沉井地压——一种特殊表土地压的探讨

1、沉井地压一种特殊表土地压的探讨     摘  要：分析探讨沉井在表土中下沉时所引起的受力现象及其相关的论点，发现沉井在正常下沉过程中，不仅仅会受到竖井表土地压的作用，更主要是沉井的前端（刃脚）受到被动土压力的作用。 关键词：沉井；地压；主动土压力；被动土压力 引  言 岩石力学认为：所谓地压是泛指在岩体中存在的力，它既包含原岩对围岩的作用力，围岩间的相互作用力，又包含围岩对支架的作用力。当围岩的次生应力不超过其弹性极限时，地压可全部由围岩来承担，井巷可不加支护在一定时期内维持稳定；当次生应力超过围岩强度极限时，为保

2、持井巷稳定，必须架设支架，这时，地压是由围岩和支架共同承受。为此，把围岩因变形移动和冒落岩块作用在支架上的压力称为狭义地压；而将岩体内部原岩作用于围岩和支架上的压力称为广义地压。就地工程而言，主要研究狭义地压。 若在竖井（垂直巷道）中，由于井帮发生破坏，使井筒（支架）受压，这种岩土压力和水压（有水时）所形成的压力，即为竖井地压。 1、竖井地压 1.1  竖井散体（松动）地压的计算 当竖井在表土层或竖井井帮岩石破碎时，井筒井壁周围将产生散体（松动）地压，对于该地压的计算公式有多个，目前“竖井设计中散体（松动）地压的计算广泛使用平面挡土墙公式和圆锥挡土墙计算法”1。 平面挡土墙

3、计算法的实质是把表土或破碎的围岩视作无凝聚力的松散体，将井壁视为平面挡土墙，作用在井筒井壁上的地压为主动土压力。 圆锥挡土墙计算法中，竖井井壁是个圆柱面，当土体（或破碎岩体）向内滑移时，井壁周围岩土体形成空心圆锥体，按空间轴对称问题求得计算公式。 它们的计算假设和依据都是基于： 1.在讨论竖井围岩的应力分布时，把井筒看作是一个半无限体的垂直孔。 2.竖井井筒（支架）是固定直立，不会移动的受力体。 3.按狭义地压的定义，把围岩因变形移动或冒落作用于支架上的压力，来计算竖井散体（松动）地压。 1.2  平面挡土墙计算法的由来 1.2.1  普氏计算法6 普洛

4、托吉雅可洛夫（M.M.）用坚固性系数f来代表岩石的性质，也即用似内摩擦系数tg来代表。井壁压力就是极限平衡状态的侧压力，岩（土）体自重为z（z为计算深度），侧压系数为 ，井壁压力为P.但当井筒深入岩层，硬岩和软岩中井壁压力有明显差别，从而产生了秦氏计算法。 1.2.2  秦氏计算法 秦巴列维奇（。）的基本观点与普氏相同，只是不用加权平均的坚固性系数，而是分层计算。秦氏提出计算竖井（垂直巷道）的地压公式是：“垂直巷道内的支架，即可看作一种承受着围岩方面的主动压力的挡土墙，这种假想并不是十分严格的，而只是一种可以提供近似结果的假设”。同时，视土为松散介质，而不考虑粘结

5、力：“而且假定在岩层与支架材料之间没有摩擦才能有效”2。 由于秦氏计算式在设计计算中被广泛使用至今，因而，人们长期都认为竖井井壁（包括沉井）所受的力，就是这种“承受着围岩（土）方面的主动压力”的地压，而不存在其他力的作用。 2、挡土墙与土压力简介 2.1  土压力的种类 根据挡土墙位移的情况，产生三种不同的土压力， （1）挡土墙固定不动，作用在挡土墙上的土压力称为静止土压力P0. （2）松散介质（土）对于挡土墙的推力而产生的主动土压力Pa. （3）松散介质（土）受到挡土墙的抗力而产生的被动土压力Pp. 2.2  主动土压力与被动土压力 著名的朗肯土压力理

6、论一般情况的适用条件为：（1）挡土墙墙背垂直；（2）墙后填土表面水平；（3）挡土墙背光滑，没有摩擦力因而没有剪应力，即墙背为主应面。 2.2.1  主动土压力与被动土压力的计算 （1）在半无限弹性土体中，深度Z处取一微元体，土的容重为，则微元顶面应力为z，z=Z；x为侧面应力图2（a），此时应力状态可用 （2）主动土压力：假设土体在水平方向均匀拉伸膨胀，则z不变，x逐渐减小，直至极限平衡状态为止，如图2的（c）和（b）中的摩尔园，此时与抗剪强度曲线相切于T1点。可求出无粘性土时（粘性土时，略）的主动土压力： Pa=KaZ    

7、60;          式中：Pa为主动土压力；Z为土的自重；Ka为主动土压力参数，Ka=tg2（45°-）/2；为土的内摩擦角。 （3）被动土压力：若土体在水平方向压缩，则z不变，x不断增大并超过z，一直到达被动极限平衡状态为止。如图2（d）和（b）中的摩尔园所示，此时与抗剪强度曲线相切于T2点。可求出无粘性土时（粘性土时，略）的被动土压力： Pp=KpZ           

8、60;       式中：Pp为被动土压力；Z与（5）式同；Kp为被动土压力系数，Kp= tg2（45°-）/2. （4）在竖井表土地压中，是否只有主动土压力的作用？有没有被动土压力的存在和作用？这就是本文所要探讨的关键问题。 3、沉井受力简析 3.1  沉井法概况 沉井法是在不稳定含水表土层中，开凿井筒的特殊施工方法之一。1839年法国沙龙尼（Saloney）煤田首次使用沉井法以来，在欧洲已使用于地下工程中有1500多个4。1966年日本竣工的日铁有明3号立井，沉深达200.3 m为

9、世界之最。我国煤工业使用沉井法已建成100多个井筒，其中山东单家村煤矿下沉到192.75 m深度5。沉井法工艺较简单，设备较少，劳动强度轻，在我国煤炭表土建井中曾有较大发展，在桥交通、地铁、建筑等行业中，也得到应用。 3.2  沉井受力与下沉条件 沉井一般是靠井筒自重Q，克服土壤的正面阻力Rs，侧面阻力Tf，井筒水的浮力B而下沉。Q是沉井的主动力；Rs是土给刃脚斜面的反力，若及时出土，Rs即可消失。B等于井壁所排开同体积水重，若采用淹水沉井，虽有阻力作用，但它保持了井内外压力平衡，对沉井有利。Tf是井筒外壁所受土的阻力（包括井筒前端的刃脚），是下沉的一个重要因素。

10、因此，加大自重Q，减少Tf是沉井的关键。由于自重是人为的可控因素，应着重研究的是侧面阻力Tf.     3.3  沉井侧面阻力的侧压力3.3.1  我国学者（包括有关的高校教材）对沉井侧阻所提出的看法，主要论点可归结为：（1）下沉的沉井井壁与土壤直接发生摩擦，也有认为是沉井井壁与土壤间发生滑动。（2）沉井井壁所受的侧压是竖井表土地压（散体地压）。这些看法可能是由于受原苏联学者的影响所致，例如。秦巴列维奇在他的著作矿井支护中提到：沉下式“支架所受的影响是它本身的重量，岩层及水的侧压以及支架基础所生反作用力，当支架底部岩石一旦挖出，其底部

11、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渐增加，无论支架处于哪一种位置，摩擦力大小都决定于侧压力的大小，岩石与支架外表之间的摩擦系数，以及支架外部表面的大小，即侧阻值等于侧压与表面积摩擦系数之积”2。此处的侧压是什么力，秦氏未明确指出。然而人们却用竖井表土地压作为沉井侧压力，并用秦氏公式来计算它，显然与秦氏平面挡土墙公式的理论不符。因为该公式是在“假定在岩层与支架材料之间没有摩擦才能有效”2。3.3.2  沉井井壁与土层间发生了什么？从沉井施工现场，可观察到以下现象：（1）在徐州拾屯沉井施工时，为了纠偏，进行壁外“大揭盖”，发现与沉井壁相隔0.2-0.3 m的炉渣

12、层（壁外充填料）的土层，有一比同一标高土层颜色较深，结构较密实的环状土层。在距地表下3 m（井西南方），距井壁外0.7 m与4.0 m处取同层土样，测得干容重分别为：在0.7 m处，d=16.4 kN/立方米；在4.0 m处，d=15.3 kN/立方米.d常见值为13-20 kN/立方米，d越大，土体越密实，说明靠近井壁的土层被压密实了。（2）徐州地区进行料石沉井壁后注浆时，都比较费劲，几乎每个沉井井壁外都要捣1-3 m的硬土层才能进行。例如东城矿主井筒（沉井），穿过的硬土层为2-3 m.（3）在沉井壁中放置的放水管，经常放不出水。例如拾屯主井从地表下沉到31m深，放水管从未流出过水，工人用2

13、m长的钢钎捅和用锤击钎子，发觉壁外有一硬层难以通过。又如马庄主井，沉井井壁安置放水管伸出壁外较短，放不出水来，但听见有水的响声。（4）拾屯主井下沉到30多米时，下沉几乎停止，刃脚部份完全露出（即Rs=0，B=0）。伸手摸刃脚外壁，有一层200-400 mm厚，粘着紧密且含水少，很难尅出的土层。通过计算，此时沉井自重大大的超过侧面阻力（表土地压为侧压力），该现象无法解释。（5）在各种沉井正常下沉时，均可在井壁与土层间进行充填，如用炉碴、泥浆、压气等物充填；表明刃脚与井壁（内缩）形成的台阶（约0.3 m宽）空间，围绕井筒而存在。否则，壁后充填都将无法进行。以上各种事实表明，沉井井壁外有一层被压密的

14、土层存在，并形成一个围绕沉井壁而竖立的“压密壳”体。因此，在正常下沉情况下，井壁与土层间都不会直接发生接触和产生摩擦。3.4  沉井刃脚下的应力分布沉井刃脚下沉时，其周围土的受力情况较为复杂，通过实验和数学分析相结合的方法，分析如下6：（1）若在刃脚尖端作用下，土受垂直集中力P作用，可求得在集中力作用下的半平面体的应力。以集中力P的作用点为极坐标原点（图4），应力与P，r，有关，通过推导得：r=2p/（r）cos         由=0，=1，=3=0，按有关公式可求任意方向应力，因此，X，Z方向的应力：

15、z=2p/cos3/r           x=2p/sin2cos/r      zx=2p/sincos2/r     （10）因是无因次量，故应力分量是1/的函数，又是的函数。r越大，应力越小。集中力P作用线上应力最大，向两侧逐渐减小。垂直线上的应力随深度变化，愈深愈小，因而在垂直与水平方向上，土体受力被压缩。（2）在刃脚下沉过程中，周围的土中应力变化，可按三角形荷载作用下半面体的应力计算：根据公式可

16、得出不同深度Z/b与不同位置X/b，在三角形荷载下的应力Z/P值。3.5  压密壳与土压力沉井下沉，井筒最前端的刃脚对其周围土层施力，在力的作用下，土被挤压和压缩，土中应力应变发生改变。土中发生动水过程，水分被挤出，孔隙减少，土被压实和移动变形（弹性变形并伴随永久变形），若达到土的抗剪强度，土产生相对滑动，若强度破坏点越来越多，则形成滑动面，使压实土体滑动分离，逐渐形成“压密体”和“压密壳”体。刃脚垂直剖面为三角形，一般刃脚高3-8 m，夹角30°左右。刃脚与井壁相连，井壁外侧向内收缩0.3 m左右，形成一台阶空间，因而使井壁与土层“压密壳”间形成一空间，压密壳环绕井壁而立

17、。因此，在一般正常下沉情况下，井壁是不会与土层发生接触和摩擦的。通过上述分析知道：沉井在正常下沉过程中，将不会受到地压（主动土压力）的作用（除了产生涌砂，突水，壁外充填被破坏；或沉井偏斜过大等不正常情况外）；而只是在刃脚部份受到被动土压力的作用。4、竖井表土地压与沉井地压在竖井表土（散体）地压的计算公式中，人们把垂直巷道内的支架，看作是承受围岩（土）方面的主动压力的挡土墙，而不论这些支架（竖井井筒）处于何种状态是静止还是移动的。这与我国长期接受和采用普氏、秦氏等人的观点与理论有关，因此，当有不同的看法与论点，例如，笔者撰写的“水机械化料石沉井侧面阻力计算”（1961年毕论文，和文献7，8），认

18、识到“沉井刃脚的侧面压力是被动土压力”，均未引起注意。同时，在矿山岩石力学教材中，也很少介绍被动土压力的有关知识。应当指出，沉井井筒在表土层中下沉，不是静止的，井筒不断下沉，井筒前端的刃脚要压迫土体，挤压土体和受到土的被动土压力的作用；并形成“压密壳”体围绕井筒而立。在正常下沉情况下，沉井不会受到地压（主动土压力）的作用。我们知道：被动土压力和主动土压力（地压），两者无论在质和量上都是不相同的，两者有较大的差别：“在一般表土层中，被动土压力较地压（主动土压力）要大几倍，且其与深度的关系也较密切”8。为了区别，我们把沉井井筒（刃脚）所受的被动土压力称之为沉井地压。5、结  语（1）沉井地压是竖井表土