板集煤礦副井井口地基土凍融后沉降調(diào)查分析

魏 剛 （煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230041）

1 引言

兩淮地區(qū)新生界沖、洪積松散層厚度較大，井筒大多采用凍結(jié)法鑿井施工，板集煤礦位于淮河沖積平原，副井井筒凍結(jié)施工時間為2011年6月至2014年7月。后期沉降觀測中，發(fā)現(xiàn)井口周邊地坪存在不均勻沉降。

在2008年我單位已完成板集煤礦工業(yè)場地、生產(chǎn)系統(tǒng)、配套交通設(shè)施等項目的巖土工程勘察工作，對該煤礦的地層分布、水文地質(zhì)特征、土層物理力學(xué)性質(zhì)等積累了豐富的原始數(shù)據(jù)。結(jié)合本次場地調(diào)查的巖土工程勘察工作成果，與本區(qū)地層原始資料對比，分析副井井口周邊地基土沉降原因。

2 場地調(diào)查與巖土勘察

2.1 場地調(diào)查

煤礦副井為人員下井通道，直徑8.1m，井壁厚0.6m。井口房已于2015年建成并投入使用，上部為鋼框架結(jié)構(gòu)，下部采用柱下獨立基礎(chǔ)、墻下條形基礎(chǔ)，尺寸67×17m。凍結(jié)圈影響范圍直徑25.6m，影響范圍內(nèi)所有基礎(chǔ)開挖至-4.5m標(biāo)高后，用級配砂石分層夯實回墊至-2.6m標(biāo)高，壓實系數(shù)大于0.95，級配砂石回填范圍：獨立基礎(chǔ)每邊寬出基礎(chǔ)外邊500mm；墻下條基為每邊寬出基礎(chǔ)外邊300mm。

至2018年6月進場開展場地調(diào)查時，井口西北側(cè)地面已形成寬度1～2cm的可見裂縫，東北側(cè)柱下也已形成寬度0.5cm左右的裂縫，其余側(cè)沉降直接觀察暫不明顯。

2.2 勘察手段與方法

巖土勘察主要采取鉆探、原位測試以及室內(nèi)試驗等綜合勘察手段。鉆探使用DPP-100型工程鉆機，采用泥漿護壁，旋轉(zhuǎn)鉆進工藝；取土采用靜壓法及錘擊法；原位測試采用3T單橋靜力觸探設(shè)備。

2.3 勘察布孔與工作量

勘察布置鉆孔15個，位于井筒外側(cè)，凍結(jié)圈影響范圍內(nèi)，見圖1。取原狀土樣60件，進行室內(nèi)土工試驗，用于土層定名、土層劃分、力學(xué)性質(zhì)評價，提供物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。采用單橋靜力觸探設(shè)備進行原位測試8組。

圖1 平面布孔圖

2.4 場地地層分布

該場地各個土層以粉質(zhì)黏土為主，根據(jù)鉆孔揭露，場地地層分布如下。

①層雜填土：雜色，松散，以混凝土地坪、建筑垃圾、煤矸石為主。

②層粉質(zhì)黏土：黃褐色，軟、可塑～硬塑，夾黑色鐵錳結(jié)核、砂姜、白色鈣質(zhì)結(jié)核。

③層粉質(zhì)黏土夾粉土：灰黃色，可塑～硬塑，含灰白色黏土、砂姜及鐵錳結(jié)核，韌性中等，夾粉土，局部為粉質(zhì)黏土與薄層粉土互層。

④層粉質(zhì)黏土：灰黃色，硬塑，含砂姜、黑色鐵錳結(jié)核，場地內(nèi)普遍分布。該層未鉆穿。

3 成果與分析

3.1 物理指標(biāo)變化

凍融土與凍結(jié)前土樣物理指標(biāo)對比見表1。

凍融前、后土樣物理指標(biāo)（平均值）變化表 表1

從表中可以看到，凍融、前后：各層土含水率、孔隙比、飽和度、液限、塑限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)等指標(biāo)均增大，干重度減小，比重和重度變化不明顯。

3.2 力學(xué)性能變化

凍融土與凍結(jié)前土樣物理指標(biāo)對比見表2。

凍融前、后土樣力學(xué)性能（平均值）變化表 表2

從表中可以看到，凍融前、后：各層土粘聚力（C）、壓縮模量（Es），具有不同程度的減小，內(nèi)摩擦角（φ）、壓縮系數(shù)（a1-2）數(shù)值具有不同程度的增加，而且這種變化隨深度增加從②層粉質(zhì)黏土到④層粉質(zhì)黏土，土樣力學(xué)性能的變化逐漸減弱。

3.3 原位測試指標(biāo)變化

凍融土與凍結(jié)前原位測試數(shù)據(jù)變化曲線見圖2。

圖2 凍融前、后地層靜力觸探Ps值（平均值）變化曲線

從圖中可以看出，從②層粉質(zhì)黏土到④層粉質(zhì)黏土，單橋靜力觸探比貫入阻力Ps值凍融前、后明顯降低，可見凍融后土層承載力較原狀土有明顯下降。

3.4 沉降原因分析

3.4.1 凍脹破壞

井筒凍結(jié)施工時，地層孔隙中水受冷凝固成冰，冰的密度小于水，土體會產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。各種凍脹力的作用下，土體原始結(jié)構(gòu)改變，從上表中可以看到，凍融后的土體孔隙比和壓縮系數(shù)明顯增大。在上部荷載和上部土自重應(yīng)力作用下，地層隨著超靜孔隙水壓力的消散，土骨架固結(jié)壓密造成沉降，超靜孔隙水壓力完全消散時，固結(jié)沉降才基本完成。本次取樣的含水率、孔隙比均大于原正常固結(jié)土樣，可見固結(jié)沉降還尚未完成，沉降會持續(xù)進行。

3.4.2 孔隙水壓水上升

根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理：

σ=σ'+μ

式中：σ為總應(yīng)力，μ為孔隙水壓力，σ'為有效應(yīng)力。

由于凍融后地層含水量明顯增加，孔隙水壓力增加，導(dǎo)致地層有效應(yīng)力降低。本區(qū)地下水潛水穩(wěn)定水位埋深在1.0～1.5m，水力梯度約為 1/7000，③層粉質(zhì)黏土夾粉土抽水試驗單井涌水量可達500～1000m/d。地下水水位較高，徑流緩慢，自然條件下排水不暢，孔隙水壓力難以消散，造成凍結(jié)施工結(jié)束4年后，地基土仍未能重新固結(jié)穩(wěn)定。

3.4.3 基礎(chǔ)形式受限

副井井筒凍結(jié)施工后，井口房設(shè)計時未進行凍融后的地基土工程勘察，依照經(jīng)驗選用獨立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)。由于凍融后地基承載力明顯下降，所選基礎(chǔ)形式在上部荷載為非均布荷載時，容易產(chǎn)生不均勻沉降。根據(jù)以上各層土的物理力學(xué)參數(shù)以及原位測試數(shù)據(jù)，可以看出地層由上到下，隨著自重應(yīng)力的增大，凍融土的影響隨深度逐漸變?nèi)酰軐臃圪|(zhì)黏土（埋深17.0m以下）較凍融前各參數(shù)的變化已經(jīng)很小，前期若選用預(yù)應(yīng)力管樁或者樁基筏板復(fù)合地基，可有效避免不均勻沉降的發(fā)生。

3.5 治理措施建議

由于現(xiàn)場井筒已投入使用，不適宜選用擾動較大的治理措施。結(jié)合本地區(qū)施工經(jīng)驗，建議可選用水泥漿液局部注漿加固地基。考慮井筒周邊排水不暢，注漿宜選用小壓力、低流量的慢速注漿法。施工結(jié)束28d后，結(jié)合沉降觀測數(shù)據(jù)，采用原位測試、聲波法等檢驗地基承載力。

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場調(diào)查和巖土工程勘察，發(fā)現(xiàn)板集煤礦副井井口周邊出現(xiàn)不均勻沉降是前期凍結(jié)法施工，地基土凍融后物理指標(biāo)和力學(xué)性能發(fā)生改變，造成地基承載力較凍結(jié)前明顯下降。由于該區(qū)地下水徑流緩慢，孔隙水壓水消散持續(xù)時間較長，地層固結(jié)排水不暢，地基沉降將長期持續(xù)，為消除不均勻沉降帶來的影響，可采用人工注漿等方式加固地基土，保證生產(chǎn)順利進行。