沉井地壓-一種特殊表土地壓的探討

摘要：探討沉井在表土中下沉?xí)r所引起的受力現(xiàn)象及其相關(guān)的論點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)沉井在正常下沉過程中，不僅僅會(huì)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(dòng)土壓力的作用。
　　關(guān)鍵詞：沉井；地壓；主動(dòng)土壓力；被動(dòng)土壓力
　　引言
　　巖石力學(xué)認(rèn)為：所謂地壓是泛指在巖體中存在的力，它既包含原巖對(duì)圍巖的作用力，圍巖間的相互作用力，又包含圍巖對(duì)支架的作用力。當(dāng)圍巖的次生應(yīng)力不超過其彈性極限時(shí)，地壓可全部由圍巖來承擔(dān)，井巷可不加支護(hù)在一定時(shí)期內(nèi)維持穩(wěn)定；當(dāng)次生應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度極限時(shí)，為保持井巷穩(wěn)定，必須架設(shè)支架，這時(shí)，地壓是由圍巖和支架共同承受。為此，把圍巖因變形移動(dòng)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(shí)）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(dòng)）地壓的
　　當(dāng)豎井在表土層或豎井井幫巖石破碎時(shí)，井筒井壁周圍將產(chǎn)生散體（松動(dòng)）地壓，對(duì)于該地壓的計(jì)算公式有多個(gè)，“豎井設(shè)計(jì)中散體（松動(dòng)）地壓的計(jì)算廣泛使用平面擋土墻公式和圓錐擋土墻計(jì)算法”［1］。
　　平面擋土墻計(jì)算法的實(shí)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，作用在井筒井壁上的地壓為主動(dòng)土壓力。
　　圓錐擋土墻計(jì)算法中，豎井井壁是個(gè)圓柱面，當(dāng)土體（或破碎巖體）向內(nèi)滑移時(shí)，井壁周圍巖土體形成空心圓錐體，按空間軸對(duì)稱求得計(jì)算公式。
　　它們的計(jì)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(shí)，把井筒看作是一個(gè)半無限體的垂直孔。
　　2.豎井井筒（支架）是固定直立，不會(huì)移動(dòng)的受力體。
　　3.按狹義地壓的定義，把圍巖因變形移動(dòng)或冒落作用于支架上的壓力，來計(jì)算豎井散體（松動(dòng)）地壓。
　　1.2平面擋土墻計(jì)算法的由來
　　1.2.1普氏計(jì)算法［6］
　　普洛托吉雅可洛夫（M.M.Протодьяконов）用堅(jiān)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)tgΦ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γz（z為計(jì)算深度），側(cè)壓系數(shù)為，井壁壓力為P.　　但當(dāng)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(jì)算法。
　　1.2.2秦氏計(jì)算法
　　秦巴列維奇（П。М。Цимбаревич）的基本觀點(diǎn)與普氏相同，只是不用加權(quán)平均的堅(jiān)固性系數(shù)，而是分層計(jì)算。秦氏提出計(jì)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(dòng)壓力的擋土墻，這種假想并不是十分嚴(yán)格的，而只是一種可以提供近似結(jié)果的假設(shè)”。同時(shí)，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”［2］。
　　由于秦氏計(jì)算式在設(shè)計(jì)計(jì)算中被廣泛使用至今，因而，人們長(zhǎng)期都認(rèn)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(dòng)壓力”的地壓，而不存在其他力的作用。
　　2、擋土墻與土壓力簡(jiǎn)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(dòng)，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(duì)于擋土墻的推力而產(chǎn)生的主動(dòng)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(dòng)土壓力Pp.
　　2.2主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力
　　著名的朗肯土壓力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(yīng)力，即墻背為主應(yīng)面。
　　2.2.1主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力的計(jì)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(yīng)力為σz，σz=γZ；σx為側(cè)面應(yīng)力［圖2（a）］，此時(shí)應(yīng)力狀態(tài)可用
　�。�2）主動(dòng)土壓力：假設(shè)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(tài)為止，如圖2的（c）和（b）中的摩爾園Ⅱ，此時(shí)Ⅱ與抗剪強(qiáng)度曲線相切于T1點(diǎn)。可求出無粘性土?xí)r（粘性土?xí)r，略）的主動(dòng)土壓力：
　　Pa=KaγZ
　　式中：Pa為主動(dòng)土壓力；γZ為土的自重；Ka為主動(dòng)土壓力參數(shù)，Ka=tg2[（45°-Φ）/2]；Φ為土的內(nèi)摩擦角。
　�。�3）被動(dòng)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(dá)被動(dòng)極限平衡狀態(tài)為止。如圖2（d）和（b）中的摩爾園Ⅲ所示，此時(shí)Ⅲ與抗剪強(qiáng)度曲線相切于T2點(diǎn)�？汕蟪鰺o粘性土?xí)r（粘性土?xí)r，略）的被動(dòng)土壓力：
　　Pp=KpγZ
　　式中：Pp為被動(dòng)土壓力；γZ與（5）式同；Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)，Kp=tg2[（45°-Φ）/2].
　�。�4）在豎井表土地壓中，是否只有主動(dòng)土壓力的作用？有沒有被動(dòng)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(jiǎn)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之一。1839年法國(guó)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(gè)［4］。1966年日本竣工的日鐵有明3號(hào)立井，沉深達(dá)200.3m為世界之最。我國(guó)煤炭使用沉井法已建成100多個(gè)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(jiǎn)單，設(shè)備較少，勞動(dòng)強(qiáng)度輕，在我國(guó)煤炭表土建井中曾有較大，在橋梁、地鐵、建筑等行業(yè)中，也得到。
　　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(dòng)力；Rs是土給刃腳斜面的反力，若及時(shí)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(duì)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(gè)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(guó)學(xué)者（包括有關(guān)的高校教材）對(duì)沉井側(cè)阻所提出的看法，主要論點(diǎn)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(rèn)為是沉井井壁與土壤間發(fā)生滑動(dòng)。
　�。�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(xué)者的所致，例如П。М。秦巴列維奇在他的著作《礦井支護(hù)》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(dāng)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(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，并用秦氏公式來它，顯然與秦氏平面擋土墻公式的不符。因?yàn)樵摴�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(fā)生了什么？從沉井施工現(xiàn)場(chǎng)，可觀察到以下現(xiàn)象：
　�。�1）在徐州拾屯沉井施工時(shí)，為了糾偏，進(jìn)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(biāo)高土層顏色較深，結(jié)構(gòu)較密實(shí)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(cè)得干容重分別為：在0.7 m處，γd=16.4 kN/立方米；在4.0 m處，γd=15.3 kN/立方米.γd常見值為13-20 kN/立方米，γd越大，土體越密實(shí)，說明靠近井壁的土層被壓密實(shí)了。
　　（2）徐州地區(qū)進(jìn)行料石沉井壁后注漿時(shí)，都比較費(fèi)勁，幾乎每個(gè)沉井井壁外都要搗1-3 m的硬土層才能進(jìn)行。例如東城礦主井筒（沉井），穿過的硬土層為2-3 m.
　�。�3）在沉井壁中放置的放水管，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(zhǎng)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(shí)，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200-400 mm厚，粘著緊密且含水少，很難尅出的土層。通過計(jì)算，此時(shí)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?xí)r，均可在井壁與土層間進(jìn)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(tái)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(jìn)行。
　　以上各種事實(shí)表明，沉井井壁外有一層被壓密的土層存在，并形成一個(gè)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(huì)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?xí)r，其周圍土的受力情況較為復(fù)雜，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的，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(yīng)力。以集中力P的作用點(diǎn)為極坐標(biāo)原點(diǎn)（圖4），應(yīng)力與P，r，θ有關(guān)，通過推導(dǎo)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(yīng)力，因此，X，Z方向的應(yīng)力：
　　σz=2p/πcos3θ/r
　　σx=2p/πsin2θcosθ/r
　　τzx=2p/πsinθcos2θ/r （10）
　　因θ是無因次量，故應(yīng)力分量σγ是1/γ的函數(shù)，又是θ的函數(shù)。r越大，應(yīng)力σγ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(jì)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(yīng)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(duì)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(dòng)水過程，水分被擠出，孔隙減少，土被壓實(shí)和移動(dòng)變形（彈性變形并伴隨永久變形），若達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度，土產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，若強(qiáng)度破壞點(diǎn)越來越多，則形成滑動(dòng)面，使壓實(shí)土體滑動(dòng)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3-8 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(tái)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(huì)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(huì)受到地壓（主動(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)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(dòng)的。這與我國(guó)長(zhǎng)期接受和采用普氏、秦氏等人的觀點(diǎn)與理論有關(guān)，因此，當(dāng)有不同的看法與論點(diǎn)，例如，筆者撰寫的“水力機(jī)械化料石沉井側(cè)面阻力計(jì)算”（1961年畢業(yè)論文，和［7］，［8］），認(rèn)識(shí)到“沉井刃腳的側(cè)面壓力是被動(dòng)土壓力”，均未引起注意。同時(shí)，在礦山巖石力學(xué)教材中，也很少介紹被動(dòng)土壓力的有關(guān)知識(shí)。
　　應(yīng)當(dāng)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(dòng)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(huì)受到地壓（主動(dòng)土壓力）的作用。我們知道：被動(dòng)土壓力和主動(dòng)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(dòng)土壓力較地壓（主動(dòng)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(dòng)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?xí)r，實(shí)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(dòng)土壓力）作用。
　�。�3）沉井地壓的提出，改變了有關(guān)沉井的認(rèn)識(shí)和計(jì)算，有助于巖石力學(xué)地壓理論的和探討。
　�。�4）沉井施工法，不僅在煤炭上得到，還應(yīng)用于、橋梁、建筑、地鐵等的施工中，因此，對(duì)沉井地壓的研究，不僅有理論意義，還有施工的價(jià)值。
　　文獻(xiàn)：
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