沉井地壓——一種特殊表土地壓的探討解析

1、沉井地壓 一種特殊表土地壓的探討摘要： 分析 探討沉井在表土中下沉時所引起的受力現(xiàn) 象及其相關(guān)的論點，發(fā)現(xiàn)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(guān)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(yīng)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(nèi)維持穩(wěn)定；當次生應(yīng)力超過圍巖強度極限時，為保持井 巷穩(wěn)定，必須架設(shè)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

2、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(nèi)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(fā)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(chǎn)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(shè)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(zhì)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

3、，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(nèi)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(shè)和依據(jù)都是基于：1. 在討論豎井圍巖的應(yīng)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.n pOTOg b刃KOHOB ）用堅固性系數(shù) f來代 表巖石的性質(zhì)，也即用似內(nèi)摩擦系數(shù)

4、tg來代表。井壁壓力 就是極限平衡狀態(tài)的側(cè)壓力，巖（土）體自重為y z（ z為計算深度），側(cè)壓系數(shù)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(chǎn)生了秦氏計算法。1.2.2 秦氏計算法秦巴列維奇（nMUuM6apeBuq ）的基本觀點與普氏相同，只是不用加權(quán)平均的堅固性系數(shù)，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(nèi)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(jié)果的假設(shè) ”。同時，視土為松散介質(zhì)，而不考 慮粘結(jié)力： “ 而且假定在巖層與支架材料之間沒有摩擦才能 有效

5、 ”2。由于秦氏計算式在設(shè)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(jù)擋土墻位移的情況，產(chǎn)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(zhì)（土）對于擋土墻的推力而產(chǎn)生的主 動土壓力 Pa.（ 3）松散介質(zhì)（土）受到擋土墻的抗力而產(chǎn)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； （

6、3）擋土墻 背光滑，沒有摩擦力因而沒有剪應(yīng)力，即墻背為主應(yīng)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，土的容重為丫，則微元頂面應(yīng)力為Z , a Z= 丫 Z； a X為側(cè)面應(yīng)力圖2 （a）,此時應(yīng)力狀態(tài)可用（ 2）主動土壓力：假設(shè)土體在水平方向均勻拉伸膨脹，則c Z不變，a X逐漸減小，直至極限平衡狀態(tài)為止， 如 圖2的（c）和（b）中的摩爾園n，此時與抗剪強度曲線 相切于 T1 點?？汕蟪鰺o粘性土時（粘性土時，略）的主動土 壓力：Pa=Kay Z式中：Pa為主動土壓力； 丫 Z為土的自重；Ka為主 動土壓力參數(shù)，Ka=tg2 （45-）/2 ;

7、 O為土的內(nèi)摩 擦角。（ 3）被動土壓力：若土體在水平方向壓縮，則 a z 不變，a X不斷增大并超過 a z, 一直到達被動極限平衡狀態(tài) 為止。如圖2 （d）和（b）中的摩爾園川所示，此時川與抗剪 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=Kpy Z式中：Pp為被動土壓力；丫 Z與（5）式同；Kp為被動土壓力系數(shù)，Kp=tg2 （45-）/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(guān)鍵問題。3、沉井受力簡析3.1 沉井法概況沉井法是在不穩(wěn)定含水表土層中，開鑿井筒的特殊 施工 方法 之一。 183

8、9 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(yè) 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(shè)備較少，勞動強度輕，在我國煤炭表土建井中曾有 較大 發(fā)展 ，在橋梁 交通 、地鐵、建筑等行業(yè)中， 也得到 應(yīng) 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(cè)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

9、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(nèi)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(guān)鍵。由于自重是人為 的可控因素，應(yīng)著重研究的是側(cè)面阻力 Tf.3.3 沉井側(cè)面阻力的側(cè)壓力3.3.1 我國學者（包括有關(guān)的高校教材）對沉井側(cè) 阻所提出的看法，主要論點可歸結(jié)為：（1）下沉的沉井井壁與土壤直接發(fā)生摩擦，也有認 為是沉井井壁與土壤間發(fā)生滑動。（2）沉井井壁所受的側(cè)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(lián)學者的 影響 所致，

10、例如nM。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(cè)壓 以及支架基礎(chǔ)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臵，摩擦力大 小都決定于側(cè)壓力的大小， 巖石與支架外表之間的摩擦系數(shù)， 以及支架外部表面的大小，即側(cè)阻值等于側(cè)壓與表面積摩擦 系數(shù)之積 ” 2。此處的側(cè)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(cè)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”

11、 2。3.3.2 沉井井壁與土層間發(fā)生了什么？從沉井施工 現(xiàn)場，可觀察到以下現(xiàn)象：（ 1）在徐州拾屯沉井施工時，為了糾偏，進行壁外“大揭蓋 ”，發(fā)現(xiàn)與沉井壁相隔 0.2-0.3 m 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(jié)構(gòu)較密 實的環(huán)狀土層。在距地表下3 m （井西南方），距井壁外0.7 m與 4.0 m 處取同層土樣，測得干容重分別為：在 0.7 m 處，Y d=16.4 kN/ 立方米；在 4.0 m處，丫 d=15.3 kN/立方米.丫 d常見值為13-20 kN/立方米，丫 d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(qū)進行料石沉井壁后注漿時

12、，都比較費 勁，幾乎每個沉井井壁外都要搗 1-3 m 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 2-3 m.（3）在沉井壁中放臵的放水管，經(jīng)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(fā)覺壁外有一硬層難以通 過。又如馬莊主井，沉井井壁安臵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=O, B=0）。伸手摸刃腳外壁，有一 層200-400 mm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

13、（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 0.3 m 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(yīng)力分布沉井刃腳下沉時，其周圍土的受力情況較為復(fù)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

14、集中力作用下的半平面體的應(yīng)力。以集中力 P 的作 用點為極坐標原點（圖 4）,應(yīng)力與P, r ,B有關(guān)，通過推導(dǎo) 得：a r=2p/ （ n r） cos 0由 tyB =0, ay = a 1, a 0 = a 3=0,按有關(guān)公式可求任意方向應(yīng)力，因此， X， Z 方向的應(yīng)力：a z=2p/ n cos3 0 /rcr x=2p/ n sin2 0 cos 0 /rt zx=2p/ n sin 0 cos2 0 /r (10)因0是無因次量，故應(yīng)力分量cy是1/ Y的函數(shù)， 又是0的函數(shù)。r越大，應(yīng)力cy越小。集中力P作用線上 應(yīng)力最大，向兩側(cè)逐漸減小。垂直線上的應(yīng)力隨深度變化，愈深愈小，因

15、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(yīng)力變化，可 按三角形荷載作用下半面體的應(yīng)力計算：根據(jù)公式可得出不同深度 Z/b 與不同位臵 X/b ，在三 角形荷載下的應(yīng)力 c Z/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(yīng)力應(yīng)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

16、腳高 3-8 m ，夾角 30左右。刃腳與井壁相連，井壁外側(cè)向內(nèi)收縮0.3 m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

17、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(yīng)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

18、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(xiàn)涌砂、突水、壓密殼破壞等異常情 況下，才可能產(chǎn)生地壓（主動土壓力）作用。（3）沉井地壓的提出，改變了有關(guān)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(yè) 上得到 應(yīng)用 ， 還應(yīng)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(jīng)濟 價值。參考 文獻：:1李通林，等。礦山巖石力學Mo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(yè)出