沉井地壓探究論文

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摘要：分析探討沉井在表土中下沉時所引起的受力現象及其相關的論點，發現沉井在正常下沉過程中，不僅僅會受到豎井表土地壓的作用，更主要是沉井的前端（刃腳）受到被動土壓力的作用。

關鍵詞：沉井；地壓；主動土壓力；被動土壓力

引言

巖石力學認為：所謂地壓是泛指在巖體中存在的力，它既包含原巖對圍巖的作用力，圍巖間的相互作用力，又包含圍巖對支架的作用力。當圍巖的次生應力不超過其彈性極限時，地壓可全部由圍巖來承擔，井巷可不加支護在一定時期內維持穩定；當次生應力超過圍巖強度極限時，為保持井巷穩定，必須架設支架，這時，地壓是由圍巖和支架共同承受。為此，把圍巖因變形移動和冒落巖塊作用在支架上的壓力稱為狹義地壓；而將巖體內部原巖作用于圍巖和支架上的壓力稱為廣義地壓。就地下工程而言，主要研究狹義地壓。

若在豎井（垂直巷道）中，由于井幫發生破壞，使井筒（支架）受壓，這種巖土壓力和水壓（有水時）所形成的壓力，即為豎井地壓。

1、豎井地壓

1.1豎井散體（松動）地壓的計算

當豎井在表土層或豎井井幫巖石破碎時，井筒井壁周圍將產生散體（松動）地壓，對于該地壓的計算公式有多個，目前“豎井設計中散體（松動）地壓的計算廣泛使用平面擋土墻公式和圓錐擋土墻計算法”［1］。

平面擋土墻計算法的實質是把表土或破碎的圍巖視作無凝聚力的松散體，將井壁視為平面擋土墻，作用在井筒井壁上的地壓為主動土壓力。

圓錐擋土墻計算法中，豎井井壁是個圓柱面，當土體（或破碎巖體）向內滑移時，井壁周圍巖土體形成空心圓錐體，按空間軸對稱問題求得計算公式。

它們的計算假設和依據都是基于：

1.在討論豎井圍巖的應力分布時，把井筒看作是一個半無限體的垂直孔。

2.豎井井筒（支架）是固定直立，不會移動的受力體。

3.按狹義地壓的定義，把圍巖因變形移動或冒落作用于支架上的壓力，來計算豎井散體（松動）地壓。

1.2平面擋土墻計算法的由來

1.2.1普氏計算法［6］

普洛托吉雅可洛夫（M.M.Протодьяконов）用堅固性系數f來代表巖石的性質，也即用似內摩擦系數tgΦ來代表。井壁壓力就是極限平衡狀態的側壓力，巖（土）體自重為γz（z為計算深度），側壓系數為，井壁壓力為P.但當井筒深入巖層，硬巖和軟巖中井壁壓力有明顯差別，從而產生了秦氏計算法。

1.2.2秦氏計算法

秦巴列維奇（П。М。Цимбаревич）的基本觀點與普氏相同，只是不用加權平均的堅固性系數，而是分層計算。秦氏提出計算豎井（垂直巷道）的地壓公式是：“垂直巷道內的支架，即可看作一種承受著圍巖方面的主動壓力的擋土墻，這種假想并不是十分嚴格的，而只是一種可以提供近似結果的假設”。同時，視土為松散介質，而不考慮粘結力：“而且假定在巖層與支架材料之間沒有摩擦才能有效”［2］。

由于秦氏計算式在設計計算中被廣泛使用至今，因而，人們長期都認為豎井井壁（包括沉井）所受的力，就是這種“承受著圍巖（土）方面的主動壓力”的地壓，而不存在其他力的作用。

2、擋土墻與土壓力簡介

2.1土壓力的種類

根據擋土墻位移的情況，產生三種不同的土壓力，

（1）擋土墻固定不動，作用在擋土墻上的土壓力稱為靜止土壓力P0.

（2）松散介質（土）對于擋土墻的推力而產生的主動土壓力Pa.

（3）松散介質（土）受到擋土墻的抗力而產生的被動土壓力Pp.

2.2主動土壓力與被動土壓力

著名的朗肯土壓力理論一般情況的適用條件為：（1）擋土墻墻背垂直；（2）墻后填土表面水平；（3）擋土墻背光滑，沒有摩擦力因而沒有剪應力，即墻背為主應面。

2.2.1主動土壓力與被動土壓力的計算

（1）在半無限彈性土體中，深度Z處取一微元體，土的容重為γ，則微元頂面應力為σz，σz=γZ；σx為側面應力［圖2（a）］，此時應力狀態可用

（2）主動土壓力：假設土體在水平方向均勻拉伸膨脹，則σz不變，σx逐漸減小，直至極限平衡狀態為止，如圖2的（c）和（b）中的摩爾園Ⅱ，此時Ⅱ與抗剪強度曲線相切于T1點。可求出無粘性土時（粘性土時，略）的主動土壓力：

Pa=KaγZ

式中：Pa為主動土壓力；γZ為土的自重；Ka為主動土壓力參數，Ka=tg2[（45°-Φ）/2]；Φ為土的內摩擦角。

（3）被動土壓力：若土體在水平方向壓縮，則σz不變，σx不斷增大并超過σz，一直到達被動極限平衡狀態為止。如圖2（d）和（b）中的摩爾園Ⅲ所示，此時Ⅲ與抗剪強度曲線相切于T2點。可求出無粘性土時（粘性土時，略）的被動土壓力：

Pp=KpγZ

式中：Pp為被動土壓力；γZ與（5）式同；Kp為被動土壓力系數，Kp=tg2[（45°-Φ）/2].

（4）在豎井表土地壓中，是否只有主動土壓力的作用？有沒有被動土壓力的存在和作用？這就是本文所要探討的關鍵問題。

3、沉井受力簡析

3.1沉井法概況

沉井法是在不穩定含水表土層中，開鑿井筒的特殊施工方法之一。1839年法國沙龍尼（Saloney）煤田首次使用沉井法以來，在歐洲已使用于地下工程中有1500多個［4］。1966年日本竣工的日鐵有明3號立井，沉深達200.3m為世界之最。我國煤炭工業使用沉井法已建成100多個井筒，其中山東單家村煤礦下沉到192.75m深度［5］。沉井法工藝較簡單，設備較少，勞動強度輕，在我國煤炭表土建井中曾有較大發展，在橋梁交通、地鐵、建筑等行業中，也得到應用。

3.2沉井受力與下沉條件

沉井一般是靠井筒自重Q，克服土壤的正面阻力Rs，側面阻力Tf，井筒水的浮力B而下沉。Q是沉井的主動力；Rs是土給刃腳斜面的反力，若及時出土，Rs即可消失。B等于井壁所排開同體積水重，若采用淹水沉井，雖有阻力作用，但它保持了井內外壓力平衡，對沉井有利。Tf是井筒外壁所受土的阻力（包括井筒前端的刃腳），是下沉的一個重要因素。因此，加大自重Q，減少Tf是沉井的關鍵。由于自重是人為的可控因素，應著重研究的是側面阻力Tf.3.3沉井側面阻力的側壓力

3.3.1我國學者（包括有關的高校教材）對沉井側阻所提出的看法，主要論點可歸結為：

（1）下沉的沉井井壁與土壤直接發生摩擦，也有認為是沉井井壁與土壤間發生滑動。

（2）沉井井壁所受的側壓是豎井表土地壓（散體地壓）。

這些看法可能是由于受原蘇聯學者的影響所致，例如П。М。秦巴列維奇在他的著作《礦井支護》中提到：沉下式“支架所受的影響是它本身的重量，巖層及水的側壓以及支架基礎所生反作用力，當支架底部巖石一旦挖出，其底部的反作用力即消失，支架可由本身自重而下沉，支架外表的摩擦力逐漸增加，無論支架處于哪一種位置，摩擦力大小都決定于側壓力的大小，巖石與支架外表之間的摩擦系數，以及支架外部表面的大小，即側阻值等于側壓與表面積摩擦系數之積”［2］。

此處的側壓是什么力，秦氏未明確指出。然而人們卻用豎井表土地壓作為沉井側壓力，并用秦氏公式來計算它，顯然與秦氏平面擋土墻公式的理論不符。因為該公式是在“假定在巖層與支架材料之間沒有摩擦才能有效”［2］。

3.3.2沉井井壁與土層間發生了什么？從沉井施工現場，可觀察到以下現象：

（1）在徐州拾屯沉井施工時，為了糾偏，進行壁外“大揭蓋”，發現與沉井壁相隔0.2-0.3m的爐渣層（壁外充填料）的土層，有一比同一標高土層顏色較深，結構較密實的環狀土層。在距地表下3m（井西南方），距井壁外0.7m與4.0m處取同層土樣，測得干容重分別為：在0.7m處，γd=16.4kN/立方米；在4.0m處，γd=15.3kN/立方米.γd常見值為13-20kN/立方米，γd越大，土體越密實，說明靠近井壁的土層被壓密實了。

（2）徐州地區進行料石沉井壁后注漿時，都比較費勁，幾乎每個沉井井壁外都要搗1-3m的硬土層才能進行。例如東城礦主井筒（沉井），穿過的硬土層為2-3m.

（3）在沉井壁中放置的放水管，經常放不出水。例如拾屯主井從地表下沉到31m深，放水管從未流出過水，工人用2m長的鋼釬捅和用錘擊釬子，發覺壁外有一硬層難以通過。又如馬莊主井，沉井井壁安置放水管伸出壁外較短，放不出水來，但聽見有水的響聲。

（4）拾屯主井下沉到30多米時，下沉幾乎停止，刃腳部份完全露出（即Rs=0，B=0）。伸手摸刃腳外壁，有一層200-400mm厚，粘著緊密且含水少，很難尅出的土層。通過計算，此時沉井自重大大的超過側面阻力（表土地壓為側壓力），該現象無法解釋。

（5）在各種沉井正常下沉時，均可在井壁與土層間進行充填，如用爐碴、泥漿、壓氣等物充填；表明刃腳與井壁（內縮）形成的臺階（約0.3m寬）空間，圍繞井筒而存在。否則，壁后充填都將無法進行。

以上各種事實表明，沉井井壁外有一層被壓密的土層存在，并形成一個圍繞沉井壁而豎立的“壓密殼”體。因此，在正常下沉情況下，井壁與土層間都不會直接發生接觸和產生摩擦。

3.4沉井刃腳下的應力分布

沉井刃腳下沉時，其周圍土的受力情況較為復雜，通過實驗和數學分析相結合的方法，分析如下［6］：

（1）若在刃腳尖端作用下，土受垂直集中力P作用，可求得在集中力作用下的半平面體的應力。以集中力P的作用點為極坐標原點（圖4），應力與P，r，θ有關，通過推導得：

σr=2p/（πr）cosθ

由τγθ=0，σγ=σ1，σθ=σ3=0，按有關公式可求任意方向應力，因此，X，Z方向的應力：

σz=2p/πcos3θ/r

σx=2p/πsin2θcosθ/r

τzx=2p/πsinθcos2θ/r（10）

因θ是無因次量，故應力分量σγ是1/γ的函數，又是θ的函數。r越大，應力σγ越小。集中力P作用線上應力最大，向兩側逐漸減小。

垂直線上的應力隨深度變化，愈深愈小，因而在垂直與水平方向上，土體受力被壓縮。

（2）在刃腳下沉過程中，周圍的土中應力變化，可按三角形荷載作用下半面體的應力計算：

根據公式可得出不同深度Z/b與不同位置X/b，在三角形荷載下的應力σZ/P值。

3.5壓密殼與土壓力

沉井下沉，井筒最前端的刃腳對其周圍土層施力，在力的作用下，土被擠壓和壓縮，土中應力應變發生改變。土中發生動水過程，水分被擠出，孔隙減少，土被壓實和移動變形（彈性變形并伴隨永久變形），若達到土的抗剪強度，土產生相對滑動，若強度破壞點越來越多，則形成滑動面，使壓實土體滑動分離，逐漸形成“壓密體”和“壓密殼”體。

刃腳垂直剖面為三角形，一般刃腳高3-8m，夾角30°左右。刃腳與井壁相連，井壁外側向內收縮0.3m左右，形成一臺階空間，因而使井壁與土層“壓密殼”間形成一空間，壓密殼環繞井壁而立。因此，在一般正常下沉情況下，井壁是不會與土層發生接觸和摩擦的。

通過上述分析知道：沉井在正常下沉過程中，將不會受到地壓（主動土壓力）的作用（除了產生涌砂，突水，壁外充填被破壞；或沉井偏斜過大等不正常情況外）；而只是在刃腳部份受到被動土壓力的作用。

4、豎井表土地壓與沉井地壓

在豎井表土（散體）地壓的計算公式中，人們把垂直巷道內的支架，看作是承受圍巖（土）方面的主動壓力的擋土墻，而不論這些支架（豎井井筒）處于何種狀態——是靜止還是移動的。這與我國長期接受和采用普氏、秦氏等人的觀點與理論有關，因此，當有不同的看法與論點，例如，筆者撰寫的“水力機械化料石沉井側面阻力計算”（1961年畢業論文，和文獻［7］，［8］），認識到“沉井刃腳的側面壓力是被動土壓力”，均未引起注意。同時，在礦山巖石力學教材中，也很少介紹被動土壓力的有關知識。

應當指出，沉井井筒在表土層中下沉，不是靜止的，井筒不斷下沉，井筒前端的刃腳要壓迫土體，擠壓土體和受到土的被動土壓力的作用；并形成“壓密殼”體圍繞井筒而立。在正常下沉情況下，沉井不會受到地壓（主動土壓力）的作用。我們知道：被動土壓力和主動土壓力（地壓），兩者無論在質和量上都是不相同的，兩者有較大的差別：“在一般表土層中，被動土壓力較地壓（主動土壓力）要大幾倍，且其與深度的關系也較密切”［8］。為了區別，我們把沉井井筒（刃腳）所受的被動土壓力稱之為沉井地壓。

5、結語

（1）沉井地壓是豎井表土地壓現象中的一種特殊地壓形式，它無論在作用方式以及性質和數量上都與豎井表土地壓是不相同的，而且有很大差別。

（2）沉井井壁外“壓密殼”的形成，為正常下沉時，實施爐碴、泥漿、壓氣等減阻措施提供了空間，并起到平衡地壓的作用。只有在出現涌砂、突水、壓密殼破壞等異常情況下，才可能產生地壓（主動土壓力）作用。

（3）沉井地壓的提出，改變了有關沉井的認識和計算，有助于巖石力學地壓理論的研究和探討。

（4）沉井施工法，不僅在煤炭工業上得到應用，還應用于交通、橋梁、建筑、地鐵等的施工中，因此，對沉井地壓的研究，不僅有理論意義，還有施工的經濟價值。

參考文獻：

［1］李通林，等。礦山巖石力學［M］。重慶：重慶大學出版社，1991.177-179.

［2］秦巴列維奇。礦井支護［M］。北京：煤炭工業出版社，1953.98-696.

［3］陳希哲。土力學地基基礎。第二版［M］。北京：清華大學出版社，1995.120-138.

［4］余力，馬英明。特殊鑿井法的發展與展望［R］。徐州：中國礦業學院，1982.1-5.

［5］余力。泥漿淹水深沉井新工藝［J］。建井科技動態，1983.1（1）：16-17.

［6］華安增。礦山巖石力學基礎［M］。北京：煤炭工業出版社，1980.93-103.

［7］王祥厚。靜載沉井側面阻力公式的探討［R］。貴陽：貴州工學院，1979.1-20.

［8］中國礦業學院沉井科研組。沉井外力和內應力實測及應用［J］。煤炭科學技術，1978，2（8）：36-39.