施工竖井压力计算和稳定性分析

1、论文摘要：施工竖井的稳定性关系到矿工的生命安全和工程的正常生产，因此，对竖井进行稳定性分析，采取合理的加固措施是十分重要的。由于竖井井壁所发生的主要破坏是剪切破坏，因此，论文重点研究了剪切破坏的原理、过程及由其带来的危险性。应用极限平衡理论判断井壁是否发生剪切破坏的关键问题是如何确定地应力，确定地应力的方法有两类，一是理论方法，即根据朗肯土压力理论或库仑土压力理论得到地应力；二是测量方法，比较常用的是应力解除法。本文分别应用上述两类方法对竖井作了稳定性分析，并对所得结果进行了比较分析。根据实际工程的需要，对竖井的进行了稳定性分析，对工程中可能出现的危险作了进一步研究，并根据结果提出防护措施。论

2、文所得结果对竖井的安全评估提供参考。关键词：抗剪强度；土压力；稳定性；挡土墙目 录第一章 井壁压力计算31、平面挡土墙计算法32、 空心圆柱体挡土墙计算法7第二章井壁稳定性分析8第三章施工竖井的防护措施设计111、竖井井壁的几种支护类型112、水泥土重力式挡土墙12第一章 井壁压力计算1、平面挡土墙计算法井壁压力的显现，通常有三种形式：（1）井筒附近土体抗剪力不能抵抗上部土层压力及自身重力所引起的沿某一锥面的剪切力，形成空心圆锥形土体下滑，作用在井壁上一个水平分布力；（2）土体中蒙脱石等膨胀性矿物含量高，遇水膨胀或冻胀，产生对井筒衬砌的压力；（3）流砂等流动性土体对井壁产生的流动压力。在本章主

3、要讨论第一种情形，也是竖井井壁压力最重要的一种形式。由挡土墙土压力计算中的朗肯主动土压力计算，主动土压力计算公式为：砂性土： 黏性土： 式中： ；土的重度（kN/m）c、土的黏聚力（kPa）及内摩擦角；计算点距填土面的深度（m）但是，在实际情况中，遇到的问题可能比上面公式中所涉及到的问题更加复杂一点，毕竟上述公式是按理想情况来研究的。为了和实际问题更加接近，在这里再来研究一下土质是成层土和填土面上有超载。 图1.1成层土时的主动土压力计算如图1.1所示挡土墙后面填土为成层土，由于两层土的抗剪强度指标不同，使得土层分界面上土压力的分布有突变，计算如下。 b点上（在第一层土中） b 点下（在第一层

4、土中） （1.1）c 点 式中：；。如图1.2，若挡土墙后填土表面有连续均布载荷作用，计算主动土压力时相当于在深度为处的竖直应力增加了一个值，图3.2填土上有超载时的主动土压力就可以得到填土面上有超载时的主动土压力公式砂性土： (1.2)黏性土： (1.3)由于土体抗剪强度很低，因此，假定在土层中开挖竖井后，土体即有可能发生剪切破坏，形成空心圆锥形滑移体，如图1.3所示。由于各层土体强度参数不同，因此各层土体对井壁所产生的压力应分别进行计算。为此将空心圆锥形滑移土体简化为三棱锥滑移体，将空心圆柱体挡土墙简化为平面挡土墙，用挡土墙主动土压力计算公式计算各层压力，计算公式为： (1.4) (1.5

5、)图1.3平面挡土墙法计算图现在以施工竖井为背景，把实际情况简化为理想的力学模型如下。图3.4模型受力图假设施工竖井地质主要以花岗岩为主，所以，设kN/, m, kN/, , m。计算过程如下：由=30、=35，可以计算得：=0.333、=0.271a点： =200.333=6.67kPab点（在第一层土中）：=(26205+20)0.333=1.8MPab点（在第二层土中）：=(26205+20)0.271=1.45MPac点： =(26205+2830+20)0.271=1.68MPa以上算出的是水平方向上的主应力，而垂直方向上205m处的主应力为： =26205=5.33MPa2、空心圆

6、柱体挡土墙计算法与平面挡土墙计算法相反，这种计算法对土体滑移体和井筒衬砌没有进行简化，而是按空间轴对称问题，用松散介质极限平衡理论求解，其计算公式为: (1.6)+ (1.7)式中：计算土层以上的土层传来的均布压力，；计算土层在计算中所用的简化系数，；计算深度土体滑面与土层上表面的交点至井筒中心的距离，,其中为计算土层上界点至计算点的高度， 为竖井掘进半径。综上所述，分析可知，平面挡土墙计算法作了三棱锥滑移体和平面挡土墙的假定，故计算的井壁的压力比实际要高。由于土体的空心锥形滑体的滑移有相互挤压作用，从而使作用在井筒衬砌上的水平压力减小。显然，对于空心圆柱体挡土墙计算法，计算土层越厚越大。由式

7、（1.7）可知，井壁压力并不随土层厚度增大而线性的增大，而是当厚度增大时，井壁压力增长率逐渐减小，最后趋近与某一定值，因此，通常认为空心圆柱体挡土墙计算法更接近实际一些。讨论完井壁是土体的稳定性后，再分析研究一下基岩中井壁压力计算。实践证明，只有发生破坏的基岩才会对井筒衬砌产生压力，同时，按照临界深度计算判断井筒围岩的稳定性时，已经考虑上覆岩层的自重力，因此，可以认为不破坏的基岩层以上的岩层对其下不稳定层井壁压力计算无影响。因此，只须计算破坏层对井壁的压力。为了使理论计算更符合实际，在此最好是应用空间挡土墙计算法公式来计算基岩破坏层对井壁的压力。值得指出的是，这些计算方法都是建立在理想的力学模

8、型的基础之上的，实际工程中的岩体，构造的影响是不可忽视的因素，应该结合岩体构造调查的分析，在综合评价竖井围岩稳定性的基础上，对井壁压力公式做出适当修正。另外，井筒附近采区对井筒稳定性的影响也应做出恰当的估计，并采取相应的必要措施进行防治。第二章井壁稳定性分析由于施工竖井井壁的破坏、塌方等情况，主要是因为剪切破坏造成的，所以在这里主要研究和讨论由于土的抗剪强度的大小给井壁带来的不稳定因素。由土的抗剪强度那一章所讨论的内容可知，砂性土的极限平衡条件为：或 = =而黏性土的极限平衡条件为： =+ = 极限平衡的表达式，并不是在任何应力状态下都能满足的恒等式，而是代表土体处于极限平衡状态时主应力间的相

9、互关系。因此，以上公式可以用来判断土体是否达到剪切破坏。例如，已知土中某一点的最大、最小主应力和以及抗剪强度指标c和，可得、c和值或、c和值，代入这些公式的右侧，求出主应力的计算值或，它们表示该点处于极限平衡状态时所能承受的主应力极值。将此主应力的计算值或与已知的主应力值比较，即可判断出该点是否会发生剪切破坏。如果<或>，表明该点已被剪坏；反之，则没有发生剪切破坏；若=或=，表明该点处于极限平衡状态。由此可见，要判断井壁上一点是否发生剪切破坏，只须确定该点的最大和最小主应力和即可，其中和的确定，就是通过挡土墙的土压力计算公式来确定的，上面内容已经详细讨论过了。所以，在此重点研究在知

10、道和的情况下怎么去判断土体中一点是否发生剪切破坏，现在再把实际情况简化为理想的力学模型，来讨论该方法的思路。现假设砂土中某一点的大主应力=400kPa，小主应力=200kPa,砂土的内摩擦角=25,黏聚力=0，试判断该点是否破坏。（1）先来看第一种方法，按某一平面上的和对比来判断：根据式子(2.13)知，破坏时土中出现的破裂面与大主应力作用面的夹角=（45+）。因此，作用在与大主应力作用面成(45+)角平面上法向应力、剪应力和抗剪强度，则： =+ =+ =257.7kPa = =90.6kPa=257.7tan25=120.2kPa>由与破裂面上的抗剪强度大于剪应力，故可判断该点未发生剪

11、切破坏。（2）由=可判断： =200 =492.8 kPa>=400 kPa故可判断该点未发生剪切破坏。（3）同样的原理由式子=)可判断： =400=162.3 kP<=200 kP故可判断该点未发生剪切破坏。通过这一模型情况，我们可以对土中某一点是否发生剪切破坏作以明确的判断，而在实际情形中，不能仅仅考虑一点，而是要考虑很多点来分析土层是否发生剪切破坏。第三章施工竖井的防护措施设计1、竖井井壁的几种支护类型（1）悬臂式支护一切没有支撑和锚杆的支护结构都可归属为悬臂式支护结构4。悬臂式支护结构依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维持基坑坑壁的稳定和结构的安全。由于悬臂式支护结构上端

12、的水平位移是开挖深度的五次方的函数，对开挖深度很敏感，容易产生较大的变形，所以悬臂式支护结构只适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。（2）水泥土重力式挡土墙利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机在地层深部将水泥和土强制拌和，让水泥和土之间产生一系列的物理和化学反应，硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度水泥土桩。目前，在工程中用得较多的水泥土重力式支护结构，采用水泥搅拌桩组成，有时也采用高压喷射注浆法形成。为了节省投资，常采用格珊体系，深层搅拌水泥土桩重力式支护结构常用于开挖深度在7.0米以上的基坑工程。采用高压喷射注浆法可以在基坑中形成水泥土挡墙。（3）内撑式支护结构内撑式支护结构由支护结

13、构体系和内撑体系两部分组成。支护结构体系常采用钢筋混凝土桩及地下连续墙。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。根据不同开挖深度又可采用单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支撑；内撑常采用钢筋混凝土梁、钢管支撑等。内撑式支护结构使用范围较广，可使用于各种土层和基坑深度。2、水泥土重力式挡土墙水泥土是一种具有一定强度的混合材料，其抗压强度相对比抗拉强度大得多，因此设计时一般按重力式挡土墙考虑。由于埋置深度相对较大，而挡土墙本身刚性不大，所以实际工程中变形也较大，其变形规律介于刚性挡土墙和柔性支挡结构之间。因此，为安全起见，可用重力式挡土墙的方法验算其抗倾覆、抗滑移稳定性。图3.1水泥土重力式挡土墙稳定性

14、验算(1)土压力计算对于水泥土重力式挡土墙支护结构，作用在其上的土压力通常按朗肯土压力理论计算。由朗肯土压力理论可知作用于墙上位置深度处的主动土压力为：砂性土： 主动土压力强度 （3.1）土压力 （3.2）黏性土：主动土压力强度 （3.3）土压力 （3.4） （3.5）式中： 土的重度； 计算深度；朗肯主动土压力系数，挡土墙高度；土的粘聚力土的内摩擦角；由朗肯土压力理论可知作用于墙上位置深度处的被动土压力为，砂性土：被动土压力强度 （3.6）被动土压力 （3.7）黏性土：被动土压力强度 （3.8）被动土压力 （3.9）式中： 朗肯被动土压力系数，；其余符号同前。（2）抗倾覆稳定性验算水泥土重力

15、式挡土墙绕墙趾O的抗倾覆稳定安全系数为： = （3.10）式中：墙体自重，kN； 墙后主动土压力，kN； 墙前被动土压力，kN； 主动土压力作用线离墙趾距离，m； 被动土压力作用线离墙趾距离，m； 水泥土重力式挡土墙厚度，m；抗倾覆稳定安全系数，根据基坑的坑壁安全等级、结构形式以及采用的计算理论和相应的土工参数进行确定，一般取1.11.3，等级高的取上限，等级低的取下限。（3）抗滑移稳定性验算水泥土重力式挡土墙沿墙底抗滑移安全系数为： (3.18)式中：墙体土层的粘聚力，kPa；墙体土层的内摩擦角；墙底抗滑移安全系数，一般取1.151.2。墙底抗滑移安全系数也可以根据水泥土重力式挡土墙结构基底

16、的摩擦系数进行计算： （3.11）现以平面问题为例来说明井壁挡土墙的设计和稳定性的验算。假设某一竖井开挖深度=5.0m，采用水泥土搅拌桩墙进行支护，墙体宽度=4.5m，墙体入土深度=6.0m，墙体重度=20kN/m，墙体与土体摩擦系数=0.3。井内土层重度=19.6 kN/m，内摩擦角=24，粘聚力=0，地面超载为=20kPa。试验算该挡土墙是否符合要求。主动和被动土压力系数为： =0.4217 =2.3712地面超载引起的主动土压力为 20(5 + 6)0.4217=92.77 kN/m的作用点距墙趾距离为：m墙后主动土压力为：= =500.05kN/m的作用点距墙趾距离为： m墙前被动土压力为： kN/m的作用点距墙趾距离为： m墙体自重为： kN/m抗倾覆稳定安全系数为： = =1.66>1.3 符合要求。抗滑移安全系数为： = 符合要求。对于实际情况中的施工竖井，在利用该方法进行支护时，计算出的抗倾