沉井地壓-一種特殊表土地壓的探討

沉井地壓——一種特殊表土地壓的探討摘要：分析探討討沉井在表土土中下沉時所所引起的受力力現(xiàn)象及其相相關(guān)的論點，發(fā)發(fā)現(xiàn)沉井在正正常下沉過程程中，不僅僅僅會受到豎井井表土地壓的的作用，更主主要是沉井的的前端（刃腳腳）受到被動動土壓力的作作用。關(guān)鍵詞：沉井井；地壓；主主動土壓力；；被動土壓力力引言巖石力力學認為：所所謂地壓是泛泛指在巖體中中存在的力，它它既包含原巖巖對圍巖的作作用力，圍巖巖間的相互作作用力，又包包含圍巖對支支架的作用力力。當圍巖的的次生應力不不超過其彈性性極限時，地地壓可全部由由圍巖來承擔擔，井巷可不不加支護在一一定時期內(nèi)維維持穩(wěn)定；當當次生應力超超過圍巖強度度極限時，為為保持井巷穩(wěn)穩(wěn)定，必須架架設(shè)支架，這這時，地壓是是由圍巖和支支架共同承受受。為此，把把圍巖因變形形移動和冒落落巖塊作用在在支架上的壓壓力稱為狹義義地壓；而將將巖體內(nèi)部原原巖作用于圍圍巖和支架上上的壓力稱為為廣義地壓。就就地下工程而而言，主要研研究狹義地壓壓。若在豎豎井（垂直巷巷道）中，由由于井幫發(fā)生生破壞，使井井筒（支架）受受壓，這種巖巖土壓力和水水壓（有水時時）所形成的的壓力，即為為豎井地壓。1、豎井地壓1.1豎井散體（松松動）地壓的的計算當豎豎井在表土層層或豎井井幫幫巖石破碎時時，井筒井壁壁周圍將產(chǎn)生生散體（松動動）地壓，對對于該地壓的的計算公式有有多個，目前前“豎井設(shè)計中中散體（松動動）地壓的計計算廣泛使用用平面擋土墻墻公式和圓錐錐擋土墻計算算法”［1］。平面擋擋土墻計算法法的實質(zhì)是把把表土或破碎碎的圍巖視作作無凝聚力的的松散體，將將井壁視為平平面擋土墻，作作用在井筒井井壁上的地壓壓為主動土壓壓力。圓錐擋擋土墻計算法法中，豎井井井壁是個圓柱柱面，當土體體（或破碎巖巖體）向內(nèi)滑滑移時，井壁壁周圍巖土體體形成空心圓圓錐體，按空空間軸對稱問問題求得計算算公式。它們的的計算假設(shè)和和依據(jù)都是基基于：1.在討論豎井井圍巖的應力力分布時，把把井筒看作是是一個半無限限體的垂直孔孔。2.豎井井筒（支支架）是固定定直立，不會會移動的受力力體。3.按狹義地壓壓的定義，把把圍巖因變形形移動或冒落落作用于支架架上的壓力，來來計算豎井散散體（松動）地地壓。1.2普氏計算法法［6］普洛托托吉雅可洛夫夫（M.M.Протоодьякоонов）用堅固性性系數(shù)f來代表巖石石的性質(zhì)，也也即用似內(nèi)摩摩擦系數(shù)tgΦ來代表。井井壁壓力就是是極限平衡狀狀態(tài)的側(cè)壓力力，巖（土）體體自重為γz（z為計算深度度），側(cè)壓系系數(shù)為秦氏計計算法秦巴列列維奇（П。М。Цимбааревичч）的基本觀觀點與普氏相相同，只是不不用加權(quán)平均均的堅固性系系數(shù)，而是分分層計算。秦秦氏提出計算算豎井（垂直直巷道）的地地壓公式是：：“垂直巷道內(nèi)內(nèi)的支架，即即可看作一種種承受著圍巖巖方面的主動動壓力的擋土土墻，這種假假想并不是十十分嚴格的，而而只是一種可可以提供近似似結(jié)果的假設(shè)設(shè)”。同時，視視土為松散介介質(zhì)，而不考考慮粘結(jié)力：：“而且假定在在巖層與支架架材料之間沒沒有摩擦才能能有效”［2］。由于秦秦氏計算式在在設(shè)計計算中中被廣泛使用用至今，因而而，人們長期期都認為豎井井井壁（包括括沉井）所受受的力，就是是這種“承受著圍巖巖（土）方面面的主動壓力力”的地壓，而而不存在其他他力的作用。2、擋土墻與與土壓力簡介介2.1土壓力的種種類根據(jù)擋擋土墻位移的的情況，產(chǎn)生生三種不同的的土壓力，（1）擋土墻固固定不動，作作用在擋土墻墻上的土壓力力稱為靜止土土壓力P0.（2）松散介質(zhì)質(zhì)（土）對于于擋土墻的推推力而產(chǎn)生的的主動土壓力力Pa.（3）松散介質(zhì)質(zhì)（土）受到到擋土墻的抗抗力而產(chǎn)生的的被動土壓力力Pp.2.2主動土壓力力與被動土壓壓力著名的的朗肯土壓力力理論主動土壓壓力與被動土土壓力的計算算（1）在半無限限彈性土體中中，深度Z處取一微元元體，土的容容重為γ，則微元頂頂面應力為σz，σz=γZ；σx為側(cè)面應力力［圖2（a）］，此時時應力狀態(tài)可可用（2）主動土壓壓力：假設(shè)土土體在水平方方向均勻拉伸伸膨脹，則σz不變，σx逐漸減小，直直至極限平衡衡狀態(tài)為止，如如圖2的（c）和（b）中的摩爾爾園Ⅱ，此時Ⅱ與抗剪強度度曲線相切于于T1點?？汕蟪龀鰺o粘性土時時（粘性土時時，略）的主主動土壓力：：Pa=KaγZ式中：Pa為主動土壓壓力；γZ為土的自重重；Ka為主動土壓壓力參數(shù)，Ka=tgg2[（45°-Φ）/2]；Φ為土的內(nèi)摩摩擦角。（3）被動土壓壓力：若土體體在水平方向向壓縮，則σz不變，σx不斷增大并并超過σz，一直到達達被動極限平平衡狀態(tài)為止止。如圖2（d）和（b）中的摩爾爾園Ⅲ所示，此時Ⅲ與抗剪強度度曲線相切于于T2點?？汕蟪龀鰺o粘性土時時（粘性土時時，略）的被被動土壓力：：Pp=KpγZ式中：Pp為被動土壓壓力；γZ與（5）式同；Kp為被動土壓壓力系數(shù)，Kp=tgg2[（45°-Φ）/2].（4）在豎井表表土地壓中，是是否只有主動動土壓力的作作用？有沒有有被動土壓力力的存在和作作用？這就是是本文所要探探討的關(guān)鍵問問題。3、沉井受力力簡析3.1沉井法概況沉井法法是在不穩(wěn)定定含水表土層層中，開鑿井井筒的特殊施施工方法之一。1839年法國沙龍龍尼（Salonney）煤田首次次使用沉井法法以來，在歐歐洲已使用于于地下工程中中有1500多個［4］。1966年日本竣工工的日鐵有明明3號立井，沉沉深達200.33m為世界之最最。我國煤炭炭工業(yè)使用沉井井法已建成100多個井筒，其其中山東單家家村煤礦下沉沉到192.775m深度［5］。沉井法法工藝較簡單單，設(shè)備較少少，勞動強度度輕，在我國國煤炭表土建建井中曾有較較大發(fā)展，在橋梁梁交通、地鐵、建建筑等行業(yè)中中，也得到應應用。3.2沉井受力與與下沉條件沉井一一般是靠井筒筒自重Q，克服土壤壤的正面阻力力Rs，側(cè)面阻力Tf，井筒水的的浮力B而下沉。Q是沉井的主主動力；Rs是土給刃腳腳斜面的反力力，若及時出出土，Rs即可消失。B等于井壁所排排開同體積水水重，若采用用淹水沉井，雖雖有阻力作用用，但它保持持了井內(nèi)外壓壓力平衡，對對沉井有利。Tf是井筒外壁壁所受土的阻阻力（包括井井筒前端的刃刃腳），是下下沉的一個重重要因素。因因此，加大自自重Q，減少Tf是沉井的關(guān)關(guān)鍵。由于自自重是人為的的可控因素，應應著重研究的的是側(cè)面阻力力Tf.3.3我國學學者（包括有有關(guān)的高校教教材）對沉井井側(cè)阻所提出出的看法，主主要論點可歸歸結(jié)為：（1）下沉的沉沉井井壁與土土壤直接發(fā)生生摩擦，也有有認為是沉井井井壁與土壤壤間發(fā)生滑動動。（2）沉井井壁壁所受的側(cè)壓壓是豎井表土土地壓（散體體地壓）。這些看法法可能是由于于受原蘇聯(lián)學學者的影響所致，例例如П。М。秦巴列維維奇在他的著著作《礦井支支護》中提到到：沉下式“支架所受的的影響是它本本身的重量，巖巖層及水的側(cè)側(cè)壓以及支架架基礎(chǔ)所生反反作用力，當當支架底部巖巖石一旦挖出出，其底部的的反作用力即即消失，支架架可由本身自自重而下沉，支支架外表的摩摩擦力逐漸增增加，無論支支架處于哪一一種位置，摩摩擦力大小都都決定于側(cè)壓壓力的大小，巖巖石與支架外外表之間的摩摩擦系數(shù)，以以及支架外部部表面的大小小，即側(cè)阻值值等于側(cè)壓與與表面積摩擦擦系數(shù)之積”［2］。此此處的側(cè)壓是是什么力，秦秦氏未明確指指出。然而人人們卻用豎井井表土地壓作作為沉井側(cè)壓壓力，并用秦秦氏公式來計計算它，顯然然與秦氏平面面擋土墻公式式的理論不符。因因為該公式是是在“假定在巖層層與支架材料料之間沒有摩摩擦才能有效效”

沉井井壁與與土層間發(fā)生生了什么？從從沉井施工現(xiàn)現(xiàn)場，可觀察察到以下現(xiàn)象象：（1）在徐州拾拾屯沉井施工工時，為了糾糾偏，進行壁壁外“大揭蓋”，發(fā)現(xiàn)與沉沉井壁相隔0.2-00.3m的爐渣層（壁壁外充填料）的的土層，有一一比同一標高高土層顏色較較深，結(jié)構(gòu)較較密實的環(huán)狀狀土層。在距距地表下3m（井西南方方），距井壁壁外0.7m與4.0m處取同層土土樣，測得干干容重分別為為：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13-200kN/立方米，γd越大，土體體越密實，說說明靠近井壁壁的土層被壓壓密實了。（2）徐州地區(qū)區(qū)進行料石沉沉井壁后注漿漿時，都比較較費勁，幾乎乎每個沉井井井壁外都要搗搗1-3m的硬土層才才能進行。例例如東城礦主主井筒（沉井井），穿過的的硬土層為2-3mm.（3）在沉井壁壁中放置的放放水管，經(jīng)常常放不出水。例例如拾屯主井井從地表下沉沉到31m深，放水管管從未流出過過水，工人用用2m長的鋼釬捅捅和用錘擊釬釬子，發(fā)覺壁壁外有一硬層層難以通過。又又如馬莊主井井，沉井井壁壁安置放水管管伸出壁外較較短，放不出出水來，但聽聽見有水的響響聲。（4）拾屯主井井下沉到30多米時，下下沉幾乎停止止，刃腳部份份完全露出（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(cè)面阻力（表土地壓為側(cè)壓力），該現(xiàn)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(nèi)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(fā)生接觸和產(chǎn)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(shù)學分析相結(jié)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(guān)，通過推導得：σr=2p/（πr）cosθ

由τγθ=0，σγ=σ1，σθ=σ3=0，按有關(guān)公式可求任意方向應力，因此，X，Z方向的應力：σz=2p/πcos3θ/rσx=2p/πsin2θcosθ/rτzx=2p/πsinθcos2θ/r（10）因θ是無因次量，故應力分量σγ是1/γ的函數(shù)，又是θ的函數(shù)。r越大，應力σγ越小。集中力P作用線上應力最大，向兩側(cè)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(jù)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(fā)生改變。土中發(fā)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(chǎn)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(cè)向內(nèi)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(huán)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(fā)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(chǎn)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(nèi)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(tài)——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(guān)，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(cè)面阻力計算”（1961年畢業(yè)論文，和文獻［7］，［8］），認識到“沉井刃腳的側(cè)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(guān)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(zhì)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(guān)系也較密切”［8］。為了區(qū)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(jié)語（1）沉井地壓是豎井表土地壓現(xiàn)象中的一種特殊地壓形式，它無論在作用方式以及性質(zhì)和數(shù)量上都與豎井表土地壓是不相同的，而且有很大