沉井地压-一种特殊表土地压的探讨

沉井地压——一种特殊表土地压的探讨摘要：分析探讨讨沉井在表土土中下沉时所所引起的受力力现象及其相相关的论点，发发现沉井在正正常下沉过程程中，不仅仅仅会受到竖井井表土地压的的作用，更主主要是沉井的的前端（刃脚脚）受到被动动土压力的作作用。关键词：沉井井；地压；主主动土压力；；被动土压力力引言岩石力力学认为：所所谓地压是泛泛指在岩体中中存在的力，它它既包含原岩岩对围岩的作作用力，围岩岩间的相互作作用力，又包包含围岩对支支架的作用力力。当围岩的的次生应力不不超过其弹性性极限时，地地压可全部由由围岩来承担担，井巷可不不加支护在一一定时期内维维持稳定；当当次生应力超超过围岩强度度极限时，为为保持井巷稳稳定，必须架架设支架，这这时，地压是是由围岩和支支架共同承受受。为此，把把围岩因变形形移动和冒落落岩块作用在在支架上的压压力称为狭义义地压；而将将岩体内部原原岩作用于围围岩和支架上上的压力称为为广义地压。就就地下工程而而言，主要研研究狭义地压压。若在竖竖井（垂直巷巷道）中，由由于井帮发生生破坏，使井井筒（支架）受受压，这种岩岩土压力和水水压（有水时时）所形成的的压力，即为为竖井地压。1、竖井地压1.1竖井散体（松松动）地压的的计算当竖竖井在表土层层或竖井井帮帮岩石破碎时时，井筒井壁壁周围将产生生散体（松动动）地压，对对于该地压的的计算公式有有多个，目前前“竖井设计中中散体（松动动）地压的计计算广泛使用用平面挡土墙墙公式和圆锥锥挡土墙计算算法”［1］。平面挡挡土墙计算法法的实质是把把表土或破碎碎的围岩视作作无凝聚力的的松散体，将将井壁视为平平面挡土墙，作作用在井筒井井壁上的地压压为主动土压压力。圆锥挡挡土墙计算法法中，竖井井井壁是个圆柱柱面，当土体体（或破碎岩岩体）向内滑滑移时，井壁壁周围岩土体体形成空心圆圆锥体，按空空间轴对称问问题求得计算算公式。它们的的计算假设和和依据都是基基于：1.在讨论竖井井围岩的应力力分布时，把把井筒看作是是一个半无限限体的垂直孔孔。2.竖井井筒（支支架）是固定定直立，不会会移动的受力力体。3.按狭义地压压的定义，把把围岩因变形形移动或冒落落作用于支架架上的压力，来来计算竖井散散体（松动）地地压。1.2普氏计算法法［6］普洛托托吉雅可洛夫夫（M.M.Протоодьякоонов）用坚固性性系数f来代表岩石石的性质，也也即用似内摩摩擦系数tgΦ来代表。井井壁压力就是是极限平衡状状态的侧压力力，岩（土）体体自重为γz（z为计算深度度），侧压系系数为秦氏计计算法秦巴列列维奇（П。М。Цимбааревичч）的基本观观点与普氏相相同，只是不不用加权平均均的坚固性系系数，而是分分层计算。秦秦氏提出计算算竖井（垂直直巷道）的地地压公式是：：“垂直巷道内内的支架，即即可看作一种种承受着围岩岩方面的主动动压力的挡土土墙，这种假假想并不是十十分严格的，而而只是一种可可以提供近似似结果的假设设”。同时，视视土为松散介介质，而不考考虑粘结力：：“而且假定在在岩层与支架架材料之间没没有摩擦才能能有效”［2］。由于秦秦氏计算式在在设计计算中中被广泛使用用至今，因而而，人们长期期都认为竖井井井壁（包括括沉井）所受受的力，就是是这种“承受着围岩岩（土）方面面的主动压力力”的地压，而而不存在其他他力的作用。2、挡土墙与与土压力简介介2.1土压力的种种类根据挡挡土墙位移的的情况，产生生三种不同的的土压力，（1）挡土墙固固定不动，作作用在挡土墙墙上的土压力力称为静止土土压力P0.（2）松散介质质（土）对于于挡土墙的推推力而产生的的主动土压力力Pa.（3）松散介质质（土）受到到挡土墙的抗抗力而产生的的被动土压力力Pp.2.2主动土压力力与被动土压压力著名的的朗肯土压力力理论主动土压压力与被动土土压力的计算算（1）在半无限限弹性土体中中，深度Z处取一微元元体，土的容容重为γ，则微元顶顶面应力为σz，σz=γZ；σx为侧面应力力［图2（a）］，此时时应力状态可可用（2）主动土压压力：假设土土体在水平方方向均匀拉伸伸膨胀，则σz不变，σx逐渐减小，直直至极限平衡衡状态为止，如如图2的（c）和（b）中的摩尔尔园Ⅱ，此时Ⅱ与抗剪强度度曲线相切于于T1点。可求出出无粘性土时时（粘性土时时，略）的主主动土压力：：Pa=KaγZ式中：Pa为主动土压压力；γZ为土的自重重；Ka为主动土压压力参数，Ka=tgg2[（45°-Φ）/2]；Φ为土的内摩摩擦角。（3）被动土压压力：若土体体在水平方向向压缩，则σz不变，σx不断增大并并超过σz，一直到达达被动极限平平衡状态为止止。如图2（d）和（b）中的摩尔尔园Ⅲ所示，此时Ⅲ与抗剪强度度曲线相切于于T2点。可求出出无粘性土时时（粘性土时时，略）的被被动土压力：：Pp=KpγZ式中：Pp为被动土压压力；γZ与（5）式同；Kp为被动土压压力系数，Kp=tgg2[（45°-Φ）/2].（4）在竖井表表土地压中，是是否只有主动动土压力的作作用？有没有有被动土压力力的存在和作作用？这就是是本文所要探探讨的关键问问题。3、沉井受力力简析3.1沉井法概况沉井法法是在不稳定定含水表土层层中，开凿井井筒的特殊施施工方法之一。1839年法国沙龙龙尼（Salonney）煤田首次次使用沉井法法以来，在欧欧洲已使用于于地下工程中中有1500多个［4］。1966年日本竣工工的日铁有明明3号立井，沉沉深达200.33m为世界之最最。我国煤炭炭工业使用沉井井法已建成100多个井筒，其其中山东单家家村煤矿下沉沉到192.775m深度［5］。沉井法法工艺较简单单，设备较少少，劳动强度度轻，在我国国煤炭表土建建井中曾有较较大发展，在桥梁梁交通、地铁、建建筑等行业中中，也得到应应用。3.2沉井受力与与下沉条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，侧面阻力Tf，井筒水的的浮力B而下沉。Q是沉井的主主动力；Rs是土给刃脚脚斜面的反力力，若及时出出土，Rs即可消失。B等于井壁所排排开同体积水水重，若采用用淹水沉井，虽虽有阻力作用用，但它保持持了井内外压压力平衡，对对沉井有利。Tf是井筒外壁壁所受土的阻阻力（包括井井筒前端的刃刃脚），是下下沉的一个重重要因素。因因此，加大自自重Q，减少Tf是沉井的关关键。由于自自重是人为的的可控因素，应应着重研究的的是侧面阻力力Tf.3.3我国学学者（包括有有关的高校教教材）对沉井井侧阻所提出出的看法，主主要论点可归归结为：（1）下沉的沉沉井井壁与土土壤直接发生生摩擦，也有有认为是沉井井井壁与土壤壤间发生滑动动。（2）沉井井壁壁所受的侧压压是竖井表土土地压（散体体地压）。这些看法法可能是由于于受原苏联学学者的影响所致，例例如П。М。秦巴列维维奇在他的著著作《矿井支支护》中提到到：沉下式“支架所受的的影响是它本本身的重量，岩岩层及水的侧侧压以及支架架基础所生反反作用力，当当支架底部岩岩石一旦挖出出，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渐增增加，无论支支架处于哪一一种位置，摩摩擦力大小都都决定于侧压压力的大小，岩岩石与支架外外表之间的摩摩擦系数，以以及支架外部部表面的大小小，即侧阻值值等于侧压与与表面积摩擦擦系数之积”［2］。此此处的侧压是是什么力，秦秦氏未明确指指出。然而人人们却用竖井井表土地压作作为沉井侧压压力，并用秦秦氏公式来计计算它，显然然与秦氏平面面挡土墙公式式的理论不符。因因为该公式是是在“假定在岩层层与支架材料料之间没有摩摩擦才能有效效”

沉井井壁与与土层间发生生了什么？从从沉井施工现现场，可观察察到以下现象象：（1）在徐州拾拾屯沉井施工工时，为了纠纠偏，进行壁壁外“大揭盖”，发现与沉沉井壁相隔0.2-00.3m的炉渣层（壁壁外充填料）的的土层，有一一比同一标高高土层颜色较较深，结构较较密实的环状状土层。在距距地表下3m（井西南方方），距井壁壁外0.7m与4.0m处取同层土土样，测得干干容重分别为为：在0.7m处，γd=16..4kN//立方米；在4.0m处，γd=15..3kN//立方米.γd常见值为13-200kN/立方米，γd越大，土体体越密实，说说明靠近井壁壁的土层被压压密实了。（2）徐州地区区进行料石沉沉井壁后注浆浆时，都比较较费劲，几乎乎每个沉井井井壁外都要捣捣1-3m的硬土层才才能进行。例例如东城矿主主井筒（沉井井），穿过的的硬土层为2-3mm.（3）在沉井壁壁中放置的放放水管，经常常放不出水。例例如拾屯主井井从地表下沉沉到31m深，放水管管从未流出过过水，工人用用2m长的钢钎捅捅和用锤击钎钎子，发觉壁壁外有一硬层层难以通过。又又如马庄主井井，沉井井壁壁安置放水管管伸出壁外较较短，放不出出水来，但听听见有水的响响声。（4）拾屯主井井下沉到30多米时，下下沉几乎停止止，刃脚部份份完全露出（即Rs=0，B=0）。伸手摸刃脚外壁，有一层200-400mm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0.3m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，θ有关，通过推导得：σr=2p/（πr）cosθ

由τγθ=0，σγ=σ1，σθ=σ3=0，按有关公式可求任意方向应力，因此，X，Z方向的应力：σz=2p/πcos3θ/rσx=2p/πsin2θcosθ/rτzx=2p/πsinθcos2θ/r（10）因θ是无因次量，故应力分量σγ是1/γ的函数，又是θ的函数。r越大，应力σγ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σZ/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3-8m，夹角30°左右。刃脚与井壁相连，井壁外侧向内收缩0.3m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。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“水力机械化料石沉井侧面阻力计算”（1961年毕业论文，和文献［7］，［8］），认识到“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地压现象中的一种特殊地压形式，它无论在作用方式以及性质和数量上都与竖井表土地压是不相同的，而且有很大