]，岩土力学学报，2003．

2、 马芹永，冻结孔布置圈径的统计回归计算[J]，建井技术，1999．

3、 过镇海，时旭东，《钢筋混凝土原理和分析》，清华大学出版社，2003

4、 蒋家奋，汤光祚，《三向应力混凝土》，中国铁道出版社，1988

5、 (美) 陈惠发, A. F. 萨里普著 余天庆编译《混凝土和土的本构方程》，中国建筑工业出版社，2004

6、 江见鲸, 陆新征, 叶列平，《混凝土结构有限元分析》，清华大学出版社 ，2005

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。