人工凍結法鑿井井口房地基不均勻沉降機理分析

紀文杰，汪春芹，姚直書，薛維培

1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南，232001；2.煤炭工業合肥設計研究院有限責任公司，安徽合肥，230041

凍結法鑿井是指在掘井之前利用人工制冷技術，將井筒周圍不穩定的含水地層凍結成封閉的圓柱形凍結壁，用以抵抗地層壓力，隔絕井筒與地下水的聯系，在凍結壁的保護下進行井筒掘砌施工[1]。在凍結過程中，由于負溫的作用，水分會向凍結鋒面遷移，從而在凍結區域積聚了大量水分[2-3]。土中的水分凍結造成凍脹，并在融化后造成土體結構的變化，改變了土體的物理力學性質[4-6]，對地層產生不利影響。如板集煤礦副井在凍結法鑿井施工結束三年后，井口房地坪出現裂縫，裂口最大達2 cm，房屋鋼柱出現彎曲，已嚴重影響礦井的正常安全生產，必須要進行切實可行的治理工作，消除安全隱患。

由于人工凍結法廣泛應用于地下工程建設中，而凍結工程完成后的融沉不可避免，學者們對工程中的融沉現象進行了大量研究。程樺等[7]通過模型試驗研究了人工水平凍結法施工凍結壁形成規律、凍脹與融沉效應問題；楊平等[8]通過現場實測研究了凍結法施工的凍結溫度場、解凍溫度場、凍脹融沉發展規律；張慶武[9]對停凍后的井筒溫度在橫向上的外、中、內側進行監測，并結合傳熱學原理進行分析，研究了井筒凍結壁融化規律；陳軍浩[10-11]對人工凍土多圈管凍融全過程進行了模型試驗研究，掌握了多圈管凍結壁溫度場形成及融化規律。前人多對工程中的融沉現象和融沉規律進行研究，而人工凍融土的融沉對地表建筑物的影響研究較少。

曾有文獻介紹凍結法鑿井工程結束后，井口周圍結層產生不均勻沉降[12]，并采取了相應的技術措施。但由于對地基沉降機理缺乏系統研究，難以一次性根治該現象，往往需要多次重復治理。

本文以板集煤礦副井井口房地基范圍內經凍融后的土體為研究對象，通過對地基范圍內不同類型的土樣進行凍融試驗，對比凍融前后土樣的物理力學性能，探究凍融作用對地基土的物理力學性能的影響；通過沉降區域的現場勘探，獲得自凍結圈內向凍結圈外不同位置凍融土的物理力學性能。研究旨在為板集煤礦副井井口房地基不均勻沉降治理方案的制定提供理論基礎。

1 工程概況

板集煤礦是一座新建的大型礦井，位于安徽省利辛縣、潁上縣和阜陽市交界處，地貌為沖積平原，第四系沖積層覆蓋厚度大，地形平坦。板集煤礦地下水類型為潛水，水位較高，主要補給來源于地表水和大氣降水，地下水位穩定埋深為2.0 m。板集煤礦副井原直徑為7.3 m，副井深度為795.4 m，穿過沖積層厚度為581.0 m。2009年板集煤礦副井發生井筒透水事故，采用人工凍結法形成封水凍結壁以修復破壞的井壁。根據工程地質條件，凍結孔采用雙排梅花形布置方式，設計鹽水溫度為-34～-30 ℃，有效凍結壁厚度設計為5 m，凍結壁平均溫度為-15 ℃，凍結深度660 m，凍結孔設計參數如表1所示，凍結管布置如圖1所示。

表1 凍結孔設計參數

圖1 副井凍結孔及勘探孔布置位置

副井井筒凍結工程經過152天的積極凍結期達到設計要求，副井修復工程隨即開始，于2014年7月31日停止供冷。2017年年底發現井口房局部鋼支柱發生變形，部分圍護構件破壞，井筒周圍地面出現不均勻沉降，地面開裂如圖2所示，井口房與凍結圈相對位置如圖3所示，而且沉降仍在繼續，嚴重威脅到礦井的安全生產。

圖2 井筒周圍地面開裂情況

圖3 井口房與凍結圈相對位置示意圖

為探究井口地層產生不均勻沉降的原因，在周圍選取6個勘探孔，具體位置見圖1中的Z01-Z06，經勘探獲得地層情況如表2所示。

表2 地層分布情況

為分析該地基的沉降機理，將勘探所得原狀土進行物理力學試驗，并進行了人工凍融土的物理力學性能試驗。

2 試驗方案

根據研究目的，在副井附近的凍結范圍內布設勘探孔，土樣取深為20 m，首先按照取土的位置，測得不同位置原狀土的物理力學特性，然后選取三種具有代表性的土樣：粉質粘土、細砂、粘土，制作重塑土試樣，在實驗室中經過凍融試驗，測得其物理力學特性，并與未經凍融重塑土試樣的物理力學性能進行比較，分析凍融地層的沉降機理。

2.1 物理力學性能試驗方案

勘探所得原狀土和凍融前后的重塑土試樣均需進行物理力學性能試驗，依據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-1999)進行相關試驗，含水率采用室內烘干試驗測定，密度采用環刀法測定，土粒比重采用比重瓶法測定，由土粒比重算得土的孔隙比，進行快剪試驗測其抗剪強度，以確定土的內摩擦角和粘聚力，快剪試驗所用儀器為二速電動等應變直剪儀(EDJ-1型)，進行標準固結試驗以計算其壓縮模量，標準固結試驗使用的儀器為WG-1B型單杠桿固結儀(三聯中壓)[13]。

2.2 重塑土試樣制備

三種土樣經風干和搗碎，過2 mm篩后制備試樣。根據土樣所需含水率計算得到所需水的質量，并將水與土混合，并放入塑料袋中靜置24 h。然后，重新測定土的含水率，含水率的變化控制在0.5% 以內,保證土樣的含水率合格。將準備好的土樣放入擊樣器中分層擊實，土樣制成邊長為10 cm的正方體，然后用保鮮膜將試樣包裹以備后續使用。為了研究經一次凍融循環對土樣的物理力學性能的影響，粉質粘土試樣的初始含水率取為41.6%、細砂試樣初始含水率取為25.7%、粘土試樣初始含水率取為21.2%。

2.3 凍融試驗方案

將重塑土試樣頂部和側面用保鮮膜包裹，試樣底部與透水石接觸并與外部水源接觸，將試樣放入正方體模具中，模具外有隔熱材料包裹，以最大限度阻隔試樣與外界溫度交換。試樣頂部暴露在凍融試驗箱中，下部與盛有酒精的鐵質容器接觸，下部鐵質容器內酒精溫度保持為1 ℃，以確保在凍結過程中水分可以通過試樣底部遷移至試樣中，而且試驗過程中保持外部水源的水位恒定，供水管經隔熱處理。凍融試驗箱在凍結時溫度保持為-15 ℃，凍結時長為24 h，凍結完成后取出試樣在常溫下融化，融化時長為12 h。凍融設備為高低溫交變循環實驗箱,型號TEST-1000,其試驗裝置如圖4所示。

圖4 凍融試驗裝置示意圖

3 試驗結果和分析

3.1 凍融土的物理特性

根據土工試驗方法標準，該試驗主要測試凍融土的含水率、密度和孔隙率，測試結果如表3所示，并與該土樣凍結前進行對比。

表3 凍融土的主要物理參數

由表3可見，土樣融化后與凍結前相比，凍融土的含水率增加，密度減小、孔隙率變大。該現象的主要原因是土體凍結時伴隨著水分遷移，水分向凍結鋒面轉移，使得凍結鋒面處的含水量增加，土體凍脹量明顯增加，從而土體顆粒間的孔隙體積變大，孔隙率增加[14]。因此經凍結的地基土體融化后，由于土體孔隙體積的變大，土體的滲透性增加，部分自由水通過孔隙排出，融土結構變得松散。

3.2 凍融土的力學特性

通過對凍融土進行剪切試驗和壓縮試驗，并將試驗所得結果與該土樣凍結前進行對比，如表4所示。

表4 凍融土的主要力學參數

由表4可見，土樣融化后與凍結前相比，融化后的粘聚力減小，內摩擦角變化較小，壓縮模量減小。該現象的主要原因是土體經凍結融化后，其結構遭到破壞，其抗剪強度下降，凍融土孔隙率增加導致其壓縮性增加，故而其壓縮模量減小。

3.3 凍融土地基不均勻沉降分析

從上述凍融土的物理力學特性分析可知，當土體凍結時，土體中的水變成冰，引起體積膨脹，而且土中水分向凍結鋒面遷移加劇了土體的凍脹。由于土體的凍脹導致孔隙率增加，當凍土融化時，部分自由水通過孔隙排出，壓縮模量減小。根據《建筑地基基礎設計規范》[15]可知，在內摩擦角變化很小的情況下，地基承載力主要取決于粘聚力，而由試驗結果可知，經過凍融作用后，粘性土的粘聚力明顯降低，因此，地基的承載力也將隨之減小。在土體自重及外荷載的作用下，土體被壓密，土層發生沉降，從而引起地基和建筑墻體的變形與開裂。

通過現場勘察得到發生沉降時場地內各土層的物理力學性質如表5所示。其中Z01與Z02勘探孔位于凍結壁外緣以外，也位于井口房外，該處土體因凍融而產生的變化較小，而Z03與Z04勘探孔位于凍結壁內，也位于井口房內，該處土體的物理力學性質因凍融而發生劇烈變化。通過對比可知，凍結壁范圍內土體與凍結壁外緣以外土相比，含水率與孔隙比較大，粘聚力、內摩擦角和壓縮模量較小。

通過井口房內外勘探孔橫向對比發現：②層粉質黏土由硬塑狀態變為軟塑～可塑狀態，性狀出現明顯弱化，Z03、Z04鉆孔地下水。水量明顯增多。由于Z03、Z04鉆孔位于內外凍結孔圈之間，凍結孔附近溫度較低，導致凍結孔附近的冰融化較慢，從而引起凍結影響范圍內土層排水不暢，孔隙水壓力上升，使有效應力減小，導致土層抗剪強度降低。②層粉質黏土為井口房基礎持力層，且井口房部分基礎位于凍結范圍內，通過對②層粉質黏土凍結前后的對比，其承載力特征值由凍融前的230 KPa降低至120 KPa，壓縮模量由7.5降低至5.5 MPa，孔隙比由0.66增大至0.76。

表5 場地內各土層的物理力學性質

在凍結壁形成過程中，土體中水結成冰，導致土體體積增加，產生了凍脹。同時，凍結過程中產生的水份遷移又加大了土體凍脹，破壞了土體的原有結構，使其變得更加酥松。凍結工程結束后，停止向地層供給冷量，凍結壁開始解凍，冰融化成水，體積減小。因此，與原狀土相比，凍融土的抗剪強度降低、壓縮模量減小，在自重應力和地基荷載作用下，土體將發生較大的融沉現象[16-17]。

在凍結過程中，土體的溫度自凍結壁向外逐漸升高，并過渡到正常地溫。因此，凍土融化自凍結壁外緣向內推進，融化過程中凍土與融土之間存在著明顯的固相與液相的相變界面，但凍融土在發生沉降變形時保持著變形協調，所以，凍融影響程度也自凍結壁向外漸減弱，即地層融沉也自凍結壁向外逐漸減小，從而在凍結影響范圍內形成漏斗狀沉降，導致井口地基的不均勻沉降，井口房的地面和墻體不同程度的破壞，如圖5所示。

圖5 凍土融化沉降示意圖

4 結 論

通過對凍融土進行系統物理力學特性試驗，對比分析場地內各土層的物理力學特性，以及對凍融土地基不均勻沉降的分析，得到如下結論：

(1)通過重塑土樣凍結前和融化后的物理力學參數對比發現，凍融土的含水率增加，密度減小，孔隙率增加。土體凍結時伴隨著水分遷移現象，水分向凍結鋒面轉移，使得凍結鋒面處的含水量增加，土體凍脹量明顯增加，土體孔隙率增加。

(2)凍融土的粘聚力減小，內摩擦角變化較小，壓縮模量減小。這是由于土體結構在凍結與融化的過程中被破壞導致抗剪強度降低，凍融土的孔隙率增加導致壓縮模量減小，同時導致地基承載力降低。

(3)土體的溫度自凍結圈向外逐漸升高，凍融影響程度也自凍結壁向外逐漸減弱，故地層融沉也自凍結壁向外逐漸減小，融化固結后在井筒周圍形成漏斗狀的不均勻沉降，井口房的地面和墻體出現不同程度破壞。