深厚冲积层钢筋混凝土外层井壁结构模糊随机有限元可靠性及灵敏度分析

基于模糊随机有限元的基本原理及方法,对结构失效函数和材料本构关系作等效模糊化处理,设定输入输出模糊随机变量,建立钢筋混凝土外层井壁结构的模糊随机有限元分析模型。利用ANSYS数值计算外层井壁结构的模糊随机有限元可靠性,结果表明:由于综合考虑到各变量参数的不确定性,获得的模糊随机有限元可靠性相比常规的有限元可靠性总体偏低,其结果更能反映实际工况。此外,模糊随机有限元可靠性以区间值表征不同井段的可靠程度,较常规可靠性的定值表现方法更具工程针对性。模糊随机有限元灵敏度分析发现:影响外层井壁结构可靠性的重要因素依次是井壁冻结压力、混凝土抗压强度和厚径比。通过ANSYS灵敏度散点图可指明主要输入变量的变动对输出变量的影响程度以及变量需改动的大致区间范围。     

基于大数据挖掘的深土井壁极限承载力模糊随机模型

为有效抵御地下结构工程中复杂多变的外荷载,提升深土井筒支护的安全可靠性,运用两淮矿区深厚冲积层井壁为原型,按相似性原理浇筑钢筋混凝土井壁模型,进行了大量钢筋混凝土井壁模型的极限承载力试验,结果发现影响井壁极限承载力的主要因素有混凝土抗压强度、厚径比和配筋率。其中,混凝土抗压强度对井壁承载力影响较为明显,配筋率影响较弱,但各影响因素在深厚冲积层实际工程中又伴随着不同程度的不确定性。针对深厚冲积层井筒施工过程中极限承载力及其影响因素的模糊随机性,以大量井壁试验和两淮矿区的钢筋混凝土井筒工程参数作为大数据样本集,分析结构材料、几何参数和计算模式的不确定分布情况,得到混凝土抗压强度、厚径比和配筋率的模糊随机分布规律。采用最大期望算法(EM)优化传统的大数据HMM挖掘模型,分别经过E步骤计算极大似然估计值和M步骤计算参数期望估计,改进后模型经过两次模糊随机过程,相比原算法具有误差小、效率高和收敛快等优点,更能满足实际地下工程中的不确定特性。基于改进后的大数据挖掘HMM算法,综合大数据环境下的材料性能、几何参数和计算模式的模糊随机分布,建立大数据挖掘井壁极限承载力模糊随机模型,实例证明该模型更加可靠合理,更具有工程实用价值。     

深厚冲积层冻结井筒外层井壁结构可靠性分析

双层高强钢筋混凝土井壁是我国深厚表土层冻结法凿井中的主要支护结构,为了优化冻结井筒高强井壁可靠性设计,采用概率极限状态设计方法替代传统的容许应力设计法,以丁集矿副井外层井壁501 m层位为研究对象,用ANSYS有限元程序对深厚冲积层冻结井筒外层井壁结构的可靠性进行分析。结果表明:有限元模拟得出该层位外壁的可靠性指标为2.98,与JC法理论计算结果基本相符。外层井壁可靠性影响因素按重要程度依次为冻结压力、混凝土轴心抗压强度、厚径比和配筋率。     

深厚冲积层冻结井筒可靠性的模糊随机灵敏度分析模型

可靠性灵敏度分析对深部地下工程的施工安全至关重要.在模糊随机可靠性理论的基础上,将常规的灵敏度分析模型进行模糊随机优化,获得模糊随机可靠性灵敏度的均值和标准差的数值计算模型.根据深厚冲积层冻结井筒结构抗力和荷载的模糊随机分析,综合考虑各变量参数的不确定性,建立土层埋深、冻结温度、混凝土抗压强度、土体含水量、井筒厚径比、冻结壁厚度和配筋率对深厚冲积层钢筋混凝土井筒结构可靠性的模糊随机灵敏度分析模型.工程算例表明,优化后的模糊随机灵敏度以模糊区间值表示各参数对钢筋混凝土冻结井筒整体结构可靠性的影响程度,比传统灵敏度的定值表征方式更具有工程合理性.此外,通过对比各参数的模糊随机灵敏度数值计算结果可知,影响深厚冲积层钢筋混凝土井筒可靠性的主要因素,按重要程度依次是土层埋深、冻结温度、混凝土抗压强度、土体含水量、井筒厚径比、冻结壁厚度和配筋率.同时,模糊随机灵敏度分析还具有正负符号特征,说明在实际工程中土层埋深、混凝土抗压强度、土体含水量、井筒厚径比和配筋率与井筒可靠性呈同向变化关系,而冻结温度和冻结壁厚度与井筒可靠性则呈反向变化关系.     

深厚冲积层钢筋混凝土井壁结构参数灰色关联分析及模糊综合选优

针对淮南某矿区深厚冲积层钢筋混凝土井壁模型进行极限承载力试验,发现影响井壁极限承载力的主要因素为混凝土抗压强度、厚径比和配筋率。结合模糊数学理论改进传统的灰色关联分析法,修正关联系数及关联度,给出指标模糊权重的算法公式。在此基础上,以混凝土抗压强度、厚径比、配筋率和极限承载力4项参数为评价指标,采用改进后的灰色关联分析法对井壁模型进行模糊加权综合评判,按最终评价值得出模型优劣排序。     

深厚冲积层冻结法凿井井壁设计中冻结压力取值探讨

我国冻结法凿井井筒先后穿过500m、600m、700m冲积层,现有规范只有小于500m冲积层的冻结压力取值方法。冻结压力是外层井壁强度和厚度设计的主要计算荷载,研究确定大于500m冲积层冻结压力标准值取值,对外层井壁科学合理设计和井壁安全施工具有重要的理论和现实意义。文章基于国内对深厚冲积层冻结井冻结压力实测结果分析研究,提出大于500m深厚冲积层冻结井外层井壁设计中冻结压力标准值取值方法,可供外层井壁结构设计和施工参考。     

双层钢筋混凝土冻结井井壁结构可靠度分析

依据作用于冻结井井壁结构上荷载，以及井壁结构抗力的统计分析，利用极限状态方程，由“ＪＣ”法校准了冻结井井筒结构的可靠性指标，并分析了影响井壁结构可靠度的主要因素，参照《建筑结构设计统一标准》（ＧＢＪ６８－８４），给出了设计钢筋混凝土冻结井井壁结构设计的概率极限状态表达式。     

立井深厚冲积层冻结段外层井壁变径施工技术

深厚冲积层冻结段井筒变径施工,工序转换多,造成空帮时间长,容易片帮;同时变径交接处井壁竖向钢筋错位,承载力减弱,使得该处井壁极易出现环向裂缝等问题,甚至出现井壁脱落现象。赵固二矿西风井穿过的冲积层厚度704.6 m,冻结段井壁厚、变径次数多、混凝土强度等级高,深厚冲积层冻结段掘砌施工难度大,变径处井壁出现环向裂缝的几率增大。针对该井筒冻结段外层井壁5次大断面变径设计的技术要求和施工问题,对MJY型模板变径施工工艺及技术参数进行了改进和应用,实施了大模板二次变径施工工艺,提高了井壁变径交接处的承载能力和井壁施工质量,提高了变径施工速度,为深厚冲积层冻结段大断面变径施工积累了经验。     

我国煤矿冻结法凿井井壁应用大于C80高强高性能混凝土技术现状与展望

分析煤矿深厚冲积层冻结法凿井井壁应用大于C80高强高性能混凝土的必要性和冻结法凿井内外层井壁混凝土应用的严酷环境,介绍深厚冲积层冻结法凿井井壁高性能混凝土研究、应用现状与取得的重大创新性成果,指出当前设计和施工应用大于C80高强高性能混凝土存在的问题和对策。     

深厚冲积层冻结法C100高强高性能混凝土井壁结构设计

赵固一矿西风井井筒径净直径6.0m,井筒深度636.8m,穿过冲积层厚度502.51m,基岩风化段厚度28.69m。针对西风井穿冲积层厚、地质条件复杂的特点,为保证井筒施工的安全,设计井筒采用冻结法施工,冻结深度589m,冻结段井筒井壁采用双层钢筋混凝土塑料夹层复合井壁结构,内、外层井壁最大厚度分别为900mm、800mm。     

深厚表土层冻结井筒高强钢筋混凝土内壁设计优化与实测分析

针对深厚表土层冻结井筒内壁设计厚度较大问题,对高强钢筋混凝土内壁的受力机理、设计优化方法、现场实测结果进行了分析研究。首先,采用相似理论设计出模型井壁并进行加载试验,实测得到高强钢筋混凝土内壁的应力、变形和承载力,研究了该种井壁结构的受力机理,结果表明深厚表土层冻结井筒内壁属于深埋于地下的厚壁圆筒结构物,由于内表面的圆形结构特征,在侧向压力作用下,井壁结构中混凝土由外缘的三向受压过渡到内缘的二向受压应力状态,其混凝土抗压强度提高了1.592～1.765倍,井壁承载能力得到显著提高。建立了混凝土抗压强度提高系数试验值的计算公式,获得了高强钢筋混凝土内壁的应力特性和强度特征。然后,基于我国现行混凝土结构设计规范关于混凝土多轴强度验算要求,根据模型试验结果和内壁受力机理,提出了深厚表土层高强钢筋混凝土内壁设计优化方法,给出了混凝土抗压强度提高系数设计取值。并将设计优化方法应用于潘三煤矿新西风井冻结段内壁控制层位,井壁厚度由原设计的1 150 mm优化为900 mm,厚度减薄达21.74%。最后,通过潘三煤矿新西风井工程现场实测表明,优化设计后的井壁结构中环向钢筋应力值为-125.8～-136.9 MPa、竖向钢筋应力值为-39.5～-53.2 MPa,远小于钢筋强度设计值300 MPa,井壁中混凝土环向应变为-730×10~(-6)～-790×10~(-6)、竖向应变为-380×10~(-6)～-390×10~(-6),远小于C70混凝土的极限压应变值,说明设计优化后的井壁结构不但经济合理,而且安全可靠。     

约束混凝土结构在井筒支护中的研究与应用

约束混凝土井壁由于采用材料强度和弹性模量都高于钢筋混凝土的网板作为其内层结构,内外层产生良好的复合作用,使外层钢筋混凝土筒体在受力时,内表面产生径向约束压应力,从而提高井壁的整体承载能力,避免井壁因径向拉应变超过材料极限而发生破坏。模型试验和工程应用都证明了约束混凝土结构是一种理想一抗地层竖向附加力的井壁结构型式。     

充满配重水钻井井壁筒在泥浆中竖向结构稳定的理论研究

提出了被广泛采用的钻井法施工悬浮下沉井壁有其深度极限的概念, 分析了泥浆中钻井井壁底接触岩石后的受力状态,建立了固井前泥浆中充满配重水井壁的力学模型,该模型类似于液体中的有底管状细长压杆. 以能量法为基础,利用结构稳定理论和流体力学理论原理,推导了井壁结构轴向临界稳定高度的解析式,并给出了典型算例. 强调了工程设计中利用该公式的注意事项,提出了井壁深度超过屈曲极限后可以改变井壁结构或改变井壁下沉方法的建议. 最后,指出进一步研究这一问题的内容和方法.     

深厚含水基岩区立井外壁冻结压力的实测与分析

为明确我国西部深厚含水基岩区立井外壁的载荷,在鄂尔多斯市呼吉尔特矿区开展了基岩冻结压力的现场实测研究。结果表明：凿井期基岩冻结压力的变化规律可分为急剧增长、缓慢增长、快速增长、逐步减小4个阶段;基岩冻结压力主要受原岩富水条件、强度等因素的影响,与岩层埋深H关系不大;基岩冻结压力在混凝土浇注后的10~15 d即达到冻结压力最大值P max的76.4%~89.8%,建议采用7 d混凝土强度指标来保证外壁早期质量;基岩冻结压力在混凝土浇注后的80~100 d增长至最大值P max,P max实测值仅为1.08~1.74 MPa,远小于按岩层埋深H换算的静水压力值P 0,更远小于特厚冲积表土中的冻结压力上限值P ω。     

基于随机有限元理论的连拱隧道结构可靠性分析

应用基于神经网络的随机有限元方法, 把截面抗压强度条件视为承载能力的极限状态, 把截面受拉开裂条件视为正常使用的极限状态, 进行某高速公路连拱隧道衬砌结构可靠性分析, 得出了衬砌结构可靠度指标的分布规律和衬砌结构的概率破坏规律。按照抗压条件计算, 衬砌结构的最小可靠度指标位于拱墙的侧部, 而最大可靠度指标位于拱顶部位, 说明隧道衬砌结构的受压破坏容易发生在拱墙的侧部; 按照衬砌结构的抗裂条件计算, 衬砌结构的最小可靠度指标位于拱顶部位, 而最大可靠度指标位于拱墙的侧部, 说明隧道衬砌结构的受拉破坏容易从拱顶部位开始, 而拱墙侧部产生受拉开裂的可能性较小。     

论深厚表土层中确定地下结构物外载的基础理论——深土力学

基于深厚表土层中建井工程实践和模拟试验研究,分析深表土中井壁的外载、井壁与土的相互作用,探讨了深土与浅土之力学特性的区别,提出深土力学的概念、内容、框架,认为深土力学是土力学的一个生长点,是厚表土中确定地下结构物外载的基础理论．     

冻结壁融化期间井壁受力变形分析与壁间注浆机理

针对深厚冲积层冻结井筒早期壁间注浆封水效果不好的难题,通过实测数据分析和理论计算对深厚冲积层冻结井筒的冻结壁融化特性、井壁受力变形和壁间注浆机理进行了研究。通过对现场测温孔实测数据分析,得到了不同土层的融冻时间比;通过理论计算表明,在冻结壁完全融化后,外壁的外表面承受着水土压力、内表面作用有壁间水压,在此情况下,外壁内表面径向变形比单独冻结压力作用下的外壁变形要小的多,总体表现为向外反弹;而内壁在壁间水压作用下向内位移,由于内、外壁变形位移方向相反,壁间空隙形成,从而为注浆浆液扩散提供了通道。提出壁间注浆的最佳时机应在冻结壁完全融化、在压力水作用下壁间间隙已经形成、内壁还没有出水前。并给出了具体的壁间水压监测系统,实行了壁间注浆信息化。     

深厚表土层井壁温度竖向附加应力分析

深厚表土层竖井井壁破裂是严重危害煤矿生产的地质灾害。温度作用是导致井壁内竖向应力增大而诱发井壁破裂的一种重要因素。为了分析深厚表土层立井井壁因温度作用产生纵向膨胀对井壁受力状态的影响,在分析井壁与土体相互作用的基础上,根据热力学和弹性理论建立了井壁和土体剪切作用的弹塑性模型,推导了井壁温度竖向附加应力的计算公式。进一步分析表明：井壁内温度竖向附加应力随深度呈不断增大的趋势,并在基岩附近达到最大值;温度竖向附加应力随着弹塑性剪切段分界点的深度近似呈线性增加。这些结论有助于加深对深厚表土层井壁破裂机理的认识,并对井壁破裂预防治理具有理论指导作用。     

不均匀侧压力下预制钢筋混凝土井壁的结构设计与分析

在均匀侧压力作用下井壁截面内任意点都处于三向或多向受压状态,不会出现拉应力,而在不均匀侧压力下,井壁则会产生拉应力,以某矿风井累深121m井壁在不均匀侧压力作用的结构设计为例,介绍井壁的内力计算与分析。有限元分析结果表明:在井壁模型的0°边界外缘和90°边界内缘的混凝土环向应力最小,0°边界内缘和90°边界外缘的混凝土环向应力最大,需通过提高混凝土强度或者增加井壁厚度来满足工程施工和力学要求。