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沉井地压——一种特殊表土地压的探讨


　　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П。М。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，γd=16.4 kN/立方米；在4.0 m处，γd=15.3 kN/立方米.γd常见值为13-20 kN/立方米，γd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2m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/r          
　　σx=2p/πsin2θcosθ/r     
　　τzx=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3-8 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。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，而且有很大差别。
　　（2）沉井井壁外“压密壳”的形成，为正常下沉时，实施炉碴、泥浆、压气等减阻措施提供了空间，并起到平衡地压的作用。只有在出现涌砂、突水、压密壳破坏等异常情况下，才可能产生地压（主动土压力）作用。
　　（3）沉井地压的提出，改变了有关沉井的认识和计算，有助于岩石力学地压理论的研究和探讨。
　　（4）沉井施工法，不仅在煤炭工业上得到应用，还应用于交通、桥梁、建筑、地铁等的施工中，因此，对沉井地压的研究，不仅有理论意义，还有施工的经济价值。
　　参考文献：
　　［1］ 李通林，等。矿山岩石力学［M］。重庆：重庆大学出版社，1991.177-179.
　　［2］ 秦巴列维奇。矿井支护［M］。北京：煤炭工业出版社，1953.98-696.
　　［3］ 陈希哲。土力学地基基础。第二版［M］。北京：清华大学出版社，1995.120-138.
　　［4］ 余力，马英明。特殊凿井法的发展与展望［R］。徐州：中国矿业学院，1982.1-5.
　　［5］ 余力。泥浆淹水深沉井新工艺［J］。建井科技动态，1983.1（1）：16-17.
　　［6］ 华安增。矿山岩石力学基础［M］。北京：煤炭工业出版社，1980.93-103.
　　［7］ 王祥厚。静载沉井侧面阻力公式的探讨［R］。贵阳：贵州工学院，1979.1-20.
　　［8］ 中国矿业学院沉井科研组。沉井外力和内应力实测及应用［J］。煤炭科学技术，1978，2（8）：36-39.

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