1、復雜地質環境中立井井筒受力特征研究 申明亮1，邵偉1，薛愛芝2，朱宜海2（1同濟大學地下建筑與工程系 上海 200092，2濟寧市市政設計院 山東 濟寧272000）摘 要：本文采用有限元數值分析的技術手段，選取深層地下結構立井井筒為研究對象，建立大型三維有限元模型，設定復雜的地質環境條件，深入研究了隨著深度的增加，地質條件的改變而引起的地下結構位移及受力特征的變化，確定了應力集中位置，并且分析了由于地下結構的施工造成的土體位移趨勢。本文所得結論可以對立井井筒及其他大深度地下結構的設計、施工起到一定的理論指導意義。關鍵詞：大深度地下結構；立井井筒；復雜地質條件；有限元數值模擬中圖分類號：TU9

2、23 文獻標識碼：AStess Feature Research of Shaft in Complex Geological EnvironmentSHEN Mingliang1, SHAO Wei1,XUE 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

3、change of underground structure 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 rease

4、rch object of the three-dimensional finite element modele is deep underground structure-shaft under complex 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

5、play a guiding significance to the design and construction of shaft and other deep underground structures.Key words: deep underground structure; shaft; complex geological condition; finite element numerical simulation0 引 言隨著我國的經濟發展，煤礦產業也在迅速發展，新的礦區不斷建設，立井井筒是礦井建設的一個重要部分。立井井筒屬于一種大深度地下結構，穿越地層多，影響因素多，受力特

6、征復雜，很難用純粹的理論公式來表達其受力特征。淺層（深度在幾十米范圍內）地下結構，如：城市地鐵隧道，高速公路隧道，基坑等所處地質環境相對簡單，穿越地層范圍不大，其受力特征相對容易分析，針對淺層地下結構的理論研究也相對成熟。但隨著深度的增加，影響因素的增多，地下結構的受力特征將要發生變化。上世紀50年代以來，我國較流行的井筒受力計算方法主要有普氏方法(普邏托迪雅柯諾夫方法)、秦氏方法(秦巴列維奇方法)、薩氏方法(薩烏斯托維奇方法)以及重液公式，但這些公式僅僅適用于淺層的表土，隨著深度的增加，其與實測值的誤差也越來越大12。中國礦業大學根據實測和分析得出了擬重液公式，水土分算公式，夾心墻地壓公式，

7、山東科技大學也得出了千米立井的計算公式，這些成果都推動了深層地下結構受力特征的研究。隨著計算機技術的發展，有限元法得以應用于地下工程的研究。本文以立井井筒為研究對象，設定復雜地質環境，采用有限元數值軟件，研究大深度井筒穿越多種地層時受力特征的變化。所得結論可以對立井井筒及其它大深度地下結構的設計、施工起到一定的指導意義。1 工程背景某礦井立井井筒施工方法為凍結法，井筒深度474.70米，表土段深度為148.69米，井筒凈直徑6.50米，表土段內壁厚度為0.60米，外壁厚度為0.40米，井壁材料為雙層鋼筋混凝土材料。其第四系地層厚148.6m，分上、中、下三組，上組厚23.5m，有砂及砂礫層共4

8、層；中組厚70.1m，主要由粘土，砂質粘土及粘土質砂組成；下組厚55.0m，為砂及粘土互層3。各地層及井壁基本參數如表1所示：表1 各地層及井壁基本參數1Table1 Basic parameter of each stratum layer and sidewall密度（Kg/m3）彈性模量（MPa）泊松比摩擦角內聚力（MPa）抗拉強度（MPa）上組1650300.25250.030.06中組165050.40.26250.0350.07下組170050.40.26250.040.075風化巖25007991.620.2493052井筒2700300000.184554.722.982 有限

9、元數值分析47本文采用ANSYS軟件進行有限元數值分析，建立大型三維數值模型，采取合理的分析流程，以期取得可靠的分析結果。分析流程如圖1所示：建立模型Kill shell63自重模擬重啟動Kill solid45Active shell63加節點力施工模擬結果分析圖1 分析流程圖Fig.1 Analysis process2.1 數值分析模型的建立根據實際工程資料，確定模型高度為173.69米，其中基巖以下為25米，基巖以上為148.69米，以井筒中軸線為中心，長寬各取100米范圍為模型邊界。地層單元采用SOLID45單元，井壁采用SHELL63單元進行模擬。由于井筒幾何形狀及其荷載均為軸對稱

10、，取1/4模型為研究對象。對稱軸為Y軸。在豎直方向上基巖段每個單元的高度為2米，共有10個單元；下組土層每個單元的高度為1米，共有55個單元；中組土層每個單元的高度為2米，共有35個單元；上組土層每個單元的高度為5米，共有5個單元。水平徑向方向上，從內到外單元的尺寸逐漸變大，共有40個單元，總的單元數目為40503個單元，井筒施工前模型建立如圖2、3所示：圖2 模型正面圖 圖3 SHELL63單元圖Fig.2 Model front face Fig.3 SHELL63 element約束的施加：在Y=0平面上施加所有方向約束；在X=0，Z=0平面施加對稱約束；X=100平面施加X方向水平約束

11、；Z=100平面施加Z方向水平約束；Y=170平面為自由面。2.2 原始應力場的模擬 地層經過許多年的沉降固結已經達到一種穩定的狀態，稱之為原始應力狀態，首先將這種原始應力狀態進行模擬，然后才能分析立井施工后井壁的受力狀態，否則模型土體就相當于未固結土，將對模擬結果造成誤差。在進行計算前，首先殺死SHELL63單元，原始應力場模擬結果如下圖4所示： 圖4 原始應力場 Fig.4 Y-direction stress nephogram 2.3 二次應力場的模擬在初始地應力模擬分析的基礎上，重新啟動程序，殺死井筒內部的SOLID45單元來模擬開挖，同時激活SHELL63單元來模擬井壁的建立，對模

12、型再次進行求解，分析由于立井的施工對周圍的地層影響而形成的二次應力場。開挖后的1/4模型以及模型擴展如圖5、6所示：圖5 開挖后模型 圖6 模型擴展圖Fig.5 Excavated model Fig.6 Expansion model數值模擬結果分析： 經過模擬計算，得到井筒周圍地層的位移、應力如下云圖710所示：圖7 水平向位移 圖8 水平向應力 Fig.7 Horizontal displacement Fig.8 Horizontal stress圖9 豎直向位移 圖10 豎直向應力Fig.9 Vertical displacement Fig.10 Vertical stress從水

13、平向位移圖可以看出，大部分土體發生朝向井筒的位移，其中最大位移發生在地表處井口周圍，其最大值為。而在Y=20150m范圍內一部分土體發生背離井筒的位移，其最大值為。分析其原因，筆者認為是井壁在土體深部水平向位移過大，造成土體相對于井壁有遠離的趨勢。豎直方向位移沿深度的增加逐漸變小，最大值發生在地表處，基巖段的位移幾乎為零。水平向、豎直向應力隨深度的增加而增加，在基巖與表土交界處發生應力集中，水平向應力最大值，豎直向應力最大值。2.4 井筒受力及變形分析為了研究隨著深度的增加，地質環境的變化，在自重及周圍土體附加應力的作用下立井井筒的受力及變形特點。我們在井壁外側沿井壁軸向建立一條應力路徑Pat

14、hroz1。也就是過Y軸和角XOZ作一平面，該平面與井壁外緣面的交線就是Pathroz1，該路徑上共有106個節點，幾何模型上的路徑如圖11所示：圖11 路徑PATHRQZ1Fig.11 Path PATHRQZ1 沿應力路徑Pathroz1水平及豎直方向的位移及應力如圖（1215）所示：圖12 水平方向位移圖 圖13 豎直方向位移圖Fig.12 X-direction displacement Fig.13 Y-direction displacement圖14 水平方向應力圖 圖15 豎直方向應力圖Fig.14 X-direction stress Fig.15 Y-direction s

15、tress 結果分析從圖12可以看出，表土段水平方向位移從地表開始呈線性增長趨勢，最大值出現在表土與基巖交界處，基巖段水平位移基本呈矩形分布，隨深度變化不大。這與井筒所受的圍巖壓力結果相一致。從圖14可以看出，表土段水平方向的壓力從上向下逐漸增大，呈線性增長，最大值出現在表土與基巖交界處，而基巖段圍巖壓力隨深度變化不大，基本呈矩形分布，應力值在左右?？梢娋菜椒较虻奈灰浦饕鞘芩椒较虻膲毫Φ挠绊?，因此確定井筒所受的圍壓對于分析井筒的變形意義重大。因此，將另外詳細分析在本文地質條件下，數值模擬結果與現階段流行理論的計算結果的差異，以期確定出最佳的立井井筒圍巖壓力計算方法。從圖13可以看出，豎

16、直方向的位移趨勢與水平方向的位移趨勢正好相反，從地表向下呈非線性減少趨勢，最大值出現在地表處，而在基巖與表土交界處豎直方向的位移減少至零。這與豎直方向的應力變化趨勢也正好相反。從圖15可以看出，豎直方向的應力從上向下逐漸變大，在表土與基巖交界處達到最大值。這一趨勢與實際情況也是相符合的，在本文中井壁所受的豎直力主要是表土給與的負摩擦力以及井筒的自重，地表處該力為零，表土與基巖交界處為最大值。而位移卻相反，在表土與基巖交界處為零，這是因為基巖的變形量幾乎為零，而地表處的位移為最大值。2.5 井筒圍壓分析關于井筒圍壓的理論有多種，就其研究方法分，主要有平面擋土墻主動土壓力理論，空間軸對稱極限平衡理

17、論，拱效應理論等，這些理論分析和大量的實測結果有較大出入，計算值往往比實測結果偏大，并且隨著深度的增加，偏差越大。而隨著計算機技術的發展，有限元法得以在地下工程中得到廣泛應用。本文用有限元軟件得出了立井井筒圍巖壓力隨深度的變化趨勢，在此，我們談論有限元法與傳統理論結果的差異89。（1）秦氏公式10其中為秦氏給定的側壓力系數，流砂0.757，沙礫和砂性土0.526，粘土0.387。針對本文地質情況：（2）重液公式10H計算地層深度1.3水土混合重液比重，噸/米3經計算，本文。（3）中國礦業大學擬重液公式10其中稱為壓力當量系數，經實測表明其值為0.91.2當深度H<200m，=1.2噸/米

18、3；200<H<300m，=1.1噸/米3；H>300米，=1.0噸/米3經計算，本文。三種公式計算結果及本文數值模擬結果如圖16所示：圖16 結果對比圖Fig.16 Result comparation由圖可以得知，就變化趨勢來說，秦氏公式結果顯然與模擬結果相差較大，并且，在同一深度水平上出現兩種壓力值，這一點秦氏公式并不嚴謹。本文結果與重液公式及擬重液公式趨勢基本一致，但與擬重液公式在數值上更接近，因此本文認為，在對立井井筒圍壓計算中，擬重液公式和有限元法都有非常大的發展前景。3 結論當立井井筒或其它結構由于深度較大而穿越不同地層時，其應力和應變特征將隨著深度的不同，地質條件的改變而改變。深度和地質條件是影響立井井筒或其他地下結構應力、應變的主要因素。本文通過研究分析可得如下幾點結論：（1）立井施工造成地表面土體產生朝向井筒的位移，而深部土體卻產生相對背向井筒的位移趨勢。（2）立井井筒在表土層隨著深度的增加，水平向位移增大，而豎向位移卻減小。在基巖段位移并不隨深度的增大而增加。（3）立井井筒在表土段水平向、豎直向應力和應變均隨深度的增大而增加；在基巖段各方向應力應變為一定值，并不隨深度的變化而