高压水直接作用下井壁混凝土真实强度特性研究

薛维培，姚直书，徐　进，李必达

(安徽理工大学土木建筑学院，淮南　232001)



高压水直接作用下井壁混凝土真实强度特性研究

薛维培，姚直书，徐进，李必达

(安徽理工大学土木建筑学院，淮南232001)

为研究井壁混凝土在高地下水压作用下强度发展趋势，配制了C60、C70、C80三种高强度等级井壁混凝土，根据养护条件不同将每种强度等级混凝土均分为常规状态试件和密封状态试件，分别在4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa水压作用下进行常规三轴加载试验。结果表明：Bresler三参数正八面体强度破坏准则更能准确反映井壁混凝土峰值强度与围压的非线性关系，随着围压的增加井壁混凝土峰值强度具有明显的增强效应，随着混凝土强度等级提高围压敏感性降低；常规状态下井壁混凝土峰值强度随围压增长速率较慢，且比同等级密封状态下井壁混凝土峰值强度大约降低6.3%。

高压水；井壁混凝土；强度特性；围压；峰值强度

1　引　言

目前我国煤矿井壁混凝土取值仍采用现行混凝土结构设计规范中给定的单轴强度参考值[1]，虽然有学者提出井壁混凝土强度验算应根据多轴应力状态进行[2]，但问题的关键在于多轴强度的取值。现行规范中混凝土多轴强度试验时施加的是机械荷载，即使采用油泵施加围压，试件也是处于密封状态，混凝土与加载油不直接接触[3]。实际上在表土冲积层段，地下水直接作用于井壁混凝土上，并没有试验过程中的封油橡胶套，且水压值高。那么在高压水直接作用下井壁混凝土强度特性是否与密封试件一样?由于目前尚缺乏该方面研究成果，在我国建井界存在着不同的学术观点[4-5]。

其次，关于水荷载直接作用下混凝土强度特性研究当前主要集中在C30-C50中低强度等级混凝土，与高强高性能井壁混凝土相比内部微孔洞微裂纹较多[6]，且试验过程中施加的水压值通常在2～4 MPa[7-9]，而根据煤矿井筒实际埋深和地下水动力学知识可估算井壁最高将承受10 MPa的地下水压力作用，由此可见现有研究成果对高压水直接作用下井壁混凝土强度特性研究的借鉴价值十分有限。为此，本文将结合煤矿井筒实际工作环境进行试验方案设计，着重对高强高性能井壁混凝土在高压水直接作用下强度特性进行研究，预期研究成果能为多轴状态下井壁混凝土强度验算提供依据，同时确保深厚冲积层中井壁结构设计既安全可靠又经济合理。

2　试　验

根据实际工程背景[10]，本次试验配制混凝土强度等级分别为C60、C70、C80，施加水压值分别为4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa。试验采用海螺牌P·O52.5R早强型普通硅酸盐水泥，各项指标均符合国家标准；细度模数为2.73的淮滨河砂；粒径5～25 mm的明光玄武岩，压碎指标为3.8%； NF-F高效复合外加剂等作为原材料，按表1配合比浇筑混凝土试件。

表1　井壁混凝土配合比

试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm立方体，为减少混凝土离散性对试验结果的影响，每种强度等级混凝土试件一次性浇筑30块。由于本次试验目标是研究高地下水压直接作用下井壁混凝土真实强度特性，即试验过程中没有密封橡胶套阻断高压水与混凝土的直接接触，研究井壁混凝土在水压和渗流场共同作用下三向受力状态，同时根据对比分析需要，故将每种强度等级混凝土试件随机均分为两种不同状态，即常规状态试件和密封状态试件。常规状态试件是从标准养护箱养护28 d后取出，置于自然空气环境中继续养护15 d再进行试验，加载过程中与高压水直接接触；密封状态试件同样从标准养护箱养护28 d后取出，采用市面上购买的防水胶在试件表面进行涂刷，晾干后放入薄膜密封袋中，再置于自然空气环境下养护15 d。采用实验室自主研制并经过部门认证的常规三轴加载装置，将试件直接放入加载装置内腔，采用伺服万能试验机先施加竖向荷载50 kN，随后按照竖向压力与围压2∶1的关系同步施加荷载，其中由水泵逐级施加围压，待围压达到设计值后保持稳压状态，继续施加竖向荷载直到试件破坏。本次试验加载方式与通常采用机械油施加围压的加载方式不同之处在于：采用油压加载时先进行预压，随后将围压直接施加至设计值后保持稳压状态，再进行试验[11]，而本文围压是逐级施加至设计值后保持稳压。试验全过程由压力试验机自动记录数据，每组数据由2～5块相同状态下同强度等级井壁混凝土试件得到，其中由于操作失误或其他外界因素影响出现的个别明显异常值，予以剔除后再对该组就均值，最终试验结果如表2所示。

3　结果与讨论

3.1试验结果

由表2常规三轴加载试验结果可以看出，井壁混凝土随着围压增加峰值强度不断得到提高，且同等级两种不同状态下混凝土峰值强度提高幅度不同，密封状态试件随围压增加最大提高系数为1.94，而常规状态试件随围压增加最大提高系数为1.75，两种状态下混凝土峰值强度提高系数均小于中低强度等级混凝土随围压增加的提高系数[7-9]。同时发现随着混凝土强度等级提高，同一状态下峰值强度增长速率有所放缓，且同一强度等级混凝土处于不同状态其峰值强度增长速率也不相同。密封状态试件峰值强度随围压增加增长速率较快，分析其原因认为：密封状态下高压水不与试件直接接触，阻碍了高压水在混凝土内部渗流运动，又由于围压作用能够有效抑制混凝土内部微裂纹微孔洞的发展，故其峰值强度得到显著提高；常规状态试件虽然在围压作用下，内部微裂纹微孔洞的发展一定程度上得到抑制，但高压水在混凝土内部可以发生渗流运动，渗流过程高压水给井壁混凝土微裂纹微孔洞施加劈裂力，加速微裂纹微孔洞的扩展贯通[12]，故其破坏时峰值强度较低。相同围压作用下，常规状态试件峰值强度要比密封状态试件峰值强度降低约6.3%。试过过程发现单轴加载状态下同一强度等级混凝土试件常规状态下峰值强度大于密封状态下峰值强度，这是因为密封状态试件包有一层薄膜密封袋，由于端面效应影响，使其实测强度降低。

表2　常规三轴加载试验结果

3.2强度特性

为明确高压水直接作用下井壁混凝土真实强度特性，现采用Richart[13]提出的单参数线性强度破坏准则、Newman[14]提出的双参数非线性强度破坏准则以及Bresler[15]提出的三参数非线性强度破坏准则分别对上述试验结果进行拟合分析。

Richart提出采用混凝土单轴抗压强度fc、峰值强度σ1以及围压σ3表示的强度破坏准则，如下式所示：

σ1=fc+kσ3

(1)

上式中k值大小与混凝土强度等级有关，(1)式两边同除以fc进行归一化无量纲处理后，得到(2)式：

(2)

对不同状态下不同强度等级混凝土常规三轴加载试验结果进行拟合，结果见表3和图1。

表3　Richart单参数强度破坏准则试验数据拟合结果

由拟合结果可以可知，三种不同强度等级井壁混凝土均具有明显的围压增强效应，且随着围压逐级增加，峰值强度得到显著提高。由拟合曲线看出密封状态试件比常规状态试件峰值强度增长速度更快。采用Richart线性强度破坏准则，拟合系数在0.849左右，说明拟合度较高，井壁混凝土在高压水直接作用下强度特性可以用线性特征表示。由表3和图1可知，Richart线性强度破坏准则对常规状态试件拟合效果要优于密封状态试件，同时与中低强度等级混凝土相比线性拟合效果较差[7-9]，说明Richart线性强度破坏准则并非最适用于高强井壁混凝土。

图1　 Richart线性拟合效果图(a)C60;(b)C70;(c)C80Fig.1　Richart linear fitting effect(a)C60;(b)C70;(c)C80

Newman在随后的研究中认为围压σ3与峰值强度σ1呈非线性关系，并给出了带有两个参数的非线性表达式，如下所示：

(3)

上式中a，b均为经验参数。

采用Newman提出的双参数非线性表达式进行拟合，结果见表4和图2。

表4　Newman双参数强度破坏准则试验数据拟合结果

图2　 Newman双参数非线性拟合效果图(a)C60混凝土；(b)C70 混凝土；(c)C80混凝土Fig.2　Newman double parameters of nonlinear fitting effect

Bresler提出采用八面体应力计算理论中σoct和τoct表示的圆形偏截面三参数强度破坏准则，如下所示：

(4)

上式中a、b、c是由拟合曲线确定的参数。

采用Bresler三参数非线性强度破坏准则进行拟合，结果见表5和图3。

表5　Bresler三参数强度破坏准则试验数据拟合结果

图3　Bresler三参数非线性拟合效果曲线(a)C60混凝土；(b)C70混凝土；(c)C80混凝土Fig.3　Bresler three parameters of nonlinear fitting effect

由Newman、Bresler分别提出的两种不同形式非线性强度破坏准则拟合结果，与Richart线性强度破坏准则拟合结果比较可知，高地下水压作用下高强井壁混凝土峰值强度具有明显的非线性发展趋势，其中 Bresler三参数强度破坏准则更适合用于描述井壁混凝土在高压水作用下峰值强度的非线性发展特征。因此，今后井壁混凝土进行多轴强度验算时可采用Bresler强度破坏准则，其拟合系数接近于1，精度极高。同时发现，当其他条件相同仅试件加载过程中加载液是否与试件直接接触存在差异时，试验结果明显不同，当加载液不与试件直接接触即密封状态试件，试验结果偏大，若以此进行多轴强度验算则与井壁混凝土实际状况不符，不利于井壁结构安全设计。

4　结　论

(1)井壁混凝土具有明显的围压增强效应，由于其混凝土强度等级高，内部微裂纹微孔洞少，故其围压增强效果与中低强度等级混凝土相比较弱，本次试验中C60井壁混凝土围压增强效应最强，C80井壁混凝土围压增强效应最弱；

(2)Richart单参数线性强度破坏准则虽然能够描述井壁混凝土峰值强度与围压的线性关系，但与Newman和Bresler强度准则相比拟合精度低，说明围压作用下井壁混凝土强度发展呈非线性特征，其中Bresler提出的三参数正八面体强度破坏准则更能精确反映混凝土峰值强度与围压的非线性关系，当采用多轴应力强度进行井壁混凝土验算时，可直接采用Bresler强度破坏准则；

(3)高压水作用下常规状态混凝土峰值强度普遍低于密封状态混凝土峰值强度，当采用规范给定的多轴应力强度验算时或由试件与加载液非直接接触得到的试验结果进行验算时，则应提供一个小于1的安全系数进行修正，以确保井壁结构设计时混凝土强度取值安全合理。

[1] 张荣立, 何国纬, 李铎. 采矿工程设计手册[M].北京: 煤炭工业出版社, 2010.

[2] 姚直书, 黄小飞, 程桦. 特厚冲积层冻结井壁受力机理与设计优化[J].西安科技大学学报, 2010, 30(2): 169-174.

[3] GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2011.

[4] 周晓敏, 胡启胜, 马成炫, 等. 围岩对竖井井壁承载能力影响的对比研究[J].煤炭学报, 2012, 37(Supp1): 26-32.

[5] 姚直书, 蔡海兵, 程桦, 等. 特厚表土层钻井井壁底结构分析与设计优化[J].煤炭学报, 2009, 34(6): 747-751.

[6] 姚直书, 高扬, 宋海清. 冻结井壁防裂抗渗高性能混凝土试验研究[J].硅酸盐通报, 2014, 33(4): 918-922.

[7] 李庆斌, 陈樟福生, 孙满义, 等. 真实水荷载对混凝土强度影响的试验研究[J].水利学报, 2007, 38(7): 786-791.

[8] 陈伟, 彭刚, 周寒清, 等. 湿态混凝土常规三轴压缩试验研究[J].水电能源科学, 2014, 32(4): 121-124.

[9] 黄常玲, 刘长武, 高云端, 等. 孔隙水压力条件下混凝土的破坏机理[J].四川大学学报(工程科学版), 2015, 47(supp2): 76-80.

[10] 薛维培, 宋海清, 陈志勇, 等. 冻结井壁高强高性能混凝土配制及应用[J].建井技术, 2014, 35(2): 45-48.

[11] 张永亮, 姚华彦, 朱大勇, 等. 饱水混凝土常规三轴压缩力学特性研究[J].混凝土, 2015, 305(3):63-66.

[12] 王海龙,李庆斌. 围压下裂纹中自由水影响混凝土力学性能的机理[J].清华大学学报, 2007, 47(9): 1443-1446.

[13] Richart F E,Brandtzaeg A,Brown R L.A study of the failure of concrete under combined compressive stresses[R]. Bulletin No.185, Engineering Experiment Station, Unviersity of Illinois, Urbana, 1928.

[14] Newman J B.Concrete under complex stresses[R]. Development in concrete technology-1, Lydon F D (ed), Applied Science, London, 1979.

[15] Bresler B,Pister K S.Strength of concrete under combined stresses[J].JournalofAmericanConcreteInstitute, 1958(9): 321-345.

Real Strength Characteristics of Shaft Lining Concrete under the Action of High Pressure Water

XUEWei-pei,YAOZhi-shu,XUJin,LIBi-da

(College of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science & Technology,Huainan 232001,China)

In order to study development trend of strength of shaft lining concrete under the action of ground water pressure, C60, C70, C80 three kinds of high strength grade concrete were prepared. According to different curing condition each strength grade of concrete was divided into general state specimen and sealing state specimen, and under the pressure of 4 MPa, 6 MPa, 8 MPa, 10 MPa, conventional three axis loading test was performed. The results show that: failure criterion of Bresler three parameters is more accurate to reflect nonlinear relationship between shaft lining concrete peak strength and confining pressure, with increase of confining pressure, peak strength of concrete has obvious enhancement effect, and decrease of confining pressure sensitivity is increased with strength grade; under general condition, peak strength of concrete is slower with increase of confining pressure, and peak strength of general concrete is decreased by about 4.7% compared with that of the same grade seal.

high pressure water;shaft lining concrete;strength characteristics;confining pressure;peak strength

高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20133415110004)

薛维培 (1990-)，男，博士研究生.主要从事煤矿井壁结构优化设计及筑壁材料方面研究.

TU528

A

1001-1625(2016)07-2254-05