談沉井基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)

戴躍琦

(上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200040)

1 概述

沉井是一種在地面上制作、通過取除井內(nèi)土體的方法使之下沉至地下某一深度的井體結(jié)構(gòu)。沉井施工方法是修筑地下構(gòu)筑物或深基礎(chǔ)工程特殊而重要的施工方法，由于其在地下結(jié)構(gòu)物建造施工時(shí)安全可靠、省時(shí)經(jīng)濟(jì)，并且隨著施工技術(shù)及施工機(jī)具的不斷發(fā)展，已獲得越來越廣泛的運(yùn)用，如用于橋梁、煙囪、水塔的基礎(chǔ);水泵房、地下油庫、水池豎井等深井構(gòu)筑物和盾構(gòu)或頂管的工作井。迄今為止，國內(nèi)建造的規(guī)模最大的沉井基礎(chǔ)是江陰長江公路大橋，錨錠的鋼筋混凝土沉井，平面尺寸為69 m×51 m，下沉58 m。

2 結(jié)構(gòu)布置

沉井平面應(yīng)盡可能對稱布置，以利沉井穩(wěn)定下沉。如果平面上不對稱，易造成沉井的偏心，令施工作業(yè)困難。同理，沉井的豎向布置也應(yīng)使重心盡可能居中。矩形沉井的長寬比不宜大于2，當(dāng)長寬比過大時(shí)，需要采取措施加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。

某重型機(jī)器廠回火爐車間中間水槽就是按沉井設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例，平面為矩形，長20.6 m，寬15.6 m，深15.95 m(見圖1)。水槽為空腹式井體，因此無法在沉井內(nèi)部設(shè)置縱、橫隔墻。針對這一工藝要求，結(jié)合上海軟土地質(zhì)特點(diǎn)，在沉井內(nèi)部設(shè)置豎向框架與地梁予以分格，主要作用:1)沉井下沉和使用過程中支承井壁，減少井壁計(jì)算跨度;2)增加沉井在下沉過程中的結(jié)構(gòu)剛度，以利于抵抗不均勻下沉的扭轉(zhuǎn)作用;3)便于逐格取土和封底，減小封底混凝土和底板計(jì)算跨度。

圖1 水槽平面圖及剖面圖

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 井壁厚度

井壁厚度先根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估，再進(jìn)行計(jì)算核驗(yàn)及配筋，一般為0.4 m～1.5 m。井壁過厚，使得沉井自重過大易引起突沉，且增加工程造價(jià);井壁過薄，則沉井自重減輕，不利于下沉。因此，井壁厚度及各部位的截面尺寸應(yīng)滿足以下基本要求:下沉要求;在各個(gè)階段的穩(wěn)定要求;在各個(gè)階段的強(qiáng)度及剛度要求;使用階段的抗?jié)B要求。

當(dāng)遇到較好的地質(zhì)情況(土側(cè)摩阻力較大)時(shí)，可適當(dāng)加大井壁厚度，或采用以下辦法:

1)采用外壁設(shè)臺階的刃腳，以減小下沉阻力;2)若采用第一項(xiàng)未能達(dá)到要求，可根據(jù)實(shí)際情況在外壁設(shè)多級臺階;3)對于薄壁沉井，應(yīng)采用觸變泥漿套及壁外噴射高壓空氣等措施，以降低沉井下沉?xí)r的摩阻力。

當(dāng)遇到較差的地質(zhì)情況(土側(cè)摩阻力較小)時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗?jié)B、剛度和抗浮需要時(shí)，選擇較小厚度的井壁。但大型沉井受力大，井壁厚度一般較厚，此時(shí)也可采用內(nèi)設(shè)臺階的方式，使壁厚由下到上逐漸變薄。

3.2 抗浮驗(yàn)算

沉井抗浮穩(wěn)定應(yīng)按沉井封底和使用兩階段，分別根據(jù)實(shí)際可能出現(xiàn)的最高水位驗(yàn)算。進(jìn)行抗浮驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1)使用階段的抗浮驗(yàn)算應(yīng)考慮沉井上部建筑的重量，因此對于無上部建筑的沉井，只需對使用階段進(jìn)行驗(yàn)算。2)當(dāng)封底混凝土與底板有可靠連接時(shí)，封底混凝土可作為沉井抗浮重量的一部分，通常的連接方式是使用插筋。3)當(dāng)沉井依靠自重不能獲得抗浮穩(wěn)定時(shí)，可采取如下措施:施工階段不能滿足時(shí)，可采取井點(diǎn)降水或加載下沉;使用階段不能滿足時(shí)，可采用設(shè)抗浮板或拉錨等措施。

3.3 下沉計(jì)算

下沉系數(shù)表示沉井自重克服井壁摩阻力下沉，是衡量沉井能否順利下沉的重要數(shù)據(jù)。當(dāng)下沉系數(shù)為1.0時(shí)，沉井處于平衡狀態(tài);當(dāng)下沉系數(shù)大于1.0時(shí)，沉井開始下沉。下沉系數(shù)越大，下沉速度越快。沉井設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定下沉系數(shù)不小于1.05。

下沉驗(yàn)算時(shí)，需注意以下幾點(diǎn):

1)注意沉井井壁摩阻力沿井壁深度方向的分布圖形，0 m～5 m為三角形，5 m以下為矩形。2)摩阻力為各層土的單位摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值的加權(quán)平均值(采用觸變泥漿套時(shí)，應(yīng)用處理后的側(cè)摩阻力計(jì)算下沉)。3)下沉系數(shù)一般在1.05～1.25之間為宜。4)沉井在軟弱土層中下沉，當(dāng)下沉系數(shù)大于1.5時(shí)，或在下沉過程中遇有特別軟弱土層時(shí)，需進(jìn)行下沉穩(wěn)定驗(yàn)算，以防止突沉或下沉標(biāo)高不能控制。

3.4 刃腳計(jì)算

井壁在下沉過程中，刃腳的受力比較復(fù)雜。刃腳切入土中時(shí)，其下部承受到較大的正面及側(cè)面阻力，在其根部將產(chǎn)生向外彎曲力矩，如圖2所示;當(dāng)沉井下沉至最后階段，刃腳踏面下的土被全部挖空，刃腳又受到外部土壓力、水壓力作用而向內(nèi)彎曲，在其根部將產(chǎn)生向內(nèi)彎曲力矩，如圖3所示，可按此兩種受力情況來進(jìn)行刃腳內(nèi)側(cè)和外出的豎直鋼筋及水平鋼筋的計(jì)算。

圖2 刃腳豎向的向外彎曲圖

圖3 刃腳豎向的向內(nèi)彎曲圖

3.5 井壁內(nèi)力計(jì)算

對于矩形沉井，作用在井壁外的水壓力和土壓力在同一標(biāo)高的水平截條上沿井壁四周假定為均勻分布。當(dāng)沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，刃腳斜面內(nèi)側(cè)的土體已被掏空，而作用于井壁上的水平荷載為最大。井壁按水平框架進(jìn)行內(nèi)力分析，計(jì)算截面一般沿井壁每隔2 m～3 m或于變截面處劃分為若干水平區(qū)域，采用彎矩分配法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。本工程荷載、內(nèi)力圖如圖4所示。

圖4 內(nèi)力圖

3.6 施工階段的井壁豎向抗拉驗(yàn)算

根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》6.1.9條規(guī)定，由于本工程地基為土質(zhì)均勻的軟土地基，下沉系數(shù)Kst=2.772＞1.5，可不進(jìn)行豎向拉斷計(jì)算，但豎向配筋必須滿足最小配筋率及使用階段受力要求［1］。

3.7 封底混凝土厚度計(jì)算

沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，在澆筑鋼筋混凝土底板前，先澆筑封底混凝土。根據(jù)不同的施工方法、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，封底有干封底和濕封底兩種方法。

本工程因考慮排水下沉，采用干封底施工，不需要進(jìn)行水下封底混凝土厚度計(jì)算。干封底混凝土的厚度，可視具體情況而定，一般能保證鋼筋混凝土底板順利施工即可。

當(dāng)沉井所處的條件不允許采用干封底時(shí)，則必須進(jìn)行水下混凝土封底。水下混凝土封底的厚度根據(jù)強(qiáng)度和沉井抗浮兩個(gè)條件確定。當(dāng)抗浮系數(shù)大于1.0時(shí)，取浮力作用下的彎矩，對封底厚度驗(yàn)算;反之，抗浮系數(shù)小于1.0時(shí)，取自重反力作用下的彎矩進(jìn)行驗(yàn)算。封底混凝土板邊緣應(yīng)進(jìn)行沖剪驗(yàn)算，沖剪處的封底厚度應(yīng)在設(shè)計(jì)圖中注明，計(jì)算厚度必須扣除附加厚度;但通常情況下，如果封底混凝土厚度按最大彎矩計(jì)算取值，邊緣厚度不減薄的情況下，不必進(jìn)行抗沖剪計(jì)算。

3.8 底板計(jì)算

底板的計(jì)算荷載取浮力、地基反力兩者中數(shù)值較大者，需注意以下兩點(diǎn):

1)當(dāng)浮力作為外荷載計(jì)算時(shí)，一般不考慮封底素混凝土作用，荷載全部由鋼筋混凝土底板承擔(dān)。計(jì)算水頭應(yīng)從沉井外歷史最高地下水位算至鋼筋混凝土底板底，且應(yīng)扣除底板的重量。

2)按整個(gè)沉井結(jié)構(gòu)的最大荷載(包括沉井上部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)自重、活荷載以及使用階段的設(shè)備重量等)來計(jì)算均布反力。在計(jì)算均布反力時(shí)，不計(jì)井壁側(cè)面摩阻力和底板及封底混凝土自重。

底板的內(nèi)力計(jì)算，可按單跨或多跨板計(jì)算。底板的邊界支承條件，應(yīng)視其周邊與井壁及縱橫隔墻(底梁)所設(shè)凹槽或預(yù)留水平插筋的構(gòu)造情況，確定底板支座是固定、彈性固定或簡支。

4 施工常遇問題及防止措施

沉井在下沉過程中常會發(fā)生各種問題，必須事先予以預(yù)防，施工時(shí)也要勤觀測勤糾偏，當(dāng)問題發(fā)生時(shí)要及時(shí)進(jìn)行處理。在粉、細(xì)砂層中下沉沉井，經(jīng)常會遇到流砂現(xiàn)象。如果事先未采取措施，沉井在下沉過程中由于井內(nèi)大量抽水，流砂將隨地下水大量涌入井內(nèi)，隨挖隨涌，井外地面可能嚴(yán)重坍塌，沉井可能嚴(yán)重傾斜。防止發(fā)生流砂現(xiàn)象的措施:向井內(nèi)注水，井點(diǎn)降水，地基處理，改變土體特性。

由于本工程位于上海地區(qū)，上海地層中的淤泥質(zhì)粘土具有觸變性，就是土在擾動后強(qiáng)度明顯降低，導(dǎo)致沉井失去平衡而迅速下沉產(chǎn)生突沉。突沉容易使沉井產(chǎn)生較大的傾斜，且對操作人員的安全威脅很大，特別是沉井下沉將要接近設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，如果發(fā)生突沉，將會使沉井超沉造成嚴(yán)重的質(zhì)量事故，給工程帶來損失。因此，在下沉過程中，特別是接近設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，一定要防止發(fā)生突沉。

防止發(fā)生突沉的措施:

1)適當(dāng)加大沉井的下沉系數(shù)，使沉井刃腳在下沉過程中始終埋在土中有一定深度，不會產(chǎn)生挖土之后沉井被外面井壁的摩擦力卡住。

2)沉井下沉過程中要控制挖土，不要將鍋底的土挖得太深。

3)設(shè)計(jì)時(shí)合理分格下框架，并設(shè)置一定數(shù)量的下框架梁來承受一部分土的反力，也可減少沉井下沉?xí)r產(chǎn)生突沉的可能性。

4)在沉井外壁刃腳以上部分灌注觸變泥漿，使井壁與土層之間的摩擦力減到最小值。沉井下沉?xí)r，其自重基本上由刃腳踏面和下框架底梁下的土體承擔(dān)。灌注觸變泥漿，對沉井外壁的土體也有固壁作用，對防止井外流砂涌入也有一定的效果。

5 結(jié)語

沉井作為地下結(jié)構(gòu)物建設(shè)的一個(gè)既省時(shí)又經(jīng)濟(jì)的做法，已受到廣泛運(yùn)用，但其設(shè)計(jì)及施工中容易出現(xiàn)許多問題。本文從實(shí)際的沉井工程入手，闡述了軟土地基中沉井在設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒?，探討了其在軟土地區(qū)中的設(shè)計(jì)、施工方法和技術(shù)措施，以供類似工程參考。

［1］CESS 137∶2002，給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.

［2］DGJ 08-11-2010，上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.