沉井力學(xué)性能驗(yàn)算分析

張 江， 符 銳， 張 健

(1.徐州市黃河北閘管理處， 江蘇 徐州 221000； 2.南京市雨花臺(tái)區(qū)水務(wù)總站， 江蘇 南京 210017；3.睢寧縣水務(wù)局， 江蘇 徐州 221000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，城市水利、市政、交通基礎(chǔ)設(shè)施也逐步發(fā)展完善，越來越多的城市在建筑物密集區(qū)修建地下設(shè)施[1]。最常見的施工工藝就是利用沉井法修筑地下構(gòu)筑物和深基礎(chǔ)，它是在預(yù)制好的鋼筋混凝土井筒結(jié)構(gòu)底部開挖砂或土，利用井筒自重或施加外力以克服井筒與井壁和地層的摩擦力從而逐步下沉至指定位置[2]。沉井法挖填土方量較小，施工也較為安全，從而節(jié)約大量人力物力，同時(shí)對(duì)鄰近建筑物擾動(dòng)破壞較小，因而目前應(yīng)用較為廣泛[3-5]。沉井施工為地下工程施工，地下水文地質(zhì)較為復(fù)雜，因此，需進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)算分析后才可予以施工，以保證施工過程中的安全。本文根據(jù)南京市雨花臺(tái)區(qū)板橋河水系水環(huán)境提升工程的具體情況，詳細(xì)介紹3#沉井的力學(xué)性能驗(yàn)算過程。

1 工程概況及沉井結(jié)構(gòu)

該工程為南京市雨花臺(tái)區(qū)板橋河水系水環(huán)境提升工程。工程起點(diǎn)為肖家山(雨花臺(tái)區(qū)與江寧區(qū)交界處)，終點(diǎn)板橋河閘，全長(zhǎng)約7.2 km，包括新建2座引水泵站，將處理后的板橋河水通過活水循環(huán)管線補(bǔ)充至河道，共設(shè)頂管井5座，施工工藝采用頂管施工。1#工作井～2#接收井頂管總長(zhǎng)為60.9 m，材質(zhì)為DN1000鋼管，需橫穿鳳匯大道，周圍施工場(chǎng)地附近有交通信號(hào)燈2座，配電箱3座，距大型建筑物較遠(yuǎn)。3#工作井～4#接收井頂管總長(zhǎng)為79.4 m，材質(zhì)為DN1000鋼管，需橫穿板橋河，河面寬31 m，水深5.4 m，穿過泵站路，周圍有1座高壓電塔，距離3#工作井35 m。5#工作井～出水口頂管總長(zhǎng)為43.8 m，材質(zhì)為DN1000鋼管，需橫穿板橋河河堤，周圍無建筑物。本文選取3#沉井進(jìn)行分析驗(yàn)算。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 沉井設(shè)計(jì)參數(shù)

該沉井為圓形沉井，井筒高11.7 m，內(nèi)徑6.8 m，壁厚0.6 m；刃腳高1.9 m，厚0.8 m，踏面寬0.3 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.2 工程地質(zhì)參數(shù)

工程地質(zhì)參數(shù)、土層相關(guān)參數(shù)分別見表1～表4。

表1 工程地質(zhì)參數(shù)

表2 各土層壓縮性質(zhì)及物理指標(biāo)明細(xì)表

2.3 驗(yàn)算原則

(1)本工程施工區(qū)域隸屬長(zhǎng)江漫灘相地貌單元，地形整體較平整。根據(jù)地勘報(bào)告結(jié)果來看，該跨度內(nèi)地層結(jié)構(gòu)在垂直方向上基本相同，故驗(yàn)算時(shí)可取用同一地質(zhì)參數(shù)。

(2)根據(jù)交叉對(duì)比分析法，本次驗(yàn)算，選取工作井作為驗(yàn)算對(duì)象，取其最高井位驗(yàn)算，用作本次驗(yàn)算的沉井?dāng)?shù)據(jù)，見表5。

3 力學(xué)性能驗(yàn)算分析

根據(jù)施工方案內(nèi)容，本工程需驗(yàn)算的內(nèi)容有：刃腳墊層驗(yàn)算、沉井相關(guān)系數(shù)驗(yàn)算、模板及對(duì)拉螺栓驗(yàn)算。

3.1 刃腳墊層驗(yàn)算

刃腳墊層上部為C20素混凝土墊層，墊層厚0.1 m、寬2 m；下部則為砂石墊層，墊層厚0.5 m、寬3 m；刃腳底寬0.4 m。

3.1.1 沉井自重

沉井靠自重下沉，本次施工沉井結(jié)構(gòu)混凝土分3次澆筑，每次澆筑量分別為32.46 m3、83.40 m3和79.23 m3，則工作井混凝土用量為195.09 m3。

根據(jù)混凝土用量得工作井結(jié)構(gòu)自重為4 877.25 kN；沉井沿周長(zhǎng)單位質(zhì)量為209.9 kN/m。

3.1.2 沉井刃腳砂墊層

在沉井制作過程中，為使地基具有足夠的承載力，避免沉井發(fā)生不均勻沉降，需對(duì)地基進(jìn)行處理，常用處理方法包括采用砂、混凝土、砂礫、灰土墊層配合人工夯實(shí)、人工碾壓等措施加固處理。本工程經(jīng)前期地質(zhì)勘探，地基強(qiáng)度較低，施工過程中需使用較多墊木，當(dāng)墊木鋪設(shè)過密時(shí)，需在刃腳設(shè)置砂墊層以減少墊木數(shù)量。其中砂墊層設(shè)計(jì)是否合理，設(shè)計(jì)砂墊層厚度為其重要指標(biāo)。本次砂墊層厚度驗(yàn)算過程如下：

表3 地基承載力特征值明細(xì)表

表4 沉井設(shè)計(jì)參數(shù)表

表5 沉井分段施工數(shù)量表

(1)

式中：h為砂墊層厚度；G為混凝土單位長(zhǎng)度重量，本次取值為209.9 kN/m；Pu為下臥層地基極限承載力的折減值；θ為壓力擴(kuò)散角，為30°；B為刃腳素混凝土墊層寬度。

其中Pu可用以下公式計(jì)算：

Pu=P×k1×k2×k3

(2)

式中：P為地基的允許承載力，取值為60 kPa；k1為容許承載力轉(zhuǎn)換為極限承載力的系數(shù)，取k1=3；k2為極限承載力折減系數(shù)，取用k2=0.8；k3為施工荷載及沉井總自重超載系數(shù)的倒數(shù)，取用k3=0.85。

將P、k1、k2、k3數(shù)值代入公式(2)，計(jì)算得Pu為122.4 kPa，將Pu、G、θ、B數(shù)值帶入代入公式(1)進(jìn)行驗(yàn)算：得h=0.9 m，故取砂墊層厚度為1.0 m。

經(jīng)驗(yàn)算，設(shè)計(jì)砂墊層厚度1 m>0.9 m，滿足地基承載力要求。

砂墊層寬度計(jì)算：B≥b+2htanθ=1.454 m，砂墊層設(shè)計(jì)底寬B=4 m，滿足要求。

3.2 沉井相關(guān)系數(shù)驗(yàn)算

為保證施工安全，對(duì)工作井下沉系數(shù)、下沉穩(wěn)定系數(shù)、抗浮系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。

3.2.1 下沉系數(shù)

下沉系數(shù)Kst是指下沉重力與下沉阻力之比，沉井能否順利下沉的關(guān)鍵取決于下沉系數(shù)Kst是否選取得當(dāng)，沉井的總重力應(yīng)大于沉井外表面的阻力，但是又不能大于沉井刃腳參與工作的總阻力。沉井下沉?xí)r應(yīng)對(duì)其在自身重力下能否順利下沉進(jìn)行驗(yàn)算，即過程如下：

(3)

式中：Kst為下沉系數(shù)；Gk為井體自重標(biāo)準(zhǔn)值，工作井自重為4 877.2 kN；Ffw,k為地下水浮力的標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)采用排水下沉?xí)r為Ffw,k=0；Ffk為井壁摩擦阻力的標(biāo)準(zhǔn)值。

Ffk=U×A

(4)

式中：U為沉井井壁外圍周長(zhǎng)，工作井外壁周長(zhǎng)25.12 m；A為單位周長(zhǎng)的摩阻力。

A=f×(H-2.5)

(5)

式中：H為沉井下沉深度；F為單位面積的摩阻力。

根據(jù)以上公式計(jì)算下沉系數(shù)：Ffk=3 663.85 kN；又Ffw,k=0，計(jì)算下沉系數(shù)Kst=1.33，則下沉系數(shù)Kst>1.20，滿足施工時(shí)自重下沉要求。

3.2.2 下沉穩(wěn)定系數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，施工作業(yè)面下存在軟弱土層，因此需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行下沉穩(wěn)定計(jì)算，其下沉穩(wěn)定系數(shù)Kst,t應(yīng)符合下列要求：

(6)

式中：Kst,t為下沉穩(wěn)定系數(shù)；F′fw,k為地下水浮力的標(biāo)準(zhǔn)值，排水下沉?xí)r取值為0；F′fk為井壁摩擦阻力的標(biāo)準(zhǔn)值)；Rb為地基土極限承載力總和，查表得Rb=1 673.0 kN。

則計(jì)算得13.6 m沉井Kst,t=0.91<1.0，滿足施工時(shí)下沉穩(wěn)定要求。

3.2.3 抗浮系數(shù)

施工時(shí)，沉井在各個(gè)時(shí)期可能受到地下水位產(chǎn)生的浮力影響，因此需要進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算，即抗浮系數(shù)計(jì)算。在不計(jì)井壁和土的摩擦阻力時(shí)，抗浮安全系數(shù)通常可取1.0。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，本工程地下水位較高，當(dāng)沉井下沉高度達(dá)到設(shè)計(jì)高程后，需考慮豐水期沉井的抗浮系數(shù)，并采取降水措施?？垢∠禂?shù)K計(jì)算如下。

(7)

F=πr2h1ρg

(8)

式中：K為抗浮系數(shù)；F為水浮托力；h1為井底到地下水位高度，地下水位為4.5 m。

計(jì)算得抗浮系數(shù)K=1.07﹥1.0，滿足施工期抗浮穩(wěn)定要求。

3.3 模板驗(yàn)算

3.3.1 模板承受側(cè)壓力及有效壓力計(jì)算

沉井模板承受側(cè)壓力的計(jì)算是設(shè)計(jì)模板及其支架的基礎(chǔ)內(nèi)容，在進(jìn)行側(cè)模板及其支架承載力計(jì)算時(shí)，主要考慮新澆混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力、振搗混凝土產(chǎn)生的壓力及傾倒混凝土產(chǎn)生的荷載壓力，其中新澆混凝土對(duì)模板產(chǎn)生的側(cè)壓力為沉井模板承受的主要側(cè)壓力，本次主要計(jì)算新澆混凝土對(duì)模板承受的側(cè)壓力大小。側(cè)壓力大小可采用以下2個(gè)公式計(jì)算，并取2個(gè)公式中的較小值。

F=0.22γct0β1β2V0.5

(9)

F=γcH

(10)

(11)

式中：F為模板承受來自新澆混凝土的最大側(cè)壓力；γc為混凝土重力密度；t0為新澆混凝土的初凝時(shí)間，一般按照實(shí)測(cè)確定。若當(dāng)?shù)厝狈υ囼?yàn)資料時(shí)，也可采用t=200/(T+15)計(jì)算，T為混凝土的溫度；V為混凝土澆筑速度，一般取1 m/h；H為側(cè)壓力計(jì)算點(diǎn)到新澆混凝土頂面的總高度；β1為受外加劑影響產(chǎn)生的修正系數(shù)，當(dāng)摻有緩凝作用的外加劑時(shí)，一般取1.2；當(dāng)不摻外加劑時(shí)，一般取1.0；β2為坍落度影響修正系數(shù)(當(dāng)坍落度小于30 mm時(shí)，取0.85；當(dāng)坍落度位于50～90 mm之間時(shí)，取1.0；當(dāng)坍落度位于110～150 mm之間時(shí)，取1.15)；h為有效壓力高度。

代入相關(guān)參數(shù)值，由公式(9)計(jì)算得F為34.19 kN/m2；由公式(10)可得F為170 kN/m2。取其中較小值，即取值為34.19 kN/m2，乘以分項(xiàng)系數(shù)1.2，即得模板所受來自新澆混凝土的最大側(cè)向壓力Fmax=41.03 kN/m2。由公式(11)計(jì)算有效壓力高度h=1.64 m。

3.3.2 模板強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)模板施工工藝，面板由橫肋和豎肋所形成的矩形框架受力，模板為周界鉸支，模板整個(gè)板面受均布荷載，由上面計(jì)算得知，模板最大側(cè)壓力為41.03 kN/m2，由于模板對(duì)拉螺栓布置為0.45 m×0.60 m ,豎向方木支撐間距為0.30 m，故線荷載q為24.62 kN/m。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 均布荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖

其中，均布荷載q=24.62 kN/m，模板厚h=0.012 m， 根據(jù)《建筑施工安全技術(shù)規(guī)范》JGJ 162—2008 可得：靜曲強(qiáng)度[σ]=105.5 N/mm2。根據(jù)公式計(jì)算矩形模板最大正應(yīng)力。

(12)

(13)

(14)

式中：σ為最大正應(yīng)力；Mmax為最大彎矩，；Wz為抗彎截面系數(shù)。

從而可得最大正應(yīng)力σ=11.54 N/mm2<[σ]，本次模板設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié) 語

(1)沉井法是一種目前應(yīng)用十分廣泛的施工方法，但其規(guī)格較大、所處施工場(chǎng)地水文地質(zhì)條件的復(fù)雜多變性給沉井的設(shè)計(jì)及施工帶來了一些不確定因素，因此施工前需要進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)算分析，以保證施工質(zhì)量和安全。

(2)本次以南京市雨花臺(tái)區(qū)板橋河水系水環(huán)境提升工程為例，詳細(xì)介紹了3#沉井的力學(xué)性能驗(yàn)算過程。驗(yàn)算結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案滿足規(guī)范要求。

(3)該沉井力學(xué)性能驗(yàn)算方法具有普遍性，可為其他類似工程驗(yàn)算提供參考。