板集煤矿副井井口地基土冻融后沉降调查分析

魏 刚 （煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司，安徽 合肥 230041）

1 引言

两淮地区新生界冲、洪积松散层厚度较大，井筒大多采用冻结法凿井施工，板集煤矿位于淮河冲积平原，副井井筒冻结施工时间为2011年6月至2014年7月。后期沉降观测中，发现井口周边地坪存在不均匀沉降。

在2008年我单位已完成板集煤矿工业场地、生产系统、配套交通设施等项目的岩土工程勘察工作，对该煤矿的地层分布、水文地质特征、土层物理力学性质等积累了丰富的原始数据。结合本次场地调查的岩土工程勘察工作成果，与本区地层原始资料对比，分析副井井口周边地基土沉降原因。

2 场地调查与岩土勘察

2.1 场地调查

煤矿副井为人员下井通道，直径8.1m，井壁厚0.6m。井口房已于2015年建成并投入使用，上部为钢框架结构，下部采用柱下独立基础、墙下条形基础，尺寸67×17m。冻结圈影响范围直径25.6m，影响范围内所有基础开挖至-4.5m标高后，用级配砂石分层夯实回垫至-2.6m标高，压实系数大于0.95，级配砂石回填范围：独立基础每边宽出基础外边500mm；墙下条基为每边宽出基础外边300mm。

至2018年6月进场开展场地调查时，井口西北侧地面已形成宽度1～2cm的可见裂缝，东北侧柱下也已形成宽度0.5cm左右的裂缝，其余侧沉降直接观察暂不明显。

2.2 勘察手段与方法

岩土勘察主要采取钻探、原位测试以及室内试验等综合勘察手段。钻探使用DPP-100型工程钻机，采用泥浆护壁，旋转钻进工艺；取土采用静压法及锤击法；原位测试采用3T单桥静力触探设备。

2.3 勘察布孔与工作量

勘察布置钻孔15个，位于井筒外侧，冻结圈影响范围内，见图1。取原状土样60件，进行室内土工试验，用于土层定名、土层划分、力学性质评价，提供物理、力学性质指标。采用单桥静力触探设备进行原位测试8组。

图1 平面布孔图

2.4 场地地层分布

该场地各个土层以粉质黏土为主，根据钻孔揭露，场地地层分布如下。

①层杂填土：杂色，松散，以混凝土地坪、建筑垃圾、煤矸石为主。

②层粉质黏土：黄褐色，软、可塑～硬塑，夹黑色铁锰结核、砂姜、白色钙质结核。

③层粉质黏土夹粉土：灰黄色，可塑～硬塑，含灰白色黏土、砂姜及铁锰结核，韧性中等，夹粉土，局部为粉质黏土与薄层粉土互层。

④层粉质黏土：灰黄色，硬塑，含砂姜、黑色铁锰结核，场地内普遍分布。该层未钻穿。

3 成果与分析

3.1 物理指标变化

冻融土与冻结前土样物理指标对比见表1。

冻融前、后土样物理指标（平均值）变化表 表1

从表中可以看到，冻融、前后：各层土含水率、孔隙比、饱和度、液限、塑限、塑性指数、液性指数等指标均增大，干重度减小，比重和重度变化不明显。

3.2 力学性能变化

冻融土与冻结前土样物理指标对比见表2。

冻融前、后土样力学性能（平均值）变化表 表2

从表中可以看到，冻融前、后：各层土粘聚力（C）、压缩模量（Es），具有不同程度的减小，内摩擦角（φ）、压缩系数（a1-2）数值具有不同程度的增加，而且这种变化随深度增加从②层粉质黏土到④层粉质黏土，土样力学性能的变化逐渐减弱。

3.3 原位测试指标变化

冻融土与冻结前原位测试数据变化曲线见图2。

图2 冻融前、后地层静力触探Ps值（平均值）变化曲线

从图中可以看出，从②层粉质黏土到④层粉质黏土，单桥静力触探比贯入阻力Ps值冻融前、后明显降低，可见冻融后土层承载力较原状土有明显下降。

3.4 沉降原因分析

3.4.1 冻胀破坏

井筒冻结施工时，地层孔隙中水受冷凝固成冰，冰的密度小于水，土体会产生冻胀现象。各种冻胀力的作用下，土体原始结构改变，从上表中可以看到，冻融后的土体孔隙比和压缩系数明显增大。在上部荷载和上部土自重应力作用下，地层随着超静孔隙水压力的消散，土骨架固结压密造成沉降，超静孔隙水压力完全消散时，固结沉降才基本完成。本次取样的含水率、孔隙比均大于原正常固结土样，可见固结沉降还尚未完成，沉降会持续进行。

3.4.2 孔隙水压水上升

根据太沙基有效应力原理：

σ=σ'+μ

式中：σ为总应力，μ为孔隙水压力，σ'为有效应力。

由于冻融后地层含水量明显增加，孔隙水压力增加，导致地层有效应力降低。本区地下水潜水稳定水位埋深在1.0～1.5m，水力梯度约为 1/7000，③层粉质黏土夹粉土抽水试验单井涌水量可达500～1000m/d。地下水水位较高，径流缓慢，自然条件下排水不畅，孔隙水压力难以消散，造成冻结施工结束4年后，地基土仍未能重新固结稳定。

3.4.3 基础形式受限

副井井筒冻结施工后，井口房设计时未进行冻融后的地基土工程勘察，依照经验选用独立基础和条形基础。由于冻融后地基承载力明显下降，所选基础形式在上部荷载为非均布荷载时，容易产生不均匀沉降。根据以上各层土的物理力学参数以及原位测试数据，可以看出地层由上到下，随着自重应力的增大，冻融土的影响随深度逐渐变弱，④层粉质黏土（埋深17.0m以下）较冻融前各参数的变化已经很小，前期若选用预应力管桩或者桩基筏板复合地基，可有效避免不均匀沉降的发生。

3.5 治理措施建议

由于现场井筒已投入使用，不适宜选用扰动较大的治理措施。结合本地区施工经验，建议可选用水泥浆液局部注浆加固地基。考虑井筒周边排水不畅，注浆宜选用小压力、低流量的慢速注浆法。施工结束28d后，结合沉降观测数据，采用原位测试、声波法等检验地基承载力。

4 结语

通过现场调查和岩土工程勘察，发现板集煤矿副井井口周边出现不均匀沉降是前期冻结法施工，地基土冻融后物理指标和力学性能发生改变，造成地基承载力较冻结前明显下降。由于该区地下水径流缓慢，孔隙水压水消散持续时间较长，地层固结排水不畅，地基沉降将长期持续，为消除不均匀沉降带来的影响，可采用人工注浆等方式加固地基土，保证生产顺利进行。