混凝土水化热对井筒外壁受力变形影响分析

刁奶毫，姚直书，张 平

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

目前煤炭仍是我国的主要能源，无论是新建矿井还是现有煤矿安全改建工程都需要新建井筒。在深厚冲积层采用冻结法凿井时，外层井壁(外壁)施工过程中混凝土常出现环向裂缝，影响了外壁承载力。当井筒建成、冻结壁解冻后这些裂缝又成为导水通道，加大了内壁的防治水压力。为防止冻结壁解冻后井筒出现涌漏水现象，引发淹井事故，进行外壁环向裂缝的产生机理研究具有十分重要的意义。

针对这一方面问题，已有不少学者进行了相关技术研究。文献[5]根据弹性理论，给出了井壁内外温差引起温度应力的解答。文献[6-7]针对井壁温度应力、井壁自重、水平侧压力和竖向应力进行了研究，结果表明井壁破裂的重要原因是竖向附加力和温度应力。文献[8]利用冻土理论和混凝土水化热理论，分析了在冻结法凿井施工情况下井壁混凝土不同成分对井壁强度性能的影响。文献[9]采用有限元法和工程监测相结合的方法，对冻结井壁的温度和温度应力进行了数值计算。文献[10]通过实测，得到了井壁在施工、解冻和解冻后的一些变化规律，包括井壁温度、冻结压力、垂直应变和环向应变。文献[11]研究了不同掺量水泥浆体的水化热释放与抗压强度之间的定量关系。

虽然上述文章对井壁的温度应力和变形进行了相关研究，但对于深厚冲积层冻结井外壁混凝土水化热引起环向裂缝还缺乏深入分析。为此，本文通过现场实测、理论分析和实际算例对混凝土水化热引起外壁竖向受力变形进行分析研究。

1 现场实测及混凝土水化热分析

1.1 现场实测

杨村煤矿主井穿过松散层厚达538.25m，井筒净直径7.5m，井筒全深998m，冻结深度723m，表土层主要由粘土、砂质粘土和砂层组成。

该井筒在外壁施工到第68段高、深度约251.2～255m的粘土层位出现二道横向裂纹，影响井筒安全施工。为此，课题组确定在深度326.7m处(该位置为21m深厚粘土层的中部)设置观测水平，对外壁的混凝土温度、冻结压力和竖向混凝土应变进行了现场监测，以分析井壁产生环向裂纹的原因。实测的外壁内外侧温度随时间变化曲线如图1所示。

图1 外壁内外侧温度随时间变化图(326.7m测试水平)

由图1可知，由于外壁厚度大，大体积混凝土的热量发散受到阻隔，因此在混凝土入模后1～2d左右，外壁混凝土温度上升速度极快，最高温度达到了55.5℃。然后受冻结壁低温影响，于第24d变为负值，最低温度达到了-3.8℃，第1～7d为快速降温段，温差达到了39.8℃。在外壁混凝土降温过程中，如果没有受到约束，外壁竖向将自由收缩，没有竖向约束应力。但由于外壁受到冻结壁的冻结压力作用，收缩变形将会受到约束，从图2外壁所受冻结压力实测结果可以看到。

图2 外壁冻结压力随时间变化图(326.7m测试水平)

如图2所示，冻结压力在前10d增长速度快，随后增长速度变慢，最后趋于稳定。由于该处外壁对应地层为粘土层，冻结压力达到了3MPa，冻结压力大，外壁受到了很大的约束，不能自由收缩，将在井壁中产生约束拉应变或拉应力。为此，又对外壁的竖向变形进行了实测分析(见图3)。

图3 外壁竖向应变随时间变化图(326.7m测试水平)

如图3所示，在井壁浇筑后，混凝土受到了较大的竖向拉应变，且随着时间增长持续增大，这主要是由于外壁混凝土竖向收缩受到约束，产生了较大的竖向温度约束拉应力。

由图1～图3现场实测分析表明，冻结井筒外壁凿井期内产生的竖向约束温度应力主要是混凝土入模后经历水化热反应后温度快速上升，再受冻结壁低温影响，外壁温度将在混凝土入模后2～3d内急剧下降，随后缓慢降至零下，前后温差一般可达到40～50℃，甚至更高。因此，外壁混凝土必然引起收缩变形，在冻结压力耦合作用下，在井壁中产生竖向温度约束拉应力，当受到的拉应力超过混凝土极限拉应力就会使井壁产生环向裂缝，对井壁结构的整体性和承载力产生影响。

2 降温引起竖向温度应力分析

为了更好地探究外壁混凝土产生环向裂缝的机理，本文又进行了理论分析。

受到混凝土水化热反应和冻结壁的影响，在混凝土入模后，整个外壁的温度急剧升高后又快速降低，因此外壁在竖向方向将要产生收缩变形。当变形受到约束时，将会产生拉应力。因此，温度应力的大小主要取决于外壁短时间内温差和周围约束条件，下面将对此进行分析。

分析外壁竖向约束温度应力时，假设外壁混凝土入模后，水化热反应达到顶峰，峰值温度为

t

，随后快速降温短时间内温度降为

t

，外壁各部分均匀收缩，但是由于冻结壁内侧冻土对外壁的约束作用，外壁的自由收缩受到限制。特别是在深厚粘土层，冻结壁变形大、冻结压力大，冻土对外壁的竖向变形限制大，类似于加强地基。因此，外壁混凝土内产生了较大的竖向约束拉应力。

2.1 竖向约束温度应力

假设外层井壁与冻土间的约束剪力

τ

与外壁变形

u

为线性比例关系，如图4所示。

图4 竖向约束温度应力计算分析简图

根据弹性力学，可得任何一点的位移，是由约束位移和自由位移组成的

u

=

u

+

αΔTz

(1)

式中：

u

为实际位移；

u

为约束位移。

σ

=

Eε

=

E

(d

u

/d

z

)

(2)

d

u

/d

z

=(d

u

/d

z

)+

αΔT

(3)

d

σ

/d

z

=

E

(d

u

/d

z

(4)

(d

u

/d

z

)-

Cu

/

tE

=0

(5)

(6)

得到以下微分方程

d

u

/d

z

-

β

u

=0

(7)

得到通解后带入边界条件求最大值得到外壁最大竖向约束温度应力为

(8)

式中：

σ

为竖向约束温度应力，MPa；

β

为计算系数；ch为双曲线余弦函数表示符号；

ΔT

为井壁降温的温差，

ΔT

=

t

-

t

，℃；

h

为井壁厚度，mm；

H

为井筒深度，mm；

α

为混凝土线膨胀系数；

E

为混凝土弹性模量，N/mm；

C

为粘结力系数，如表1所示。由于前期水化热反应，混凝土早期弹性模量取折减系数为

k

=0.5，同时由于外壁混凝土属于大体积混凝土，因此本文考虑混凝土徐变。由于徐变会引起外壁竖向温度约束应力松弛，松弛系数取经验值

k

=0.5，对外壁竖向温度约束拉应力进行折减，即

(9)

表1 粘结力系数

井壁混凝土的线膨胀系数

α

一般为1.0×10/℃，即外壁温度每降低1℃，外壁就将产生近十万分之一的收缩位移，外壁混凝土的极限拉应变为100με到150με，当外壁混凝土水化热产生的温度差超过限值，由此产生的竖向位移对于外壁来讲是无法承受的。

2.2 计算实例

根据对杨村煤矿主井的现场监测，得到了井壁内外侧温度变化曲线，将现场监测数据得到的最大温差带入式(1)，计算最大竖向约束温度应力。

计算实例井壁厚度

h

=950mm，井壁温差取快速降温段

t

=55℃、

t

=9.5℃，

ΔT

=

t

-

t

=39.8℃，井筒深度

H

=3.267×10mm，混凝土线膨胀系数

α

=1.0×10/℃，第三水平冻结壁土层为钙质粘土，粘结力系数

C

=6，

E

=3.65×10MPa。

将上述数据带入式(6)、(8)、(9)可得：

通过实例计算得到外壁在快速降温段所受到的竖向约束拉应力将大于该处混凝土早期抗拉强度，井壁极易产生深层环向裂缝。如同处两淮矿区的丁集煤矿风井，在埋深353m的深厚粘土层处，曾发生施工期间外壁竖向钢筋被拉断现象，由此可见，竖向约束温度应力相当大。相对于不影响井壁安全的表面裂纹，深层裂缝宽度和深度都较大，对井壁混凝土的耐久性不利。特别是当井筒建成、冻结壁解冻后这些裂缝又成为导水通道，加大了壁间注浆的难度，不利于井筒的防治水工作。

3 防止外壁混凝土环向裂缝措施

为了减少冻结井筒在冻结壁解冻过程中的涌水量，确保井壁安全可靠，提高井壁混凝土的耐久性，需要采取措施防止冻结井筒外壁产生环向裂缝。

3.1 控制外壁混凝土水化热

为了降低外壁大体积混凝土水化放热，在混凝土配制时，应优先选用低水化热水泥，并采用粉煤灰、磨细矿渣等其他胶凝材料替代部分水泥，以降低井壁的水化热温度。在浇筑外壁时，特别在环境温度较高的夏季，混凝土的粗细骨料应当进行预降温处理，使混凝土的入模温度保持在15～20℃，从而降低混凝土的水化热峰值温度。

3.2 采用纤维混凝土

现有研究成果表明，在混凝土中掺加纤维可以显著提高混凝土的抗裂、抗拉等力学性能，改善地下工程结构物的抗渗性和耐久性。为此，本文又开展了仿钢纤维混凝土主要力学性能试验。

1)材料及配合比

为满足冻结法凿井对外壁混凝土的早强性和高强的要求，试验选用海螺牌P.Ⅱ 52.5硅酸盐水泥。粗骨料选用粒径为5～20mm连续级配的玄武岩碎石，其压碎指标为3.7%。细骨料选用细度模数为2.78的天然河砂，其含泥量小于1.5%。外加剂选用NF高效复合减水剂。为了降低浇筑混凝土时的水化热，在胶凝材料中加入Ⅰ级粉煤灰和磨细矿渣，其中磨细矿渣的比表面积为4 500cm/g、密度为2.89g/cm。

仿钢纤维选用聚丙烯粗纤维(PPTF)，其实物外观如图5所示，主要性能指标如表2所示。

图5 仿钢纤维实物图

表2 仿钢纤维主要性能指标

针对特厚冲积层冻结法施工井壁的受力特点和施工工艺，现以冻结井壁常用的C60高性能混凝土为基础，其基准配合比(每立方米混凝土材料用量)为：水泥400kg、磨细矿渣为110kg、粉煤灰为40kg、水为143kg、砂为626.5kg、碎石1 114kg和减水剂为16.5kg。在此基础上，通过掺加仿钢纤维得到纤维混凝土。为了进行对比和优化，每立方米混凝土中分别掺加0、3、5kg的仿钢纤维，对应的试验组编号分别为C-0、C-3、C-5。

2)试验结果及分析

根据上述配合比，制作混凝土试件分别进行抗压、劈裂抗拉测试，试验结果如表3所示。

表3 强度试验结果对比表

由表3可知，仿钢纤维的加入提高了混凝土抗压强度，但是增加幅度有限。而混凝土的抗拉强度提高显著。相对于基准混凝土，其抗拉强度提升最大达到了30.03%。由此可见，仿钢纤维的加入明显提高了混凝土的抗拉性能。且其工程造价比常用的钢纤维混凝土大大降低，推广应用后对冻结井壁混凝土的耐久性具有积极作用。

4 结论

(1)通过对杨村矿主井326.7m测试水平的外壁内外侧温度、冻结压力以及混凝土竖向变形进行了现场监测。结果表明，冻结井筒外壁温度快速上升，随后又急剧下降，前后温差一般可达40～50℃，外壁混凝土发生收缩变形、在冻土约束作用下，井壁中并产生竖向约束拉应力，混凝土极易产生环向裂缝。

(2)基于弹性力学原理，推导出由于井壁降温引起的竖向约束温度应力计算公式。计算表明，外壁受到的竖向约束温度拉应力达到了3.63MPa，是导致冻结井筒外壁产生深层环向裂缝的主要原因。

(3)为了确保井壁安全使用，可采用降低井壁混凝土水化热和采用纤维混凝土来防止井壁出现环向裂纹。并通过试验表明，仿钢纤维混凝土可使抗拉强度最大提高30.3%，这对抑制井壁环向温度裂缝的产生具有积极作用。