弹性模量环向梯度变化的功能梯度井壁结构及施工方法技术

本发明专利技术公开了一种弹性模量环向呈梯度变化的功能梯度井壁结构及施工方法，该井壁结构沿环向分为8个区域，为中心对称结构。每一区域内配置同一种混凝土材料，在弯矩和变形较大的区域配置较大的弹性模量，在弯矩和变形较小的区域配置较小的弹性模量；各区域的混凝土材料为普通混凝土，不同区域之间直接接触连接，整个功能梯度井壁的弹性模量沿环向呈梯度变化。功能梯度井壁通过改变弹性模量使环向不同位置的材料强度不同，从而最大限度地利用混凝土强度，节省材料成本，在保证结构安全的前提下，降低井壁结构部分区域的弹性模量，提高结构的经济性。经济性。经济性。

【技术实现步骤摘要】
弹性模量环向梯度变化的功能梯度井壁结构及施工方法


[0001]本专利技术涉及一种井壁结构，尤其是一种适用于深部不均匀围压的弹性模量环向梯度变化的功能梯度井壁结构。

技术介绍

[0002]随着浅部矿产资源开采的日益枯竭，国内外矿山开采均朝着深部化和大型化方向发展，矿产资源开采已逐步进入1000～2000m的深水平。大规模的矿藏开发与深地战略的稳步实施带来了大量的深部工程建设，但是深部地层具有高地应力、高渗透水压和围压的不均匀性等特殊工程地质条件，因此对于井壁支护结构的要求也越来越高。
[0003]为了提高衬砌结构的承载特性，通常采用两种方法：一是提高材料强度，二是增大衬砌厚度。随着埋深的增大，为了提高承载特性，传统井壁需要整体提高衬砌的厚度和材料强度，但对于圆形井筒，在承受均匀围压时，其沿着径向的受力特性不同；在承受不均匀围压时，其沿着径向和环向的受力特性都显示出较大差异。因此传统井壁势必会带来巨大的浪费，尤其是在高压环境下。
[0004]目前，在功能梯度立井井壁或衬砌的研究中，主要是针对均匀围压条件下的功能梯度立井井壁力学特性研究，另外，还有非均匀围压条件下的功能梯度衬砌的耐久性研究，但对非均匀围压条件下的功能梯度立井井壁力学特性研究还未见报道。专利号为CN202010181862.4公开的“一种功能梯度混凝土复合井壁及制作方法”、专利号为CN200610124482.7公开的“一种利用FRP筋强化盾构管片的功能梯度材料界面的工艺”、专利号为CN200610019657.8 公开的“盾构隧道混凝土管片的功能梯度材料界面强化工艺”以及专利号为CN200610019656.3 公开的“一种功能梯度盾构管片及其制备方法”。此类结构都可以提高均匀围压条件下的功能梯度结构承载特性和非均匀围压条件下的功能梯度结构耐久性，但无法使处在非均匀围压条件下的立井井壁充分利用其各部位的材料强度。

技术实现思路

[0005]技术问题：本专利技术的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种结构合理、降低成本、在非均匀围压条件下的弹性模量环向梯度变化的功能梯度井壁结构及施工方法。
[0006]技术方案：本专利技术的.一种弹性模量环向梯度变化的功能梯度井壁结构，所述的功能梯度井壁结构沿环向分为中心对称的8个区域，每一区域内配置一种混凝土材料，在弯矩和变形较大的区域配置弹性模量较大的混凝土，在弯矩和变形较小的区域配置弹性模量较小的混凝土；各区域之间接触连接，整个功能梯度井壁的弹性模量沿环向呈梯度变化。
[0007]所述功能梯度井壁结构沿环向分为中心对称的8个区域大小相同，每个区域都为45
°
的扇形结构。
[0008]所述每一区域内配置一种混凝土材料的弹性模量为36Gpa~38Gpa，根据相同埋深条件下均质井筒的弹性模量设计值确定。
[0009]所述弯矩和变形较小的区域的混凝土弹性模量为弯矩和变形较大的区域混凝土
的弹性模量的0.9倍，当弯矩和变形较大的区域配置较大的弹性模量为38Gpa，对应标号为C80的混凝土，则所述弯矩和变形较小的区域（2）配置较小的弹性模量为34.5Gpa，对应标号为C50的混凝土。
[0010]所述每一区域内配置一种混凝土材料均为普通混凝土材料，每一区域的混凝土材料根据设计要求，分别确定所需的混凝土标号，并依据《普通混凝土配合比设计规程》，确定混凝土配合比。
[0011]上述的弹性模量环向梯度变化的功能梯度井壁结构的施工方法，包括如下步骤：第一步、根据强度设计要求，确定弯矩和变形较大的区域和变形较小的区域所需的混凝土标号，在弯矩和变形较大的区域配置弹性模量较大的混凝土，在弯矩和变形较小的区域配置弹性模量较小的混凝土，当弯矩和变形较大的区域配置C80混凝土时，变形较小的区域配置C50混凝土；当弯矩和变形较大的区域配置C70混凝土时，变形较小的区域配置C45混凝土；当弯矩和变形较大的区域（1）配置C60混凝土时，变形较小的区域配置C40混凝土；第二步、在功能梯度井壁结构最外层位置处搭设外侧钢模板，在功能梯度井壁最内层位置处搭设内侧钢模板，并在内外模板接触结构的一侧涂抹润滑剂；第三步、用隔板将功能梯度井壁结构分隔为中心对称的8个区域，每个区域呈扇形结构，各扇形结构之间的每个隔板两侧均涂抹有润滑剂；第四步、根据第一步确定的变形较大的区域和变形较小的区域的混凝土配合比，将所需的混凝土通过场拌的方式混合备用；第五步、向隔板之间分层分段浇筑变形较大的区域和变形较小的区域对应的混凝土至设计高度，并充分振捣，使骨料分布均匀；第六步、在混凝土初凝之前，使用提拉器械，竖直抽出扇形结构之间的隔板，使隔板两侧的混凝土直接接触连接；第七步、根据混凝土结构的养护要求，对浇筑好的功能梯度井壁结构进行养护，待结构强度达到设计要求时，将模板拆除。
[0012]有益效果：由于采用了上述技术方案，本专利技术的功能梯度井壁通过改变弹性模量使环向不同位置的材料强度不同，弯矩和变形较大的区域配置较大的弹性模量，在弯矩和变形较小的区域配置较小的弹性模量，通过改变弹性模量使环向不同位置的材料强度不同，从而最大限度地利用混凝土强度，节省材料成本，在保证结构安全的前提下，降低井壁结构部分区域的弹性模量，提高结构的经济性。其结构分布合理，操作方便，使用效果好，在本
内具有广泛的实用性。
附图说明
[0013]图1为本专利技术的功能梯度井壁结构截面示意图；图2为本专利技术的功能梯度井壁结构纵向剖视图；图3为本专利技术的功能梯度井壁结构截面受力载荷示意图。
[0014]图中：1-弹性模量较大的混凝土；2-弹性模量较小的混凝土；3-隔板；P
0-围压；λP
0-围压不均匀系数。
具体实施方式
[0015]下面结合附图中的实施例对本专利技术作进一步的说明：如图1-3所述，本专利技术的一种弹性模量环向梯度变化的功能梯度井壁结构，沿环向分为中心对称的8个区域，所述功能梯度井壁结构沿环向分为中心对称的8个区域大小相同，每个区域都为45
°
的扇形结构。每一区域内配置一种混凝土材料，每一区域内配置一种混凝土材料的弹性模量为36Gpa~38Gpa，按围压P0和围压不均匀系数λP0，根据相同埋深条件下均质井筒的弹性模量设计值确定。在弯矩和变形较大的区域1配置弹性模量较大的混凝土，在弯矩和变形较小的区域2配置弹性模量较小的混凝土；所述弯矩和变形较小的区域2的混凝土弹性模量为弯矩和变形较大的区域1混凝土的弹性模量的0.9倍，当弯矩和变形较大的区域1配置较大的弹性模量为38Gpa，对应标号为C80的混凝土，则所述弯矩和变形较小的区域2配置较小的弹性模量为34.5Gpa，对应标号为C50的混凝土。各区域之间接触连接，整个功能梯度井壁的弹性模量沿环向呈梯度变化。所述每一区域内配置一种混凝土材料均为普通混凝土材料，每一区域的混凝土材料根据设计要求，分别确定所需的混凝土标号，并依据《普通混凝土配合比设计规程》，确定混凝土配合比。
[0016]弯矩和变形较大的区域1和变形较小的区域2混本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种弹性模量环向梯度变化的功能梯度井壁结构，其特征在于：所述的功能梯度井壁结构沿环向分为中心对称的8个区域，每一区域内配置一种混凝土材料，在弯矩和变形较大的区域(1)配置弹性模量较大的混凝土，在弯矩和变形较小的区域(2)配置弹性模量较小的混凝土；各区域之间接触连接，整个功能梯度井壁的弹性模量沿环向呈梯度变化。2.根据权利要求1所述的弹性模量环向梯度变化的功能梯度井壁结构，其特征在于：所述功能梯度井壁结构沿环向分为中心对称的8个区域大小相同，每个区域都为45
°
的扇形结构。3.根据权利要求1所述的弹性模量环向梯度变化的功能梯度井壁结构，其特征在于：所述每一区域内配置一种混凝土材料的弹性模量为36Gpa～38Gpa，根据相同埋深条件下均质井筒的弹性模量设计值确定。4.根据权利要求1所述的弹性模量环向梯度变化的功能梯度井壁结构，其特征在于：所述弯矩和变形较小的区域(2)的混凝土弹性模量为弯矩和变形较大的区域(1)混凝土的弹性模量的0.9倍，当弯矩和变形较大的区域(1)配置较大的弹性模量为38Gpa，对应标号为C80的混凝土，则所述弯矩和变形较小的区域(2)配置较小的弹性模量为34.5Gpa，对应标号为C50的混凝土。5.根据权利要求1所述的弹性模量环向梯度变化的功能梯度井壁结构，其特征在于：所述每一区域内配置一种混凝土材料均为普通混凝土材料，每一区域的混凝土材料根据设计要求，分别确定所需的混凝土标号，并依据《普通混凝土配合比设计规程》，确定混凝土配合比...

【专利技术属性】
技术研发人员：李德春，张通通，崔振东，许冲，杨杰，宋刚，杨金宏，陈金明，徐香庆，张照伟，
申请(专利权)人：中国矿业大学中煤天津设计工程有限责任公司，
类型：发明
国别省市：