高壓水直接作用下井壁混凝土真實(shí)強(qiáng)度特性研究

薛維培，姚直書，徐　進(jìn)，李必達(dá)

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，淮南　232001)

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高壓水直接作用下井壁混凝土真實(shí)強(qiáng)度特性研究

薛維培，姚直書，徐進(jìn)，李必達(dá)

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，淮南232001)

為研究井壁混凝土在高地下水壓作用下強(qiáng)度發(fā)展趨勢，配制了C60、C70、C80三種高強(qiáng)度等級井壁混凝土，根據(jù)養(yǎng)護(hù)條件不同將每種強(qiáng)度等級混凝土均分為常規(guī)狀態(tài)試件和密封狀態(tài)試件，分別在4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa水壓作用下進(jìn)行常規(guī)三軸加載試驗(yàn)。結(jié)果表明：Bresler三參數(shù)正八面體強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則更能準(zhǔn)確反映井壁混凝土峰值強(qiáng)度與圍壓的非線性關(guān)系，隨著圍壓的增加井壁混凝土峰值強(qiáng)度具有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)，隨著混凝土強(qiáng)度等級提高圍壓敏感性降低；常規(guī)狀態(tài)下井壁混凝土峰值強(qiáng)度隨圍壓增長速率較慢，且比同等級密封狀態(tài)下井壁混凝土峰值強(qiáng)度大約降低6.3%。

高壓水；井壁混凝土；強(qiáng)度特性；圍壓；峰值強(qiáng)度

1　引　言

目前我國煤礦井壁混凝土取值仍采用現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中給定的單軸強(qiáng)度參考值[1]，雖然有學(xué)者提出井壁混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算應(yīng)根據(jù)多軸應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行[2]，但問題的關(guān)鍵在于多軸強(qiáng)度的取值。現(xiàn)行規(guī)范中混凝土多軸強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)施加的是機(jī)械荷載，即使采用油泵施加圍壓，試件也是處于密封狀態(tài)，混凝土與加載油不直接接觸[3]。實(shí)際上在表土沖積層段，地下水直接作用于井壁混凝土上，并沒有試驗(yàn)過程中的封油橡膠套，且水壓值高。那么在高壓水直接作用下井壁混凝土強(qiáng)度特性是否與密封試件一樣?由于目前尚缺乏該方面研究成果，在我國建井界存在著不同的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)[4-5]。

其次，關(guān)于水荷載直接作用下混凝土強(qiáng)度特性研究當(dāng)前主要集中在C30-C50中低強(qiáng)度等級混凝土，與高強(qiáng)高性能井壁混凝土相比內(nèi)部微孔洞微裂紋較多[6]，且試驗(yàn)過程中施加的水壓值通常在2～4 MPa[7-9]，而根據(jù)煤礦井筒實(shí)際埋深和地下水動力學(xué)知識可估算井壁最高將承受10 MPa的地下水壓力作用，由此可見現(xiàn)有研究成果對高壓水直接作用下井壁混凝土強(qiáng)度特性研究的借鑒價(jià)值十分有限。為此，本文將結(jié)合煤礦井筒實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，著重對高強(qiáng)高性能井壁混凝土在高壓水直接作用下強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，預(yù)期研究成果能為多軸狀態(tài)下井壁混凝土強(qiáng)度驗(yàn)算提供依據(jù)，同時(shí)確保深厚沖積層中井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理。

2　試　驗(yàn)

根據(jù)實(shí)際工程背景[10]，本次試驗(yàn)配制混凝土強(qiáng)度等級分別為C60、C70、C80，施加水壓值分別為4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa。試驗(yàn)采用海螺牌P·O52.5R早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)；細(xì)度模數(shù)為2.73的淮濱河砂；粒徑5～25 mm的明光玄武巖，壓碎指標(biāo)為3.8%； NF-F高效復(fù)合外加劑等作為原材料，按表1配合比澆筑混凝土試件。

表1　井壁混凝土配合比

試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體，為減少混凝土離散性對試驗(yàn)結(jié)果的影響，每種強(qiáng)度等級混凝土試件一次性澆筑30塊。由于本次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是研究高地下水壓直接作用下井壁混凝土真實(shí)強(qiáng)度特性，即試驗(yàn)過程中沒有密封橡膠套阻斷高壓水與混凝土的直接接觸，研究井壁混凝土在水壓和滲流場共同作用下三向受力狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)對比分析需要，故將每種強(qiáng)度等級混凝土試件隨機(jī)均分為兩種不同狀態(tài)，即常規(guī)狀態(tài)試件和密封狀態(tài)試件。常規(guī)狀態(tài)試件是從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d后取出，置于自然空氣環(huán)境中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)15 d再進(jìn)行試驗(yàn)，加載過程中與高壓水直接接觸；密封狀態(tài)試件同樣從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d后取出，采用市面上購買的防水膠在試件表面進(jìn)行涂刷，晾干后放入薄膜密封袋中，再置于自然空氣環(huán)境下養(yǎng)護(hù)15 d。采用實(shí)驗(yàn)室自主研制并經(jīng)過部門認(rèn)證的常規(guī)三軸加載裝置，將試件直接放入加載裝置內(nèi)腔，采用伺服萬能試驗(yàn)機(jī)先施加豎向荷載50 kN，隨后按照豎向壓力與圍壓2∶1的關(guān)系同步施加荷載，其中由水泵逐級施加圍壓，待圍壓達(dá)到設(shè)計(jì)值后保持穩(wěn)壓狀態(tài)，繼續(xù)施加豎向荷載直到試件破壞。本次試驗(yàn)加載方式與通常采用機(jī)械油施加圍壓的加載方式不同之處在于：采用油壓加載時(shí)先進(jìn)行預(yù)壓，隨后將圍壓直接施加至設(shè)計(jì)值后保持穩(wěn)壓狀態(tài)，再進(jìn)行試驗(yàn)[11]，而本文圍壓是逐級施加至設(shè)計(jì)值后保持穩(wěn)壓。試驗(yàn)全過程由壓力試驗(yàn)機(jī)自動記錄數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)由2～5塊相同狀態(tài)下同強(qiáng)度等級井壁混凝土試件得到，其中由于操作失誤或其他外界因素影響出現(xiàn)的個(gè)別明顯異常值，予以剔除后再對該組就均值，最終試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3　結(jié)果與討論

3.1試驗(yàn)結(jié)果

由表2常規(guī)三軸加載試驗(yàn)結(jié)果可以看出，井壁混凝土隨著圍壓增加峰值強(qiáng)度不斷得到提高，且同等級兩種不同狀態(tài)下混凝土峰值強(qiáng)度提高幅度不同，密封狀態(tài)試件隨圍壓增加最大提高系數(shù)為1.94，而常規(guī)狀態(tài)試件隨圍壓增加最大提高系數(shù)為1.75，兩種狀態(tài)下混凝土峰值強(qiáng)度提高系數(shù)均小于中低強(qiáng)度等級混凝土隨圍壓增加的提高系數(shù)[7-9]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著混凝土強(qiáng)度等級提高，同一狀態(tài)下峰值強(qiáng)度增長速率有所放緩，且同一強(qiáng)度等級混凝土處于不同狀態(tài)其峰值強(qiáng)度增長速率也不相同。密封狀態(tài)試件峰值強(qiáng)度隨圍壓增加增長速率較快，分析其原因認(rèn)為：密封狀態(tài)下高壓水不與試件直接接觸，阻礙了高壓水在混凝土內(nèi)部滲流運(yùn)動，又由于圍壓作用能夠有效抑制混凝土內(nèi)部微裂紋微孔洞的發(fā)展，故其峰值強(qiáng)度得到顯著提高；常規(guī)狀態(tài)試件雖然在圍壓作用下，內(nèi)部微裂紋微孔洞的發(fā)展一定程度上得到抑制，但高壓水在混凝土內(nèi)部可以發(fā)生滲流運(yùn)動，滲流過程高壓水給井壁混凝土微裂紋微孔洞施加劈裂力，加速微裂紋微孔洞的擴(kuò)展貫通[12]，故其破壞時(shí)峰值強(qiáng)度較低。相同圍壓作用下，常規(guī)狀態(tài)試件峰值強(qiáng)度要比密封狀態(tài)試件峰值強(qiáng)度降低約6.3%。試過過程發(fā)現(xiàn)單軸加載狀態(tài)下同一強(qiáng)度等級混凝土試件常規(guī)狀態(tài)下峰值強(qiáng)度大于密封狀態(tài)下峰值強(qiáng)度，這是因?yàn)槊芊鉅顟B(tài)試件包有一層薄膜密封袋，由于端面效應(yīng)影響，使其實(shí)測強(qiáng)度降低。

表2　常規(guī)三軸加載試驗(yàn)結(jié)果

3.2強(qiáng)度特性

為明確高壓水直接作用下井壁混凝土真實(shí)強(qiáng)度特性，現(xiàn)采用Richart[13]提出的單參數(shù)線性強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則、Newman[14]提出的雙參數(shù)非線性強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則以及Bresler[15]提出的三參數(shù)非線性強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則分別對上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析。

Richart提出采用混凝土單軸抗壓強(qiáng)度fc、峰值強(qiáng)度σ1以及圍壓σ3表示的強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，如下式所示：

σ1=fc+kσ3

(1)

上式中k值大小與混凝土強(qiáng)度等級有關(guān)，(1)式兩邊同除以fc進(jìn)行歸一化無量綱處理后，得到(2)式：

(2)

對不同狀態(tài)下不同強(qiáng)度等級混凝土常規(guī)三軸加載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，結(jié)果見表3和圖1。

表3　Richart單參數(shù)強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

由擬合結(jié)果可以可知，三種不同強(qiáng)度等級井壁混凝土均具有明顯的圍壓增強(qiáng)效應(yīng)，且隨著圍壓逐級增加，峰值強(qiáng)度得到顯著提高。由擬合曲線看出密封狀態(tài)試件比常規(guī)狀態(tài)試件峰值強(qiáng)度增長速度更快。采用Richart線性強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，擬合系數(shù)在0.849左右，說明擬合度較高，井壁混凝土在高壓水直接作用下強(qiáng)度特性可以用線性特征表示。由表3和圖1可知，Richart線性強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則對常規(guī)狀態(tài)試件擬合效果要優(yōu)于密封狀態(tài)試件，同時(shí)與中低強(qiáng)度等級混凝土相比線性擬合效果較差[7-9]，說明Richart線性強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則并非最適用于高強(qiáng)井壁混凝土。

圖1　 Richart線性擬合效果圖(a)C60;(b)C70;(c)C80Fig.1　Richart linear fitting effect(a)C60;(b)C70;(c)C80

Newman在隨后的研究中認(rèn)為圍壓σ3與峰值強(qiáng)度σ1呈非線性關(guān)系，并給出了帶有兩個(gè)參數(shù)的非線性表達(dá)式，如下所示：

(3)

上式中a，b均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

采用Newman提出的雙參數(shù)非線性表達(dá)式進(jìn)行擬合，結(jié)果見表4和圖2。

表4　Newman雙參數(shù)強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

圖2　 Newman雙參數(shù)非線性擬合效果圖(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提出采用八面體應(yīng)力計(jì)算理論中σoct和τoct表示的圓形偏截面三參數(shù)強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，如下所示：

(4)

上式中a、b、c是由擬合曲線確定的參數(shù)。

采用Bresler三參數(shù)非線性強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則進(jìn)行擬合，結(jié)果見表5和圖3。

表5　Bresler三參數(shù)強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

圖3　Bresler三參數(shù)非線性擬合效果曲線(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分別提出的兩種不同形式非線性強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則擬合結(jié)果，與Richart線性強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則擬合結(jié)果比較可知，高地下水壓作用下高強(qiáng)井壁混凝土峰值強(qiáng)度具有明顯的非線性發(fā)展趨勢，其中 Bresler三參數(shù)強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則更適合用于描述井壁混凝土在高壓水作用下峰值強(qiáng)度的非線性發(fā)展特征。因此，今后井壁混凝土進(jìn)行多軸強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)可采用Bresler強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，其擬合系數(shù)接近于1，精度極高。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他條件相同僅試件加載過程中加載液是否與試件直接接觸存在差異時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果明顯不同，當(dāng)加載液不與試件直接接觸即密封狀態(tài)試件，試驗(yàn)結(jié)果偏大，若以此進(jìn)行多軸強(qiáng)度驗(yàn)算則與井壁混凝土實(shí)際狀況不符，不利于井壁結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)。

4　結(jié)　論

(1)井壁混凝土具有明顯的圍壓增強(qiáng)效應(yīng)，由于其混凝土強(qiáng)度等級高，內(nèi)部微裂紋微孔洞少，故其圍壓增強(qiáng)效果與中低強(qiáng)度等級混凝土相比較弱，本次試驗(yàn)中C60井壁混凝土圍壓增強(qiáng)效應(yīng)最強(qiáng)，C80井壁混凝土圍壓增強(qiáng)效應(yīng)最弱；

(2)Richart單參數(shù)線性強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則雖然能夠描述井壁混凝土峰值強(qiáng)度與圍壓的線性關(guān)系，但與Newman和Bresler強(qiáng)度準(zhǔn)則相比擬合精度低，說明圍壓作用下井壁混凝土強(qiáng)度發(fā)展呈非線性特征，其中Bresler提出的三參數(shù)正八面體強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則更能精確反映混凝土峰值強(qiáng)度與圍壓的非線性關(guān)系，當(dāng)采用多軸應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行井壁混凝土驗(yàn)算時(shí)，可直接采用Bresler強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則；

(3)高壓水作用下常規(guī)狀態(tài)混凝土峰值強(qiáng)度普遍低于密封狀態(tài)混凝土峰值強(qiáng)度，當(dāng)采用規(guī)范給定的多軸應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)或由試件與加載液非直接接觸得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，則應(yīng)提供一個(gè)小于1的安全系數(shù)進(jìn)行修正，以確保井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)混凝土強(qiáng)度取值安全合理。

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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

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20133415110004)

薛維培 (1990-)，男，博士研究生.主要從事煤礦井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及筑壁材料方面研究.

TU528

A

1001-1625(2016)07-2254-05