專利名稱：雙層鋼板高強高性能混凝土復合井壁設計計算新方法
技術領域：
本發明屬于一種井壁設計計算方法，具體是一種雙層鋼板高強高性能混凝土 復合井壁設計計算方法。
背景技術：
目前，國內、外對雙層鋼板高強混凝土復合井壁設計主要采用彈性組合筒法 和哈.林克法。
彈性組合筒法假定鋼板、中間混凝土層皆為彈性體，把復合井壁視為彈性組 合筒，且內、外鋼板筒為簿壁筒，中間混凝土層為厚壁筒，公式推導是先用簿、 厚壁筒變位公式以及各層間接觸面變形協調條件求出各層間壓力，然后按單一 薄、厚壁筒應力計算公式求出各分層截面應力，最后用允許應力法設計復合井壁。
哈.林克法利用符合平面假定的環形結構，按材料力學的方法求出井壁截面 上的內力，考慮了井壁截面內正應力分布的不均勻性，即截面上的彎矩也與均布 荷載有關，在由內力求應力時，認為井壁截面內外、緣的工作條件相同，假定截 面上各層應力的大小正比于各層材料彈性模量的比值，并將復合井壁按鋼板和混 凝土的彈模比換算成一種等效材料的井壁后，求出井壁截面上的各應力，最后用 允許應力法設計復合井壁。
由此可見，這二種方法都采用彈性力學理論求出井壁截面上的各應力，然后 采用混凝土單軸抗壓強度設計值進行強度核校，而沒有考慮雙層鋼板高強混凝土 復合井壁結構中混凝土由于處于完全三軸受壓應力狀態下抗壓強度得到較大程 度地提高。
發明內容
本發明的目的是提供一種雙層鋼板高強高性能混凝土復合井壁設計計算方 法，較現有的彈性組合筒法、哈.林克法相比，計算準確度有較大提高，設計的 井壁結構能反映其真實可靠度。
本發明的技術方案如下-雙層鋼板高強高性能混凝土復合井壁設計計算新方法，其特征在于首先根據井
筒工程地質條件采用經驗類比法確定井壁結構的基本參數，然后通過彈性組合筒公式求出井壁內緣混凝土的主應力值，再根據井壁模型試驗結果和《混凝土結構 設計規范》中混凝土多軸強度有關規定引入混凝土抗壓強度提高系數m，最后根 據下式進行井壁結構強度校核
雙層鋼板高強混凝土復合井壁4一2.cx皿^
式中M為結構重要性系數，取為l.l; ^為荷載分項系數，取為1.35; CTmax
為井壁結構中混凝土主應力絕對值的最大值；A為混凝土單軸抗壓強度設計值；
通過上述過程多次計算，最后得到優化的井壁參數設計值。 本發明方法提出基礎
(1) 、井壁混凝土抗壓強度提高系數試驗值 根據大量井壁模型破壞試驗的極限承載力，采用極限平衡法可求得井壁結構
破壞時截面砼平均最大環向應力，將其值與混凝土軸心抗壓強度之比，稱為混凝
土抗壓強度提高系數，通常平均值為1.4 2.3。
(2) 、《混凝土結構設計規范》(GB50010-2002)有關規定 《混凝土結構設計規范》(GB50010-2002)第5. 2. 8條規定非桿系的二維
或三維結構可采用彈性理論分析、有限元分析或試驗方法確定其彈性應力分布，
根據主拉應力圖形的面積確定所需的配筋量和布置，并按多軸應力狀態驗算混凝
土的強度。混凝土的多軸強度和破壞準則可按附錄C的規定計算。
C.3.3在三軸受壓(壓一壓一壓)應力狀態下，混凝土的抗壓強度(/3)
可根據應力比^/(73按附圖l插值確定，其最高強度值不宜超過5//。
雙層鋼板高強混凝土復合鉆井井壁結構由于內、外鋼板筒的約束作用，中間 混凝土層完全處于三軸受壓應力狀態，混凝土的抗壓強度將得到較大程度地提 高，采用本發明方法設計的井壁結構能反映其真實可靠度。
通過實例計算表明，采用本發明方法設計的井壁結構不但安全可靠，而且還 可大大降低井壁混凝土的設計強度等級或減薄井壁厚度，解決了特厚表土層鉆井 井壁結構的設計和施工技術難題。目前，本發明方法己成功地應用于工程實際的 井壁結構設計中。
圖1為混凝土的三軸抗壓強度提高系數。
具體實施例方式
雙層鋼板高強混凝土復合鉆井井壁結構設計計算采用試算法，即首先根據經 驗類比法確定井壁的基本參數，然后采用彈性力學三層組合筒法求出內緣混凝土
的主應力值，得到主應力比(^/<73)，再查圖1得到雙層鋼板高強混凝土復合井 壁結構中的混凝土抗壓強度提高系數，最后根據下式進行井壁混凝土強度校核。
夂孑2"賺《附., (2) 式中^為結構重要性系數，取為l.l; ^為荷載分項系數，取為1.35;",為
井壁結構中混凝土主應力絕對值的最大值；^為混凝土單軸抗壓強度設計值。
通過上述過程反復計算，最后得到優化的井壁參數設計值。 計算舉例
某礦主井是目前國內、外鉆井法施工最為深、大的井筒。該井設計凈直徑
6.2m，穿過表土層厚584.1m;采用雙層鋼板高強混凝土復合井壁結構，現初選
控制荷載段井壁厚度850mm、 C70混凝土 (其單軸抗壓強度設計值為31. 8MPa)、
內外層鋼板厚度分別為30mm和25mm。
井壁承受側壓力為P=0. 012H=0. 012X584. 1=7. OMPa。 采用彈性組合筒公式，可求得層間力P^6.237MPa; P21=l. 241MPa;
混凝土層內緣環向應力 _=-28. 68MPa;
則o^-L 241MPa， cr3=-28. 68MPa，
按平面應變狀態考慮
o"2 = 0.2 x (-1.241 - 28.68) = -5.98 ;
若考慮地層沉降，采用豎向可縮性井壁結構，控制豎向應力為1.5倍自重應力， 則
cr- = 一0惡x 584.1 x 1.5 = -22.78M尸fl！ cr2 / o"3 = 0,209 ~ 0.794， / cr3 = 0.0433
根據上面的應力比，查圖1可得井壁內緣混凝土抗壓強度提高系數為 m=1.373。混凝土層外緣環向應力 max =_23. 69MPa;
則q =-6. 237MPa， a3 =-23. 69MPa，
若考慮1.5倍自重應力
(72 =-0.026x584.lxl.5 = -22.78 MPa
<72/<73 =0.961， /cr3 =0.263
根據上面的應力比，查圖1可得井壁外緣混凝土抗壓強度提高系數為 m=4.186。
通過以上計算可知，井壁結構中內、外緣混凝土抗壓強度提高系數分別為 1. 373和4. 186。這對深厚表土層鉆井井壁的設計和施工具有十分重要的意義。
由于雙層鋼板高強混凝土復合鉆井并壁的內緣為危險截面，為此下面采用式 (2)對井壁混凝土強度進行校核。 & 'cr隱=1.1x1.35x28.68 = 42.59 MPa
5 w-/c =1.373x31.8 = 43.66 MPa
通過驗算，強度滿足要求。
如不采用本文提出的設計新方法進行計算，而仍采用H.林克法和彈性組合 筒法來設計該主井(即不考慮上式右邊的混凝土抗壓強度提高系數1.373)，根 據井壁承載力設計要求，在不增加井壁厚度的情況下，則井壁混凝土的單軸抗壓 強度設計值應為
/c 2 1.1 x 1.35 x 28.68 = 42.59 MPa
通過對混凝土抗壓強度設計值外延推算表明，井壁設計至少應采用cioo等
級的超高強混凝土，其抗壓強度設計值為43. 2MPa。如此高強度等級的混凝土， 在目前現場施工技術水平和原材料供應條件下是難以施工的。
為此，如仍然采用目前現場可以施工的C70混凝土，只有通過加大井壁厚度 來滿足承載力要求，則井壁中內緣混凝土的最大環向應力為 °max《/c"j =31.8/1.1x1.35 = 21.414 MPa
通過試算可知，在保持內、外鋼板厚度不變的情況下，井壁的最小厚度應為 畫隱，此時井壁中內緣混凝土的環向應力為21.278MPa，小于21.41德Pa，滿足強度要求。但由計算結果可見，井壁厚度太大，遠超過鉆井井壁的有效厚度， 強度效能太低，不宜采用鉆井法鑿井。
由此可見，在特厚表土層的雙層鋼板高強混凝土復合鉆井井壁結構設計中， 采用本專利提出的設計計算新方法不但符合相關規定、井壁安全可靠，而且還可 大大降低混凝土的設計強度等級或減薄井壁厚度，確保設計的深厚表土層鉆井井 壁在有效厚度范圍內，解決了 500 800m特厚表土層鉆井井壁的設計技術難題， 具有顯著的社會經濟效益。
權利要求
1、雙層鋼板高強高性能混凝土復合井壁設計計算新方法，其特征在于首先根據井筒工程地質條件采用經驗類比法確定井壁結構的基本參數，然后通過彈性組合筒公式求出井壁內緣混凝土的主應力值，再根據井壁模型試驗結果和《混凝土結構設計規范》中混凝土多軸強度有關規定引入混凝土抗壓強度提高系數m，最后根據下式進行井壁結構強度校核雙層鋼板高強混凝土復合井壁k1·k2·σmax≤m·fc式中k1為結構重要性系數，取為1.1；k2為荷載分項系數，取為1.35；σmax為井壁結構中混凝土主應力絕對值的最大值；fc為混凝土單軸抗壓強度設計值；通過上述過程多次計算，最后得到優化的井壁參數設計值。
全文摘要
本發明公開了一種雙層鋼板高強高性能混凝土復合井壁設計計算方法，首先根據經驗類比法確定井壁的基本參數，然后采用彈性組合筒公式求出內緣混凝土的主應力值，引入混凝土抗壓強度提高系數m，最后根據下式進行井壁結構強度校核k<sub>1</sub>·k<sub>2</sub>·σ<sub>max</sub>≤m·f<sub>c</sub>，式中k<sub>1</sub>為結構重要性系數，取為1.1；k<sub>2</sub>為荷載分項系數，取為1.35；σ<sub>max</sub>為井壁結構中混凝土主應力絕對值的最大值；f<sub>c</sub>為混凝土單軸抗壓強度設計值。通過實例計算表明，采用這一新方法設計的井壁結構不但安全可靠，而且還可大大降低井壁混凝土的設計強度等級或減薄井壁厚度，解決了特厚表土層鉆井井壁結構的設計和施工技術難題。目前，該方法已成功地應用于工程實際的井壁結構設計中。
文檔編號E21D5/11GK101436217SQ20081015682
公開日2009年5月20日 申請日期2008年9月26日 優先權日2008年9月26日
發明者姚直書, 宋海清, 王曉健, 樺 程, 榮傳新, 蔡海兵 申請人:安徽理工大學