3、沉井受力簡(jiǎn)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(guó)沙龍尼（Saloney）煤田首次使用沉井法以來(lái)，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(hào)立井，沉深達(dá)200.3 m為世界之最。我國(guó)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(jiǎn)單，設(shè)備較少，勞動(dòng)強(qiáng)度輕，在我國(guó)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(duì)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(guó)學(xué)者（包括有關(guān)的高校教材）對(duì)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(wú)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(lái)計(jì)算它，顯然與秦氏平面擋土墻公式的理論不符。因?yàn)樵摴绞窃凇凹俣ㄔ趲r層與支架材料之間沒(méi)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(chǎng)，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(cè)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(shuō)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(guò)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(guò)水，工人用2m長(zhǎng)的鋼釬捅和用錘擊釬子，發(fā)覺壁外有一硬層難以通過(guò)。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(lái)，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(guò)計(jì)算，此時(shí)沉井自重大大的超過(guò)側(cè)面阻力（表土地壓為側(cè)壓力），該現(xiàn)象無(wú)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(tái)階（約0.3 m寬）空間，圍繞井筒而存在。否則，壁后充填都將無(wú)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。
3.1 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(guó)沙龍尼（Saloney）煤田首次使用沉井法以來(lái)，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(hào)立井，沉深達(dá)200.3 m為世界之最。我國(guó)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(jiǎn)單，設(shè)備較少，勞動(dòng)強(qiáng)度輕，在我國(guó)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(duì)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(guó)學(xué)者（包括有關(guān)的高校教材）對(duì)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(wú)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(lái)計(jì)算它，顯然與秦氏平面擋土墻公式的理論不符。因?yàn)樵摴绞窃凇凹俣ㄔ趲r層與支架材料之間沒(méi)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(chǎng)，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(cè)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(shuō)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(guò)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(guò)水，工人用2m長(zhǎng)的鋼釬捅和用錘擊釬子，發(fā)覺壁外有一硬層難以通過(guò)。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(lái)，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(guò)計(jì)算，此時(shí)沉井自重大大的超過(guò)側(cè)面阻力（表土地壓為側(cè)壓力），該現(xiàn)象無(wú)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(tái)階（約0.3 m寬）空間，圍繞井筒而存在。否則，壁后充填都將無(wú)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。