沉井基礎應用及試驗模擬

于文杰 丁新 張安靜 竇國濤

摘 要：沉井因埋深大、整體性強、穩(wěn)定性好和施工工藝簡單等優(yōu)勢被廣泛應用于基礎建設項目中。但是，隨著建設項目的擴展，沉井深度越來越深，尺寸越來越大，下沉過程對沉井刃腳要求越來越高。本文介紹了沉井刃腳下沉過程中刃腳處擾動土壓力的變化規(guī)律，介紹了相關試驗模擬方法，以期得到擾動土壓力作用下沉井刃腳受力機理，為沉井刃腳的設計提供理論依據(jù)。

關鍵詞：沉井基礎;刃腳;試驗模擬;擾動土壓力

中圖分類號：U445.6文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）19-0116-03

Abstract： Sunk shaft foundation is widely used in infrastructure projects because of its deep buried depth， strong integrity， good stability and simple construction technology. However， with the expansion of construction projects， the depth and size of sunk shaft foundation are getting deeper and larger， and the requirements for the edge of sunk shaft foundation are higher and higher. This paper introduced the variation law of disturbed earth pressure at the edge of sunk shaft foundation in the process of sinking， and introduced the relevant experimental simulation methods， in order to obtain the force mechanism of sunk shaft foundation under the action of disturbed earth pressure， and provide theoretical basis for the design of sunk shaft foundation edge foot.

Keywords： sunk shaft foundation; cutting edge;experimental simulation;disturbed earth pressure

1 沉井基礎

沉井基礎是先在地表制作成一個井筒狀的結構物（沉井），然后在井壁的圍護下通過從井內不斷挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到設計標高，然后再經(jīng)混凝土封底并填塞井孔，使其成為橋梁墩臺或其他結構物的基礎[1-2]。與其他基礎相比，沉井基礎有更大的埋深、更加良好的完整性和結構穩(wěn)定性，具有較大的底面支撐面積，能承受較大的垂直和水平荷載。此外，沉井既是基礎，又是施工時的擋土和擋水圍堰結構物。沉井施工工藝簡單安全，有穩(wěn)妥可靠的技術，不需要特殊的專業(yè)設備，在深基礎或地下結構中應用較為廣泛，如橋梁墩臺基礎、地下泵房、水池、油庫、礦用豎井以及大型設備基礎、高層和超高層建筑物基礎等。

但是，沉井基礎施工周期較長，對粉砂、細砂類土在井內抽水時易發(fā)生流砂現(xiàn)象，造成沉井傾斜;沉井下沉過程中遇到的大孤石、樹干或井底巖層表面傾斜過大，也將給施工帶來一定的困難。沉井施工示意圖如圖1所示。

2 沉井刃腳

沉井下沉過程中面臨難沉、傾斜、翻砂和突沉等問題，刃腳下土體極限承載力是研究沉井正常下沉、解決上述問題的關鍵。刃腳是沉井構造中井壁最下面的斜形尖利部分，主要作用是方便切入土層，利于井壁下沉，刃腳斜面與水平面之間的夾角不宜小于45°，此外，還需要滿足規(guī)定的強度要求，防止下沉期間受力撓曲或損壞。刃腳最下面的水平部分稱為踏面，根據(jù)井壁重量、厚度和土質的軟硬綜合確定踏面寬度。沉井基礎的刃腳和井壁整體澆筑為一體，為確保沉井順利下沉，減少沉井底面的正面土抗力，井壁和隔墻底部一般設計成有利于切入土層的有斜面的楔形。刃腳的長度和踏面的寬度根據(jù)地質條件確定，即綜合考慮地基承載力和沉井下沉高度、封底混凝土的厚度進行確定。刃腳所承受的荷載是非常集中的，必須有足夠的強度，以免撓曲與受損。考慮到井壁受力，刃腳做成楔形，但仍保留一定寬度;同時，為保證沉井下沉中翻砂，造成外部土體向井內大量涌入，影響結構安全及姿態(tài)穩(wěn)定，需要保證刃腳插入土中一定深度。刃腳構造示意圖圖圖2所示。

3 沉井施工流程

3.1 沉井制作

沉井制作流程如下：①對開挖的沉井基坑測量定位、平整場地、抄平放線驗線，鋪設沉井刃腳的砂墊層，安設刃腳鐵件、鋼筋綁扎，并支設刃腳和井壁模板;②第一節(jié)沉井的鋼筋綁扎和模板支護，同時穿插進行預埋預留的配合工作;③第一節(jié)沉井的混凝土澆筑和振搗、拆模和養(yǎng)護，同時完成沉井第二節(jié)和第三節(jié)沉井的制作工作。在第二和第三節(jié)沉井混凝土澆搗、拆模與養(yǎng)護的同時，完成沉井下沉的準備工作。

3.2 沉井下沉

沉井下沉遵照“定位準確、先中后邊、對稱分層取土、深度適當”的原則進行[3]。沉井下沉過程中必須實時進行測量復核，直至沉降到設計要求的底標高，以保證其穩(wěn)定性滿足設計與規(guī)范要求。該階段的施工內容主要如下。

①設置垂直運輸機械、排水泵、挖排水溝、集水井;②沉井逐步下沉至設計要求的底標高過程中，在井筒內采用機械挖挖土，并配合人工挖土，從中間開始均衡對稱地向四周進行挖土，并清淤下沉及井筒外的深井降水，保證沉井均勻平穩(wěn)地下沉;③沉井過程中的軸線與標高復核，嚴格控制沉井的位置與垂直度，發(fā)現(xiàn)問題及時采取糾偏措施;④沉井下沉至設計要求的底標高后，對沉井底部的進行整平和夯實，并澆筑混凝土墊層，同時完成井壁與施工縫的清理工作;⑤做好底板鋼筋綁扎和底板混凝土澆搗、養(yǎng)護;⑥做好測量彈線，落實井筒內的墻、柱、板及輔助設施等結構施工的準備工作，為機電安裝作業(yè)創(chuàng)造條件。⑦做好沉井工程的質量檢查與驗收工作。

沉井的施工程序見圖3。

4 沉井下沉試驗模擬

沉井在下沉過程中，沉井刃腳有時切入土中，有時懸空（刃腳下土被挖空），是沉井受力最大、最復雜的部分。沉井斜側面與外側面的擾動土壓力及基礎反力對其穩(wěn)定性起著至關重要的作用，尤其對于超深沉井刃腳，因此，開展沉井下沉過程中刃腳部位在擾動土壓力作用下的受力性能和結構穩(wěn)定機理分析研究，在工程實踐和設計理論研究方面具有重要的參考價值。

4.1 試驗方案

目前，主要的沉井刃腳土壓力測試方法如下：在刃腳鋼筋籠制作好后，將土壓力盒預埋進刃腳內，將土壓力盒受力面與即將澆筑的刃腳底面平齊，將導線接引至刃腳外面，連接數(shù)據(jù)采集裝置;在下沉過程中，實時監(jiān)測刃腳處土壓力的變化，整理分析刃腳下沉過程的試驗數(shù)據(jù)，得到刃腳土壓力與下沉深度的曲線。

沉井的截面形狀有圓形和方形，在超大直徑的圓形沉井中，截取1 m的截面。由于弧度很小，因此，可以忽略不計。同時，研究刃腳的受力性能。此試驗目的是研究刃腳切入土中時，刃腳斜側面擾動土壓力隨深度分布形式及大小，試驗設置如圖4所示，具體試驗方案如下：①制作模型箱，模型箱尺寸為4 m×1 m×2 m（長×寬×高），采用壁厚為1 cm的鋼板拼接而成;②制作單位寬度沉井刃腳縮尺模型;③填土，并放置刃腳縮尺模型;④測取土體的重度，含水率，摩擦角和粘聚力;⑤安裝位移計進行加載試驗，同時記錄試驗數(shù)據(jù)，用液壓千斤頂加載，使沉井刃腳向下移動，同時記錄土壓力動態(tài)變化。

4.2 試驗步驟

試驗前，測試填入土的密度、摩擦角、孔隙比等物理參數(shù)，同時還要進行篩分試驗，繪制顆粒級配曲線。刃腳部分混凝土強度達到設計強度100%后方可開始下沉。勤測、勤糾，小角度糾偏是沉井下沉過程中的最佳傾斜糾偏措施，當沉井偏斜達到容許值的1/4時便要糾偏。

下沉試驗模擬主要試驗步驟如下。

①組裝模型箱，并在外圍支設模型箱的支撐系統(tǒng)，防止刃腳下沉過程外側土體擠壓外翻。

②填入試驗所需的土體，并逐層進行均勻夯實。

③沉井模型預先埋入土中約0.3 m，填土完成后，支設刃腳并安裝加載裝置，調節(jié)儀器儀表，并檢測數(shù)據(jù)是否能正常傳輸及是否合理。

④從刃腳斜面一側開始向刃腳處均衡對稱地進行挖土，然后千斤頂加載并記錄加載力值大小和土壓力盒記錄的應力。刃腳處挖土要逐步擴大，一次挖土量不可過多，若發(fā)現(xiàn)刃腳輕微傾斜，不要通過大量挖土來糾偏。

⑤結合擾動理論、非極限土壓力理論的分析方法，綜合分析沉井在下沉過程中刃腳踏面和斜面應力在空間上的分布規(guī)律。

5 結論

本文介紹了沉井施工方法的概況及沉井基礎的主要使用范圍，并對沉井的施工工藝流程和下層中的主要傾斜糾偏措施進行介紹，可供相關專業(yè)學生及同行參考學習。

參考文獻：

[1]趙勇.頂管工程工作井及接收井施工方案技術經(jīng)濟分析[J].山西建筑，2015（21）：209-211.

[2]魏志.建筑沉井基礎施工技術探討[J].科技傳播，2011（1）：77，72.

[3]黎人亮，翟躍，咼佳，等.江津中渡長江大橋南錨碇沉井施工技術[J].施工技術，2016（24）：21-23，31.