人工冻结法凿井井口房地基不均匀沉降机理分析

纪文杰，汪春芹，姚直书，薛维培

1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南，232001；2.煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司，安徽合肥，230041

冻结法凿井是指在掘井之前利用人工制冷技术，将井筒周围不稳定的含水地层冻结成封闭的圆柱形冻结壁，用以抵抗地层压力，隔绝井筒与地下水的联系，在冻结壁的保护下进行井筒掘砌施工[1]。在冻结过程中，由于负温的作用，水分会向冻结锋面迁移，从而在冻结区域积聚了大量水分[2-3]。土中的水分冻结造成冻胀，并在融化后造成土体结构的变化，改变了土体的物理力学性质[4-6]，对地层产生不利影响。如板集煤矿副井在冻结法凿井施工结束三年后，井口房地坪出现裂缝，裂口最大达2 cm，房屋钢柱出现弯曲，已严重影响矿井的正常安全生产，必须要进行切实可行的治理工作，消除安全隐患。

由于人工冻结法广泛应用于地下工程建设中，而冻结工程完成后的融沉不可避免，学者们对工程中的融沉现象进行了大量研究。程桦等[7]通过模型试验研究了人工水平冻结法施工冻结壁形成规律、冻胀与融沉效应问题；杨平等[8]通过现场实测研究了冻结法施工的冻结温度场、解冻温度场、冻胀融沉发展规律；张庆武[9]对停冻后的井筒温度在横向上的外、中、内侧进行监测，并结合传热学原理进行分析，研究了井筒冻结壁融化规律；陈军浩[10-11]对人工冻土多圈管冻融全过程进行了模型试验研究，掌握了多圈管冻结壁温度场形成及融化规律。前人多对工程中的融沉现象和融沉规律进行研究，而人工冻融土的融沉对地表建筑物的影响研究较少。

曾有文献介绍冻结法凿井工程结束后，井口周围结层产生不均匀沉降[12]，并采取了相应的技术措施。但由于对地基沉降机理缺乏系统研究，难以一次性根治该现象，往往需要多次重复治理。

本文以板集煤矿副井井口房地基范围内经冻融后的土体为研究对象，通过对地基范围内不同类型的土样进行冻融试验，对比冻融前后土样的物理力学性能，探究冻融作用对地基土的物理力学性能的影响；通过沉降区域的现场勘探，获得自冻结圈内向冻结圈外不同位置冻融土的物理力学性能。研究旨在为板集煤矿副井井口房地基不均匀沉降治理方案的制定提供理论基础。

1 工程概况

板集煤矿是一座新建的大型矿井，位于安徽省利辛县、颍上县和阜阳市交界处，地貌为冲积平原，第四系冲积层覆盖厚度大，地形平坦。板集煤矿地下水类型为潜水，水位较高，主要补给来源于地表水和大气降水，地下水位稳定埋深为2.0 m。板集煤矿副井原直径为7.3 m，副井深度为795.4 m，穿过冲积层厚度为581.0 m。2009年板集煤矿副井发生井筒透水事故，采用人工冻结法形成封水冻结壁以修复破坏的井壁。根据工程地质条件，冻结孔采用双排梅花形布置方式，设计盐水温度为-34～-30 ℃，有效冻结壁厚度设计为5 m，冻结壁平均温度为-15 ℃，冻结深度660 m，冻结孔设计参数如表1所示，冻结管布置如图1所示。

表1 冻结孔设计参数

图1 副井冻结孔及勘探孔布置位置

副井井筒冻结工程经过152天的积极冻结期达到设计要求，副井修复工程随即开始，于2014年7月31日停止供冷。2017年年底发现井口房局部钢支柱发生变形，部分围护构件破坏，井筒周围地面出现不均匀沉降，地面开裂如图2所示，井口房与冻结圈相对位置如图3所示，而且沉降仍在继续，严重威胁到矿井的安全生产。

图2 井筒周围地面开裂情况

图3 井口房与冻结圈相对位置示意图

为探究井口地层产生不均匀沉降的原因，在周围选取6个勘探孔，具体位置见图1中的Z01-Z06，经勘探获得地层情况如表2所示。

表2 地层分布情况

为分析该地基的沉降机理，将勘探所得原状土进行物理力学试验，并进行了人工冻融土的物理力学性能试验。

2 试验方案

根据研究目的，在副井附近的冻结范围内布设勘探孔，土样取深为20 m，首先按照取土的位置，测得不同位置原状土的物理力学特性，然后选取三种具有代表性的土样：粉质粘土、细砂、粘土，制作重塑土试样，在实验室中经过冻融试验，测得其物理力学特性，并与未经冻融重塑土试样的物理力学性能进行比较，分析冻融地层的沉降机理。

2.1 物理力学性能试验方案

勘探所得原状土和冻融前后的重塑土试样均需进行物理力学性能试验，依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)进行相关试验，含水率采用室内烘干试验测定，密度采用环刀法测定，土粒比重采用比重瓶法测定，由土粒比重算得土的孔隙比，进行快剪试验测其抗剪强度，以确定土的内摩擦角和粘聚力，快剪试验所用仪器为二速电动等应变直剪仪(EDJ-1型)，进行标准固结试验以计算其压缩模量，标准固结试验使用的仪器为WG-1B型单杠杆固结仪(三联中压)[13]。

2.2 重塑土试样制备

三种土样经风干和捣碎，过2 mm筛后制备试样。根据土样所需含水率计算得到所需水的质量，并将水与土混合，并放入塑料袋中静置24 h。然后，重新测定土的含水率，含水率的变化控制在0.5% 以内,保证土样的含水率合格。将准备好的土样放入击样器中分层击实，土样制成边长为10 cm的正方体，然后用保鲜膜将试样包裹以备后续使用。为了研究经一次冻融循环对土样的物理力学性能的影响，粉质粘土试样的初始含水率取为41.6%、细砂试样初始含水率取为25.7%、粘土试样初始含水率取为21.2%。

2.3 冻融试验方案

将重塑土试样顶部和侧面用保鲜膜包裹，试样底部与透水石接触并与外部水源接触，将试样放入正方体模具中，模具外有隔热材料包裹，以最大限度阻隔试样与外界温度交换。试样顶部暴露在冻融试验箱中，下部与盛有酒精的铁质容器接触，下部铁质容器内酒精温度保持为1 ℃，以确保在冻结过程中水分可以通过试样底部迁移至试样中，而且试验过程中保持外部水源的水位恒定，供水管经隔热处理。冻融试验箱在冻结时温度保持为-15 ℃，冻结时长为24 h，冻结完成后取出试样在常温下融化，融化时长为12 h。冻融设备为高低温交变循环实验箱,型号TEST-1000,其试验装置如图4所示。

图4 冻融试验装置示意图

3 试验结果和分析

3.1 冻融土的物理特性

根据土工试验方法标准，该试验主要测试冻融土的含水率、密度和孔隙率，测试结果如表3所示，并与该土样冻结前进行对比。

表3 冻融土的主要物理参数

由表3可见，土样融化后与冻结前相比，冻融土的含水率增加，密度减小、孔隙率变大。该现象的主要原因是土体冻结时伴随着水分迁移，水分向冻结锋面转移，使得冻结锋面处的含水量增加，土体冻胀量明显增加，从而土体颗粒间的孔隙体积变大，孔隙率增加[14]。因此经冻结的地基土体融化后，由于土体孔隙体积的变大，土体的渗透性增加，部分自由水通过孔隙排出，融土结构变得松散。

3.2 冻融土的力学特性

通过对冻融土进行剪切试验和压缩试验，并将试验所得结果与该土样冻结前进行对比，如表4所示。

表4 冻融土的主要力学参数

由表4可见，土样融化后与冻结前相比，融化后的粘聚力减小，内摩擦角变化较小，压缩模量减小。该现象的主要原因是土体经冻结融化后，其结构遭到破坏，其抗剪强度下降，冻融土孔隙率增加导致其压缩性增加，故而其压缩模量减小。

3.3 冻融土地基不均匀沉降分析

从上述冻融土的物理力学特性分析可知，当土体冻结时，土体中的水变成冰，引起体积膨胀，而且土中水分向冻结锋面迁移加剧了土体的冻胀。由于土体的冻胀导致孔隙率增加，当冻土融化时，部分自由水通过孔隙排出，压缩模量减小。根据《建筑地基基础设计规范》[15]可知，在内摩擦角变化很小的情况下，地基承载力主要取决于粘聚力，而由试验结果可知，经过冻融作用后，粘性土的粘聚力明显降低，因此，地基的承载力也将随之减小。在土体自重及外荷载的作用下，土体被压密，土层发生沉降，从而引起地基和建筑墙体的变形与开裂。

通过现场勘察得到发生沉降时场地内各土层的物理力学性质如表5所示。其中Z01与Z02勘探孔位于冻结壁外缘以外，也位于井口房外，该处土体因冻融而产生的变化较小，而Z03与Z04勘探孔位于冻结壁内，也位于井口房内，该处土体的物理力学性质因冻融而发生剧烈变化。通过对比可知，冻结壁范围内土体与冻结壁外缘以外土相比，含水率与孔隙比较大，粘聚力、内摩擦角和压缩模量较小。

通过井口房内外勘探孔横向对比发现：②层粉质黏土由硬塑状态变为软塑～可塑状态，性状出现明显弱化，Z03、Z04钻孔地下水。水量明显增多。由于Z03、Z04钻孔位于内外冻结孔圈之间，冻结孔附近温度较低，导致冻结孔附近的冰融化较慢，从而引起冻结影响范围内土层排水不畅，孔隙水压力上升，使有效应力减小，导致土层抗剪强度降低。②层粉质黏土为井口房基础持力层，且井口房部分基础位于冻结范围内，通过对②层粉质黏土冻结前后的对比，其承载力特征值由冻融前的230 KPa降低至120 KPa，压缩模量由7.5降低至5.5 MPa，孔隙比由0.66增大至0.76。

表5 场地内各土层的物理力学性质

在冻结壁形成过程中，土体中水结成冰，导致土体体积增加，产生了冻胀。同时，冻结过程中产生的水份迁移又加大了土体冻胀，破坏了土体的原有结构，使其变得更加酥松。冻结工程结束后，停止向地层供给冷量，冻结壁开始解冻，冰融化成水，体积减小。因此，与原状土相比，冻融土的抗剪强度降低、压缩模量减小，在自重应力和地基荷载作用下，土体将发生较大的融沉现象[16-17]。

在冻结过程中，土体的温度自冻结壁向外逐渐升高，并过渡到正常地温。因此，冻土融化自冻结壁外缘向内推进，融化过程中冻土与融土之间存在着明显的固相与液相的相变界面，但冻融土在发生沉降变形时保持着变形协调，所以，冻融影响程度也自冻结壁向外渐减弱，即地层融沉也自冻结壁向外逐渐减小，从而在冻结影响范围内形成漏斗状沉降，导致井口地基的不均匀沉降，井口房的地面和墙体不同程度的破坏，如图5所示。

图5 冻土融化沉降示意图

4 结 论

通过对冻融土进行系统物理力学特性试验，对比分析场地内各土层的物理力学特性，以及对冻融土地基不均匀沉降的分析，得到如下结论：

(1)通过重塑土样冻结前和融化后的物理力学参数对比发现，冻融土的含水率增加，密度减小，孔隙率增加。土体冻结时伴随着水分迁移现象，水分向冻结锋面转移，使得冻结锋面处的含水量增加，土体冻胀量明显增加，土体孔隙率增加。

(2)冻融土的粘聚力减小，内摩擦角变化较小，压缩模量减小。这是由于土体结构在冻结与融化的过程中被破坏导致抗剪强度降低，冻融土的孔隙率增加导致压缩模量减小，同时导致地基承载力降低。

(3)土体的温度自冻结圈向外逐渐升高，冻融影响程度也自冻结壁向外逐渐减弱，故地层融沉也自冻结壁向外逐渐减小，融化固结后在井筒周围形成漏斗状的不均匀沉降，井口房的地面和墙体出现不同程度破坏。