高强钢纤维混凝土在特厚冲击层竖井中的应用.pdf
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1、 四川建筑科学研究 第 卷 第 期 年 月 收稿日期: 作者简介: 齐善忠( ) , 男, 山东单县人, 硕士, 讲师, 注册岩土 工程师, 主要从事岩土工程专业的教学、 科研以及岩土工程特殊施工 及治理方面的工作。 基金项目: 河南省教育厅科学技术研究重点项目( ) : 高强钢纤维混凝土在特厚冲击层竖井中的应用 齐善忠 ( 黄河水利职业技术学院, 河南 开封 ) 摘 要: 首先提出了采用强度高、 塑性好的高强钢纤维混凝土井壁的必要性, 并通过试验解决了高强钢纤维混凝土 的配制、 搅拌工艺等关键技术, 最后通过实际工程证明即使在冻结井壁复杂的施工条件下, 混凝土强度增长仍然能 够得到保证。 关
2、键词: 特厚冲积层; 井壁厚度; 高强钢纤维混凝土 中图分类号: 文献标志码: 文章编号: ( ) 引 言 自 年我国采用冻结法凿井以来, 井壁混凝 土强度等级就不断提高, 世纪末达到了 。近 年来, 有多个钻井和冻结井筒先后采用了 高强钢筋混凝土井壁。 目前, 我国的山东巨野煤田上覆有 左右的第四系和第三系地层, 单县煤矿则冲击层更 厚。根据勘探资料, 巨野煤田的粘性土层累积厚度 占到 以上, 部分粘土、 砂质粘土易吸水膨胀, 具 有较强的可塑性 。为了保证凿井安全和降低造 价, 急需找到一种适合我国国情的井壁结构和新型 井壁材料。 目前, 我国冻结井壁一般为双层混凝土结构; 钻 井井壁为钢
3、筋混凝土结构或钢板 钢筋混凝土复合 结构。但随着冲积层厚度的增加, 地压也随之增大, 在井壁材料不变的情况下, 井壁厚度也将增大, 从而 带来钻掘断面有效利用率过低和钻井井壁漂浮下沉 困难等问题, 且导致工程造价过高。大量的研究、 试 验和工程实践表明, 要保证特厚冲积层井壁具有合 理的厚度, 必须提高井壁材料的强度。解决办法可 以从两方面考虑: 一是增加井壁含钢量; 二是采用高 强混凝土井壁。其后者可继续沿用我国目前普遍采 用的、 较为成熟的井壁施工工艺, 但存在着混凝土的 高强化与高脆性化的矛盾, 要解决高强混凝土的脆 性问题, 必须走材料复合化的道路 。因此在高强 混凝土中加入钢纤维,
4、使用高强钢纤维混凝土井壁 比较适合我国国情。 特厚冲积层井壁应用高强钢纤维 混凝土的必要性 现以钻井井壁和内层冻结井壁为例, 说明特厚 冲击层中井壁应用高强混凝土的必要性。井壁厚度 计算公式 为: ( 槡 ) ( ) 式中 为井壁厚度, ; 为井筒净半径, ; 为 设计荷载系数, 取 ; 为井筒计算深度处的径向 压力, ; 为钢筋与混凝土综合强度计算值, , ; 为井壁设计中选定的含钢率, ; 为混凝土轴心抗压强度设计值, ; 为钢筋强 度设计值, 。 令 , 由式( ) 换算可得到井壁承载力表 达式为: ( ) ( ) ( ) 由式( ) 可知, 井壁承载力 与井壁综合强度 计算值 成正比。
5、 当井壁厚度 趋于无穷大时, 趋于无穷大, 此 时井壁承载力也应达到最大, 因此有: ( ) 可见, 井壁极限承载力只与井壁综合强度计算 值 和设计荷载系数 有关。 当其他条件相同时, 混凝土强度等级不同, 井壁 设计厚度将相差很大。随着混凝土强度等级的提 高, 井壁设计厚度将大大减少( 表 、 ) ; 并且表土越 深, 这种变化越显著。 表 冻结井筒内壁设计厚度 混凝土强度等级 注: 表中数值是按井筒净半径 计算得到的; 环向、 竖向钢筋 为 , 配筋率均为 , 径向配筋率为 ;为冲积层厚 度。 表 钻井井筒设计厚度 混凝土强度等级 注: 同表 。 在井筒工程总费用中, 井壁砌筑占 以上,
6、因此这一因素对于井筒施工总费用具有决定性的作 用。莫斯科矿业学院的研究成果表明, 井深为 , 采用现浇混凝土井壁时, 井壁厚度每减少 , 矿井建设费用便可降低 。由此可以 说明: 随着井壁厚度的合理减薄, 井筒掘砌工作量和 井壁砌筑材料用量将随之减少, 同时提高了施工速 度, 缩短了工期, 从而不仅可节约掘进和支护费用, 并且可加快施工进度。 此外, 高强混凝土本身有很多优点, 如能满足特 定环境条件下所需的高弹性模量、 低渗透性和具有 抵抗环境侵蚀、 介质破坏能力的要求; 具有比普通混 凝土长得多的寿命; 一般具有早强性能。这意味着 资源、 能源和资金的大量节约 。但其最大的缺点 则是破坏时
7、呈现脆性, 没有任何先兆, 如果按照常规 混凝土的安全系数取用, 经常会给工程带来不可估 量的损失, 所以在使用时一般以强度为代价来提高 其安全性。而高强钢纤维混凝土最大的优点则是解 决了高强混凝土的脆性问题 , 使破坏时表现为塑 性, 延长了其破坏过程 。因此在能满足工程要求 的前提下, 应首选安全性更好的高强钢纤维混凝土 井壁。 高强钢纤维混凝土的配制 在应用高强度等级的钢纤维混凝土之前, 必须 进行试配, 研制出合理的配方。我国目前还没有相 应的规范可参考, 因此, 考虑在现有钢纤维混凝土的 配合比可依据参考文献 中 条款进行 设计, 试配的钢纤维混凝土强度性能检测依据参考 文献 进行检
8、测。 原材料的选择 )钢纤维 据检索资料, 钢纤维材质选用普通碳钢浇筑用 钢纤维( 长度 ) 。综合和易性和力学性 能( 抗压、 增韧性能) , 其中铣销压痕形、 切断弓形、 剪切端钩形较好; 体积掺量一般在 , 对 于重要工程, 体积掺量在 之间。选用的钢 纤维必须满足参考文献 要求( 抗拉强度 , 弯折性能 , 表面有害杂质 ) 。本试 验钢纤维, 其特征参数见表 。 表 钢纤维特征参数 产品型号类型 长度 等效直径 长径比 剪切哑铃型 )水泥 水泥选用某品牌的 硅酸盐水泥, 其性 能参数见表 。 表 硅酸盐水泥特征参数 定性 比表面积 ( ) 凝结时间抗压强度抗折强度 初凝时间 终凝时间
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