圓形沉井結構設計概述

劉強 陳奇 林敏博 郭偉

摘 要：本文簡要敘述了圓形沉井結構設計流程及相關規(guī)范依據(jù)，同時結合工程經(jīng)驗針對沉井設計中的抗浮設計及底板配筋設計進行了較為詳細的分析。

關鍵詞：沉 井；刃 腳；抗 浮；主動土壓力；

中圖分類號： TU2 文獻標識碼： A

沉井是一種在地面上制作、通過取除井內(nèi)土體的方法使之沉到地下某一深度的井體結構。利用沉井作為擋土的支護結構，可以建造各種類型或各種途徑的地下工程構筑物。沉井施工方法是修筑地下構筑物或深基礎工程特殊而重要的施工方法，而沉井結構則是這種施工方法相適應的工程結構。沉井由于其在地下構筑物、橋梁等領域中施工快、造價低等的優(yōu)越性，獲得了越來越廣泛的關注與應用。從20世紀50年代借鑒國外的設計理論和經(jīng)驗開始至今，我國已建成沉井不下1000座。其規(guī)模從直徑2米的集水井到巨大的江陰長江大橋的主索平衡墩（體積達60mx58mx50m）。沉井形狀包括方形、矩形、圓形及橢圓形，其中圓形沉井在受土、水側(cè)壓作用下，截面以受壓為主，充分發(fā)揮了混凝土抗壓能力強的特點，同時圓形沉井較方形、矩形沉井下沉容易等特點，所以在規(guī)模較大，深度較深情況下多采用圓形沉井。

1 圓形沉井結構設計流程

1.1沉井支撐計算

沉井制作采用墊木進行支撐，同時為了釋放沉井結構的混凝土收縮、溫度應力，采用砂石墊層。通常墊木的位置根據(jù)沉井直徑及砂墊層厚度及持力土層的極限承載力決定。通常采用四點支撐。沉井規(guī)程（CECS137：2002）[1]中6.2.1節(jié)中對該結構井壁中跨中最大彎矩、支座彎矩、最大扭矩及最大剪力給出了計算公式，由于第一節(jié)預制成型沉井的跨高比通常較小（＜5.0），利用混凝土規(guī)范中的深受彎構件設計原則對井壁進行設計。

1.2沉井下沉計算

在無外力作用下沉井依靠自重克服土的摩阻力下沉，土的摩阻力在井壁上的分布見圖1.2。

（a）直臂式井壁外側(cè) （b）階梯式井壁外側(cè)

圖1.2 摩阻力沿井壁外側(cè)分布

沉井規(guī)程6.1.1節(jié)中給出了常見土壤單位摩阻力標準值及各層土單位摩阻力標準值的加權平均值計算方法。沉井在下沉系數(shù)不小于1.05前提下，可以通過自身自重進行下沉，否則需通過外力進行下沉。當下沉系數(shù)較大（≥1.5）需進行下沉穩(wěn)定計算，下沉穩(wěn)定系數(shù)應控制在0.8~0.9之間。

1.3刃腳設計

由于刃腳厚度較井壁薄，外伸長度較長，結構分時常按懸臂構件進行分析設計。刃腳設計分兩階段，第一階段為初切土時外向彎曲階段，第二階段為下沉至設計深度時的內(nèi)向彎曲作用階段，按照沉井規(guī)范的6.2.2節(jié)要求進行內(nèi)力求解。

（a）刃腳豎向的外向彎曲 （b）刃腳豎向的內(nèi)向彎曲

圖1.3 刃腳計算

1.4施工階段抗拉設計

土質(zhì)較好情況下，沉井下沉過程中井壁可能受到最大拉力標準值為自重的四分之一，在該拉力作用下井壁應滿足沉井規(guī)范5.3.4節(jié)抗裂度的要求。

1.5抗浮設計

抗浮設計一直是沉井設計的重點內(nèi)容。沉井規(guī)范要求6.1.4節(jié)要求沉井在自重與水浮力作用下的抗浮系數(shù)不應小于1.0。對于深度較深的圓形沉井一般都很難滿足規(guī)程要求，常用的解決方法有三種[2]，第一，采用抗拔樁；第二，采用抗拔錨；第三，增加結構自重。

1.6沉井井壁設計

沉井井壁設計分為兩個階段，第一階段為施工階段，此階段應結合施工方法進行設計，井壁外承受土側(cè)壓（含地面堆積荷載）、水側(cè)壓（降水施工不考慮）作用。土壓力采用沉井規(guī)程4.2.2節(jié)規(guī)定的主動土壓力進行計算。由于刃腳按照懸臂構件進行設計，所以在刃腳根部以上1.5倍井壁厚度的范圍內(nèi)，井壁除承受的土、水側(cè)壓外，還應計入刃腳傳遞的剪力作用；在1.5倍井壁厚度范圍之上，則不再計入刃腳作用。由于圓環(huán)結構在外側(cè)均為壓力作用下，截面內(nèi)力僅為軸力，不會出現(xiàn)彎矩，但是在實際工程中，大直徑沉井井壁內(nèi)如果配筋不足，會出現(xiàn)受拉裂縫現(xiàn)象，這是因為沉井由于施工、地質(zhì)因素影響，使得圓環(huán)井壁外側(cè)壓力并不均勻，所以井壁截面內(nèi)出現(xiàn)彎矩。沉井規(guī)程6.2.3節(jié)取四分之一井壁進行分析，考慮了井壁外側(cè)土內(nèi)摩擦角變化5°~10°影響，給出了井壁兩端截面的軸力與彎矩值計算方法。

1.7底板設計

當沉井上部承載房屋結構，且深度較大，沉井底板下的凈反力較大，此時底板的裂縫較難控制。沉井底板與井壁的連接有兩種形式，第一種是底板與井壁鉸接，第二種是井壁與地板固結，二者的本質(zhì)是在沉井預制時，是否在底板拼接處留設足量的受力鋼筋。沉井規(guī)程6.2.9節(jié)分別給出了沉井周邊固結、鉸接下的底板內(nèi)力計算方法。

2 圓形沉井設計重點

2.1沉井抗浮設計分析

對于直徑較大，深度較深的圓型沉井，抗浮設計為其重點設計內(nèi)容，雖然上文敘述了三種抗浮方法，但通過經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，第一、二種方法在實際工程中應用較少，這是由于抗拔樁與抗拔錨不僅施工困難，造價高，同對結構內(nèi)力重分布影響較大，設計分析難度加大。實際工程中常采用在沉井底板下增加配有少量鋼筋的素混凝土增加結構的自重，由于施工簡單，造價低，抵抗浮力作用效果明顯，所以該法廣泛被采用。

2.2沉井底板設計分析

沉井底板與井壁采用固結與鉸接做法的異議較大。本人認為鉸接形式較為合理。在底板與井壁固結情況下，井壁上留設鋼筋不宜于工人施工，同時固結情況下的底板常采用輻射狀配筋形式，該配筋形式施工操作復雜；且如果底板上設置積水坑，則集水坑的鋼筋布置也較為繁瑣；在固結情況下，底板的彎矩應全部傳遞到井壁上，增加井壁的配筋；同時底板混凝土與沉井井壁混凝土的連接處存在施工縫，實際也很難達到固結的效果。如果底板與井壁采用鉸接形式，則底板鋼筋可以采用井字配筋，底板與集水坑施工較易；底板彎矩不會影響到井壁；采用合理底板與井壁連接形式很容易達到鉸接的目的，常用的鉸接形式如圖1.7。

圖1.7 井壁與底板構造

1-井壁；2-底板

3 總結：

1.本文簡略的敘述了圓形沉井的計算流程及設計重點；

2.沉井抗浮較為有效的方法為增加自重；

3.沉井底板采用鉸接設計更為合理。

參考文獻：

[1]CECS 137：2002, 給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規(guī)程[S]. 北京：中國工程建設標準化協(xié)會，2002年

[2]給水排水工程結構設計手冊（第二版）[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007年