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随着开采深度增大,穿越深厚富水岩层建设井筒将越发普遍,新型接茬钢板单层井壁会取代不合理的超厚复合井壁,钻眼爆破法是深厚立井井筒开掘首选方法,增大单循环进尺需采用大药量爆破,这样会产生接茬钢板邻近区域混凝土冲击损伤,进而导致接茬钢板处渗漏水事故。
将背景工程问题转换为爆破掘进下接茬钢板邻近区域混凝土冲击损伤科学问题。分别对SHPB加载理论、弹性波在不同介质分界面透反射理论进行研究。根据相似理论并结合立井施工流程,制作(1d&3d)、(1.5d&4d)和(2d&5d)三种龄期组合,1.4mm、1.8mm、2.8mm、3.8mm、4.5mm五种钢板厚度的早龄期混凝土-钢板组合试件。为了分解研究难度和便于运用对比分析法,同时制作了与早龄期混凝土-钢板组合试件相同几何尺寸的早龄期素混凝土试件。利用SHPB实验装置对上述试件开展冲击损伤实验。根据SHPB实验基本假定和早龄期混凝土材料力学特性,采用半正弦波加载,实验效果理想。采用RHT本构模型模拟井壁混凝土,材料参数根据上述SHPB实验确定,对背景工程开展等比例数值模拟,对导致过水通道处混凝土损伤的影响因素进行研究。利用小波包技术从能量角度对韧脚空隙高度进行研究,确定最优、最不利空隙高度。综合运用理论分析、室内SHPB实验、LS-DYNA数值模拟与小波包技术完成立井接茬钢板单层井壁爆破冲击损伤,消除接茬钢板处渗漏水科学问题。本文主要研究工作如下:
以几何尺寸?5cm×5cm圆柱体试件为研究对象,首先测试其静载单轴抗压强度、峰值应变、割线模量与超声波速在1d~28d发展变化规律。研究试件龄期在1d~6d时间范围,有效应变率在15S-1~60S-1的动载特性,损伤特性与吸能特性。混凝土强度、峰值应变均与应变率呈线性关系,动态强度提高因子为1.04~2.17。得出损伤量与龄期间,损伤量与入射能间的2个定量计算公式。1d~6d龄期混凝土,2d是分界点,2d前趋势快,塑性性能为主,2d后趋势慢,脆性性能为主。吸能能力是材料固有属性,在同级冲击荷载作用下,吸收能随龄期呈弱抛物线关系变化,存在最大吸收能龄期,随着冲击荷载强度提高,峰值吸收能龄期逐渐增大。
针对底模、顶模混凝土无平行对立的2个自由表面,无法采用常规“对测法”进行超声波测试,设计并制作了水泥砂浆卡座,实现底模、顶模混凝土的超声波对测。根据超声波测试结果分别计算底模、顶模混凝土损伤值,并与同龄期素混凝土试件损伤值进行对比,得出:钢板迎冲侧的底模损伤增大[1.2~1.6]倍,背冲侧的顶模损伤减小至[0.2~0.4]倍,顶模比底模长一个“施工周期”,底模损伤值为顶模损伤值[4~6]倍,依据底模损伤判断组合结构损伤状态。本文设计的组合试件,2.8mm厚度钢板最优,4.5mm厚度钢板最不利,钢板厚度对底模、顶模的作用效应正好相反,判断时要以底模为依据。“钢板厚度”因素与冲击荷载强度存在耦合关系,荷载强度越高,“钢板厚度”因素越明显。随施工周期增长,底模、顶模损伤值均降低,但从周期2d→2.5d,损伤值降低幅度慢,从周期2.5d→3d,损伤值降低幅度快。
接茬钢板单层井壁有限元数值模拟中,选用能较好模拟混凝土拉压损伤的RHT本构模型,根据早龄期混凝土SHPB实验结果,建立对应数值模型,通过大量反复试算确定1d~8d RHT模型完整参数。按实际工程等比例建模会出现畸形单元,将实际工程的5段7圈炸药简化为5段5圈炸药。对比接茬钢板单层井壁数值模拟结果与现场实测结果表明:立井数值模型及材料参数选取合理,接茬钢板单层井壁中存在4个震动加强区域,按照震动加强程度从强到弱排序:竖钢板外侧(区域1)>井壁、岩壁接触面(区域2)>每模顶端(区域4,斜钢板下侧)>每模底端(区域3,斜钢板上侧),该结论对各种几何尺寸的接茬钢板单层井壁均适用。“竖钢板厚度、斜钢板厚度及其组合”、“施工周期”影响通道处混凝土损伤范围、损伤程度,钢板迎冲侧的“通道一”是井壁渗漏水控制通道,存在优化的接茬钢板厚度组合,2d施工循环H8V12组合最优,2.5d施工循环H10V6组合最优,3d施工循环H10V12组合最优。根据每种施工周期16种工况均值损伤,D(2.5d)>D(2d)>D(3d),通道处混凝土损伤随施工周期增长先增大再减小。
爆破震动传入井壁的能量决定了井壁混凝土损伤程度,底模井壁处于爆破地震波绕射作用局部震荡区域,韧脚空隙高度是决定传入井壁能量大小的重要因素。利用小波包技术从能量角度进行分析,提出能量归一化因子,运用Matlab软件编制能量计算程序,本工程最不利空隙高度2.7m,最优空隙高度3.6m,在相同爆破方案前提下,震动峰值能量降低20%。
将背景工程问题转换为爆破掘进下接茬钢板邻近区域混凝土冲击损伤科学问题。分别对SHPB加载理论、弹性波在不同介质分界面透反射理论进行研究。根据相似理论并结合立井施工流程,制作(1d&3d)、(1.5d&4d)和(2d&5d)三种龄期组合,1.4mm、1.8mm、2.8mm、3.8mm、4.5mm五种钢板厚度的早龄期混凝土-钢板组合试件。为了分解研究难度和便于运用对比分析法,同时制作了与早龄期混凝土-钢板组合试件相同几何尺寸的早龄期素混凝土试件。利用SHPB实验装置对上述试件开展冲击损伤实验。根据SHPB实验基本假定和早龄期混凝土材料力学特性,采用半正弦波加载,实验效果理想。采用RHT本构模型模拟井壁混凝土,材料参数根据上述SHPB实验确定,对背景工程开展等比例数值模拟,对导致过水通道处混凝土损伤的影响因素进行研究。利用小波包技术从能量角度对韧脚空隙高度进行研究,确定最优、最不利空隙高度。综合运用理论分析、室内SHPB实验、LS-DYNA数值模拟与小波包技术完成立井接茬钢板单层井壁爆破冲击损伤,消除接茬钢板处渗漏水科学问题。本文主要研究工作如下:
以几何尺寸?5cm×5cm圆柱体试件为研究对象,首先测试其静载单轴抗压强度、峰值应变、割线模量与超声波速在1d~28d发展变化规律。研究试件龄期在1d~6d时间范围,有效应变率在15S-1~60S-1的动载特性,损伤特性与吸能特性。混凝土强度、峰值应变均与应变率呈线性关系,动态强度提高因子为1.04~2.17。得出损伤量与龄期间,损伤量与入射能间的2个定量计算公式。1d~6d龄期混凝土,2d是分界点,2d前趋势快,塑性性能为主,2d后趋势慢,脆性性能为主。吸能能力是材料固有属性,在同级冲击荷载作用下,吸收能随龄期呈弱抛物线关系变化,存在最大吸收能龄期,随着冲击荷载强度提高,峰值吸收能龄期逐渐增大。
针对底模、顶模混凝土无平行对立的2个自由表面,无法采用常规“对测法”进行超声波测试,设计并制作了水泥砂浆卡座,实现底模、顶模混凝土的超声波对测。根据超声波测试结果分别计算底模、顶模混凝土损伤值,并与同龄期素混凝土试件损伤值进行对比,得出:钢板迎冲侧的底模损伤增大[1.2~1.6]倍,背冲侧的顶模损伤减小至[0.2~0.4]倍,顶模比底模长一个“施工周期”,底模损伤值为顶模损伤值[4~6]倍,依据底模损伤判断组合结构损伤状态。本文设计的组合试件,2.8mm厚度钢板最优,4.5mm厚度钢板最不利,钢板厚度对底模、顶模的作用效应正好相反,判断时要以底模为依据。“钢板厚度”因素与冲击荷载强度存在耦合关系,荷载强度越高,“钢板厚度”因素越明显。随施工周期增长,底模、顶模损伤值均降低,但从周期2d→2.5d,损伤值降低幅度慢,从周期2.5d→3d,损伤值降低幅度快。
接茬钢板单层井壁有限元数值模拟中,选用能较好模拟混凝土拉压损伤的RHT本构模型,根据早龄期混凝土SHPB实验结果,建立对应数值模型,通过大量反复试算确定1d~8d RHT模型完整参数。按实际工程等比例建模会出现畸形单元,将实际工程的5段7圈炸药简化为5段5圈炸药。对比接茬钢板单层井壁数值模拟结果与现场实测结果表明:立井数值模型及材料参数选取合理,接茬钢板单层井壁中存在4个震动加强区域,按照震动加强程度从强到弱排序:竖钢板外侧(区域1)>井壁、岩壁接触面(区域2)>每模顶端(区域4,斜钢板下侧)>每模底端(区域3,斜钢板上侧),该结论对各种几何尺寸的接茬钢板单层井壁均适用。“竖钢板厚度、斜钢板厚度及其组合”、“施工周期”影响通道处混凝土损伤范围、损伤程度,钢板迎冲侧的“通道一”是井壁渗漏水控制通道,存在优化的接茬钢板厚度组合,2d施工循环H8V12组合最优,2.5d施工循环H10V6组合最优,3d施工循环H10V12组合最优。根据每种施工周期16种工况均值损伤,D(2.5d)>D(2d)>D(3d),通道处混凝土损伤随施工周期增长先增大再减小。
爆破震动传入井壁的能量决定了井壁混凝土损伤程度,底模井壁处于爆破地震波绕射作用局部震荡区域,韧脚空隙高度是决定传入井壁能量大小的重要因素。利用小波包技术从能量角度进行分析,提出能量归一化因子,运用Matlab软件编制能量计算程序,本工程最不利空隙高度2.7m,最优空隙高度3.6m,在相同爆破方案前提下,震动峰值能量降低20%。