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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?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(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(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))地壓的計(jì)算
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,對于該地壓的計(jì)算公式有多個(gè),目前“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,按空間軸對稱問題求得計(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;(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)??汕蟪鰺o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γZ與(5)式同;Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù),Kp= tg2[(45°-Φ)/2].
(5)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。1839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(gè)[4]。1966年日本竣工的日鐵有明3號立井,沉深達(dá)200.3 m為世界之最。我國煤炭工業(yè)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192.75 m深度[5]。沉井法工藝較簡單,設(shè)備較少,勞動(dòng)強(qiáng)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(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 我國學(xué)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(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)者的影響所致,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,并用秦氏公式來計(jì)算它,顯然與秦氏平面擋土墻公式的理論不符。因?yàn)樵摴绞窃?ldquo;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,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)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
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。這與我國長期接受和采用普氏、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,和文獻(xiàn)[7],[8]),認(rèn)識到“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。
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)識和計(jì)算,有助于巖石力學(xué)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(jì)價(jià)值。
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