基于空间弹塑性理论的止浆垫设计与计算方法的研究

摘要：基于止浆垫厚度的传统计算公式结果偏大，尤其是注浆压力较大时，计算结果失真这样一个情况，本文提出一个基于弹塑性理论的分析模型，将止浆垫简化成外部受均匀压力作用的球壳，进而推导出新的止浆垫厚度计算公式，这种公式的结果和经验数据很好拟合，值得在工程实践中借鉴。

关键词：止浆垫 弹塑性 曲线拟合

1 止浆垫的设计

1.1 止浆垫的类型选择

采用井筒工作面注浆时，为了防止涌水现象及注浆过程中最大能力和效率的将注浆体注入到岩层中去，我国采取了很多措施，例如锚杆注浆填塞裂隙法、充气式止浆环法等等，这些方法因施工方式组织方式和自然地理条件而异。在井筒底部或者侧壁预注浆时，本文给出的是整体式预注混凝土材料，这种材料作为止浆垫的选择有着施工方便、速度快、整体性好、强度高、封水止浆效果良好效果。

1.2 弹塑性球壳理论在止浆垫设计中的应用

止浆垫是工作面预注浆法中重要的结构物，其作用是封闭含水层涌水，安装注浆导向管和保证最大注浆压力时，浆液不致翻入井内。

按上式计算止浆垫厚度明显偏大，尤其是注浆压力较大时，计算结果无法采用。而在压力逐渐增加的时候，这种计算方法偏离安全。而在实践过程中，经验公式还比较匮乏，所以本文将止浆垫力学处理为空间模型，即简化成外部受均匀压力作用的壳体结构，利用弹塑性空间止浆垫的作用范围，将二维力处理成空间力学分析，进而推导出新的止浆垫厚度计算公式。

1.2.1 力学模型的建立条件

①将混凝土止浆垫看成是均质的连续介质。

②将止浆垫划分成两个区域，内侧为塑性区，外侧为弹性区（图1-1）。

③塑性区的屈服条件采用屈雷斯加条件，即：

1.2.2 混凝土止浆垫厚度计算公式

1.2.2.1 基本方程

2 算例及分析

某立井井筒净径为6m，j井壁施工采用现浇混凝土，壁厚为400mm。当井筒施工欲穿过含水裂隙岩层时，采用工作面预注浆法。注浆前，先修筑混凝土止浆垫，取止浆垫σs=10Mpa，下面分别按式（1-1）、式（1-14）和式（1-25）计算在不同最大注浆压力Pb下所需的混凝土止浆垫厚度，并与经验值作比较，如表1所示。

从计算结果看出，公式（1-25）与经验数据能够较好吻合，施工时选用是安全可行的。

3 结论

3.1 在注浆操作过程中，按照最大注浆压力确定止浆垫尺寸，允许部分止浆垫保留在弹性区域，部分进入塑性区域。

3.2 将止浆垫简化为球壳，作为空间问题处理是完全可行的，根据弹塑性理论，并经曲线拟合，最终导出止浆垫厚度计算公式（1-25）。并与经验数据能很好吻合。

3.3 在应用上式时，最重要的是选择σs建议采用3～7天混凝土单轴抗压强度。

参考文献：

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