和沉井结构有关的论文题目

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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。就地下工程而言，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 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。 平面挡土墙计算法的由来 普氏计算法〔6〕 普洛托吉雅可洛夫（.Протодьяконов）用坚固性系数f来代表岩石的性质，也即用似内摩擦系数tgΦ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γz（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。 秦氏计算法 秦巴列维奇（П。М。Цимбаревич）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 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. 主动土压力与被动土压力 著名的朗肯土压力理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。 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γ，则微元顶面应力为σz，σz=γZ；σx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σz不变，σx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Ⅱ，此时Ⅱ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=KaγZ 式中：Pa为主动土压力；γZ为土的自重；Ka为主动土压力参数，Ka=tg2[（45°-Φ）/2]；Φ为土的内摩擦角。 （3）被动土压力：若土体在水平方向压缩，则σz不变，σx不断增大并超过σz，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Ⅲ所示，此时Ⅲ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=KpγZ 式中：Pp为被动土压力；γZ与（5）式同；Kp为被动土压力系数，Kp= tg2[（45°-Φ）/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 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 m为世界之最。我国煤炭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 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，在桥梁交通、地铁、建筑等行业中，也得到应用。 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。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. 沉井侧面阻力的侧压力 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〕。 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 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 m与 m处取同层土样，测得干容重分别为：在 m处，γd= kN/立方米；在 m处，γd= 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 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。 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。 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 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，. 〔2〕 秦巴列维奇。矿井支护〔M〕。北京：煤炭工业出版社，. 〔3〕 陈希哲。土力学地基基础。第二版〔M〕。北京：清华大学出版社，. 〔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，. 〔5〕 余力。泥浆淹水深沉井新工艺〔J〕。建井科技动态，（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，. 〔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，. 〔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.

摘要： 当基础深度在天然地下水位以下时，在基础施工中常常会遇到地下水的处理问题。关键词： 深基坑 地下水 措施前言一般认为，基坑开挖要具备以下的必要条件：首先保持基坑干燥状态，创造有利于施工的环境；其次是确保边坡稳定，做到安全施工，如果忽视这些必要条件，其后果是严重的。有的基坑积水或土质稀软，工人难以立足，无法施工；有的出现“流砂现象”导致边坡塌方，地质破坏；有的内部基坑土体发生较大的位移，影响邻近建筑物的安全。之所以会出现这些异常情况，都是由地下水引起的。所以，在基坑施工中应对地下水的处理给予应有的重视。��一、 地下水的人工处理��地下水的处理有多种可行的方法，从降水方式来说可总分为止水法和排水法两大类。止水法，即通过有效手段，在基坑周围形成止水帷幕，将地下水止于基坑之外，如沉井法、灌浆法、地下连续墙等；排水法是将基坑范围内地表水与地下水排除，如明沟排水、井点降水等。��止水法相对来说成本较高，施工难度较大；井点降水施工简便、操作技术易于掌握，是—种行之有效的现代化施工方法，已广泛应用。本文结合工程实例对井点降水法作一简要介绍。� 井点降水法，它是在拟建工程的基坑周围设能渗水的井点管，配置一定的抽水设备，不间断地将地下水抽走，使基坑范围内的地下水降低至设计深度。井点法防水适用于具有不同几何形状的基坑，它有克服流砂、稳定边坡的作用。由于基坑内土方干燥，有利机械化施工，缩短工期，保证工程质量与安全。� 目前国内常用的井点降水法有轻型井点、喷射井点、电渗井点。在我国，井点降水法是新中国成立后才逐步发展起来的。在工程的基坑＜槽＞附近埋设大量的渗水井点管，与此同时地面组装抽水管路系统，通过井群连续抽吸地下水，使基坑范围内的地下水位降低到基坑以下一定深度，以保持基坑干燥状态。通常把这一方法叫做井点降水法。��井点降水法具有下列优点：施工简便，操作技术易于掌握；适应性强，可用于不同几何图形的基坑；降水后土壤干燥，便于机械化施工和后续工作工序的操作；井点作用下土层固结，土层强度增加，边坡稳定性提高；地下水通过滤水管抽走，防止了流砂的危害；节省支撑材料，减少土方工程量等。井点降水法已成为目前在含水透水位土层实施的一种行之有效的方法。��1.轻型井点降水法��（1）轻型井点抽水系真空作用抽水，除管路系统外，很大程度取决于抽水设备。目前常用的真空泵型、隔膜泵型配套抽水装置。��轻型井点井点管、过滤管、集水总管、主管、阀门等组成管路系统，并由抽水设备启动，在井点系统中形成真空，并在井点周围一定范围形成一个真空区，真空区通过矽井扩展到一定范围。在真空力的作用下，井点附近的地下水通过砂井，经过滤器被强制性吸入井点系统内而使井点附近的地下水位得到降低。在作业过程中，井点附近的地下水位与真空区外的地下水位之间，存在一个水头差，在该水头差作用下，真空区外的地下水是以重力方式流动的。所以常把轻型井点降水称真空强制抽水法，更确切地说应是真空—重力抽水法。只有在这两个力作用下，基坑地下水才会降低，并形成一定范围的降水的漏斗抛物线。��井点管与总管的联接可用钢管和透明塑料管，因受真空力的作用，塑料管内装有弹簧，以加强抗外部张力，保证地下水流畅通。��总管与总管的联接有法兰法和套箍法两种形式。��（2）施工时应注意的问题��经过降低地下水位后，土壤会产生固结，也就会在抽水影响半径的范围内引起地面沉降，有时会给周围已有的建筑物带来一定程度的危害。在进行降低地下水位施工时，为避免引起周围建筑物产生过大的沉降，采用回灌井点是一种有力的措施。这种方法就是在抽水影响半径范围内建筑物的附近预先钻一排孔，在进行抽水降低地下水位之前，事先将钻孔内的水位勘查清楚，记录下来。当进行抽水降低地下水位时，为避免已有建筑物下面的地下水位下降，与降水的同时向钻孔内灌水，以保证原地下水位不变化，以此来防止地面产生沉降给已有的建筑物带来危害。2. 深井井点��深井井点降水是在深基坑周围埋置深于基底的井管，依靠深井泵或深井潜水泵将地下水从深井内扬升到地面排出，使地下水位降至坑底以下。��深井井点降水具有排水量大、降水深、不受吸程限制、井距大等优点。但其一次性投资大，成孔质量要求高。深井井点降水适用于渗透系数较大（10~250m/d）；土质为砂土、碎石如；地下水丰富、降水深（10~50m）、面积大的情况。��（1）施工工艺程序��（2） 井点设置与使用阶段的注意事项��① 成孔��② 安设井管、填充滤料��③ 洗井��④ 安设水泵��⑤ 使用阶段注意事项��Ⅰ、基坑内井点应同时抽水，使水位差控制在要求范围内。��Ⅱ、加强水位监测，特别是靠近已有建（构）筑物的深井井点，宜在建（构）筑物附近设观测井，水位差过大时，应立即采取补救措施，如设置回灌井点等。��Ⅲ、防止排出的地下水回渗而流入基坑。��Ⅳ、潜水泵在运行时要注意检查电缆线是否和井壁相碰，以防磨损后水沿电缆芯渗如电动机内。��Ⅴ、位于基坑内的深井井点，由于井管较长，挖土至一定深度后，井管应于附近的支护结构支撑或立柱等连接，予以固定。��Ⅵ、当基坑底部有不透水层时，为排除上层地下水，可采用砂井配合深井降水。��Ⅶ、井管使用完毕拔出。��二、工程实例��山东省畜牧兽医科技服务中心工程，地上13层，地下1层，高度39m，建筑面积为13000m2，钢筋混凝土框剪结构，基础采用钻孔灌注桩，桩径，单桩承载力设计值1600KN，桩端嵌入中风化岩层深度不小于，设计桩长20m，桩总数187根。��1 工程地质条件��场地地层自上而下依次为：①杂填土；②粉质粘土；③残积砂(砾)质粘性土，上部多为粘性土，粘性较强；下部多为粉砂，遇水易软化，轻振即液化，水量丰富；④强风化花岗岩，中粗粒及碎块结构，裂隙发育，涌水量较大；⑤中风化花岗岩；⑥微风化花岗岩。��2 井点降水方法��根据地质资料得知，拟建场地水文地质条件较为单一，场地地下水属第四系孔隙潜水，主要补给源为大气降水，地下水受季节性影响较大。场内地下水位在之间，水位很高，其含水层主要为第3层碎石层，第2、4层为弱透水层，其渗透系数为（）*10-6cm/s，第5层为隔水层。工程采用大口径深井降水，沿拟建楼周围设15眼降水井，深水电泵进行抽水。考虑到降水深度大，影响半径范围广，若长时间抽降水，势必会影响场外附近建筑物，为了增强降水效果，又可缩短抽水时间，采用间断性抽水，减少外围影响面积，并设置沉降观测点。降水井径大于600mm，孔深，护壁套管直径为600mm，套管外面包2层尼龙网布；套管外四周用粒径为～的砾石料填充，作为滤水层，滤层应填至原地下水位线，其上部用粘土回填，并捣实。工程严格按照降水井施工规范要求埋设管井，采用泥浆护壁钻孔法成孔。井孔钻孔后进行清孔，随后安装井管。��施工结果��本工程的井点降水比较成功，水位得到控制，流泥、流砂的现象也仅有少量出现，改善了施工条件，使该工程的±以下结构能保证质量并按时完成，取得了较好的经济效果。参考下