水利工程沉井地基處理案例分析

楊 靖 陳新洋

(1.昆山市水利建筑安裝工程有限公司，江蘇 昆山 215300；2.昆山市城建發(fā)展建筑設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 昆山 215300)

1 工程概況

蘇州工業(yè)園區(qū)木沉港泵閘及水立交工程，是蘇州市工業(yè)園區(qū)的重大民生保障工程，其功能主要是調(diào)水引流，將陽(yáng)澄湖清潔水源引入金雞湖及周邊區(qū)域水體，新建抽水泵站加大水體流動(dòng)能力，在水域口門(mén)設(shè)置控導(dǎo)建筑物來(lái)控流截污，從而徹底改善金雞湖及周邊區(qū)域水環(huán)境，避免金雞湖水域藍(lán)藻大規(guī)模暴發(fā)。

為防止木沉港引水期間婁江河來(lái)水進(jìn)入，減輕引水對(duì)婁江河通航的影響，在婁江河下部采用水立交的方式布設(shè)一個(gè)引清通道。在婁江河南北兩側(cè)布設(shè)始發(fā)井和接收井二個(gè)沉井，之間布設(shè)兩道3.2m的鋼頂管，兩端分別通過(guò)暗埋箱涵和現(xiàn)有河道相連(見(jiàn)圖1)。本工程等別為Ⅱ等。

圖1 婁江水立交工程平面

2 工程地質(zhì)資料

本工程現(xiàn)場(chǎng)地基最大鉆探深度為42m,顯露的地基土層按地質(zhì)年代、成因類型、土壤性狀的不同和物理力學(xué)性質(zhì)的差異，分為7個(gè)大層(見(jiàn)表1)。

表1 各層土的主要物理力學(xué)指標(biāo)

3 沉井設(shè)計(jì)

沉井主體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，分別為工作井和接收井兩座獨(dú)立建筑物。本文以工作井為例作介紹。工作井平面尺寸17.2m×15m(長(zhǎng)×寬)，高度19m；外壁為直線，內(nèi)壁為臺(tái)階形，高程-6.50m為變階處，上部壁厚1.3m，下部壁厚1.5m，高程-8.80～-12.00m為頂管預(yù)留洞口(見(jiàn)圖2)。

沉井四周連續(xù)布設(shè)三軸水泥攪拌樁圍封，樁長(zhǎng)23m，采用φ600@400進(jìn)行套打，工作井南北兩側(cè)墻體作為頂管背墻和管道出口區(qū)間設(shè)計(jì)進(jìn)行高壓旋噴樁土體加固。

本工程始發(fā)井位置地面現(xiàn)狀標(biāo)高為2.70m左右，計(jì)劃開(kāi)挖3m到3層土，作為持力層進(jìn)行沉井預(yù)制，3層土為黃色夾雜灰色粉質(zhì)黏土，下部無(wú)軟弱下臥層。

工作井采用先預(yù)制后下沉的方式施工。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，考慮到工期緊，采用3次澆筑1次下沉方案，工作井3節(jié)分別為8.2m、5.6m、5.2m。先進(jìn)行前提準(zhǔn)備工作，即三軸水泥攪拌樁圍封施工，在圍封等強(qiáng)并起到防滲效果后，施工管井等排水設(shè)施，沉井采用排水下沉、干法封底的施工方法。

第1節(jié)沉井澆筑8.2m，混凝土約776m3，鋼筋約116t。第2節(jié)5.6m、第3節(jié)5.2m全部接高后，混凝土約1800m3，鋼筋約270t。

4 天然地基承載力設(shè)計(jì)

4.1 天然地基承載力要求

《沉井與氣壓沉箱施工規(guī)范》(GB/T 51130—2016)4.1.5規(guī)定：“沉井首節(jié)制作時(shí)的基底壓力不應(yīng)大于下臥層地基承載力特征值，以后各節(jié)接高制作時(shí)應(yīng)符合地基極限承載力的要求。”

圖2 沉井結(jié)構(gòu)(單位：mm)

4.2 荷載

a.永久荷載。第1節(jié)沉井自重G1k=(776×24+1160)=19784kN，鋼筋混凝土重度24kN/m3。

b.可變荷載。板及支架自重取0.3kN/m2；Q1k=(17.2+15)×2×8.2×2×0.3=316.8kN。

c.施工荷載。單位荷載取2.5kN/m2；Q2k=(17.2+15)×2×1.5×2.5=241.5kN。

4.3 荷載組合

根據(jù)規(guī)范要求，在承載力極限狀態(tài)下，應(yīng)按荷載的基本組合型式計(jì)算荷載的效應(yīng)設(shè)計(jì)值，固定荷載分項(xiàng)系數(shù)γG取1.2，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)γQ取1.4。

計(jì)算承載能力荷載組合：G=γGG1k+γG(Q1k+Q2k)=1.2×19784+1.4×(316.8+241.5)=24522kN。

4.4 承載力計(jì)算

4.4.1 首節(jié)沉井承載力計(jì)算

沉井底條形基礎(chǔ)面積S=(17.2-1.5/2+15-1.5/2)×2×1.5=92.1m2;

p=G/S=24522/92.1=266.3kPa>地基承載力特征值fak=150kPa。

4.4.2 整個(gè)沉井承載力計(jì)算

同理，第二節(jié)、第三節(jié)全部接高后，G1k=(1800×24+2700)=45900kN，

Q1k=(17.2+15)×2×5.2×2×0.3=200.9kN，

Q2k=(17.2+15)×2×1.3×2.5=209.3kN,

G=γGG1k+γG(Q1k+Q2k)=1.2×45900+1.4×(200.9+209.3)=55654kN；

p=G/S=55654/92.1=604.3kPa>地基極限承載fu=300kPa。

經(jīng)計(jì)算，天然地基不滿足設(shè)計(jì)承載力要求，需要進(jìn)行地基加固處理。

5 砂墊層地基處理

5.1 砂墊層設(shè)計(jì)

計(jì)劃采取砂墊層換填處理的方式，砂墊層厚度取1.2m。在砂墊層頂部設(shè)置150mm厚C20混凝土墊層，四周各超寬150mm。

5.2 砂墊層換填要求

根據(jù)《沉井與氣壓沉箱施工規(guī)范》(GB/T 51130—2016)4.2.2的規(guī)定：砂墊層的厚度應(yīng)根據(jù)沉井的重量和地基土承載力按下列公式計(jì)算確定(見(jiàn)圖3)，且不宜小于600mm。

圖3 承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖和公式中p——基底壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；

G0——第一節(jié)沉井沿井壁單位長(zhǎng)度自重，kN/m；

Gz——整個(gè)沉井沿井壁單位長(zhǎng)度自重同，kN/m；

hs——砂墊層厚度，m；

γs——砂天然重度，取15kN/m3；

Bz——素混凝土墊層寬度，m，BL=B+2b1，計(jì)算時(shí)取b1=hc；

b1——素混凝土外挑寬度，m，可取b1≥hc(hc為混凝土墊層厚度)；

α——砂墊層壓力擴(kuò)散角，(°)，可取30°；

fα——修正后的地基承載力特征值，kPa；

fu——修正后的地基承載力極限值，kPa；

b——刃腳踏面寬度，m；

B——刃腳寬度，m。

5.3 砂墊層承載力驗(yàn)算

第1節(jié)沉井單位長(zhǎng)度沉井自重G0=G/L=[(776×24+1160)]/[(17.2-1.5/2+15-1.5/2)×2]=19784/61.4=322.2kN/m，2hstanα+BL=2×1.2×tan30°+1.8=3.19m，

p=G0/(2hstanα+BL)+γshs=322.2/3.19+15×1.2=119.0kPa≤fa=150kPa。

第2節(jié)、第3節(jié)全部接高后，沉井單位長(zhǎng)度沉井自重G0=G/L=(1800×24+2700)/[(17.2-1.5/2+15-1.5/2)×2]=747.6kN/m，p=G0/(2hstanα+BL)+γshs=747.6/3.19+15×1.2=252.4kPa≤fu=300kPa。

經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，天然地基經(jīng)過(guò)砂墊層換填處理后，承載力滿足要求。

6 沉井砂墊層施工

6.1 施工流程

測(cè)量放樣→基坑開(kāi)挖→四周設(shè)置排水溝和集水井→第一層黃砂回填→水撼法加平板振動(dòng)器振搗→砂密實(shí)度檢測(cè)→上一層黃砂回填→靜載荷試驗(yàn)→素混凝土墊層澆筑。

6.2 施工主要事項(xiàng)

砂墊層施工必須選用平板振搗器進(jìn)行。砂墊層的施工方法、分層攤鋪厚度、每層振搗時(shí)間宜通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。其分層鋪填厚度宜為200～300mm。

基坑開(kāi)挖時(shí)應(yīng)避免坑底原狀土層受擾動(dòng)，預(yù)留200mm厚的保護(hù)層土方，待回填黃砂前由人工開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高。在基坑底和邊坡位置鋪設(shè)一層土工織物，防止基坑邊坡塌土混入砂墊層中。

砂墊層采用水撼法進(jìn)行充水，利用平板振動(dòng)器進(jìn)行振搗。

7 質(zhì)量檢驗(yàn)

砂墊層的施工質(zhì)量檢驗(yàn)須分層進(jìn)行，并確保在每層的壓實(shí)系數(shù)符合設(shè)計(jì)要求后鋪設(shè)上層。壓實(shí)系數(shù)采用灌砂法進(jìn)行檢驗(yàn)。按照條形基礎(chǔ)下墊層每10～20m不少于1個(gè)點(diǎn)的頻率進(jìn)行檢驗(yàn)，完工后采用靜載試驗(yàn)檢驗(yàn)砂墊層承載力。

現(xiàn)場(chǎng)黃砂經(jīng)監(jiān)理見(jiàn)證取樣后試驗(yàn)，最大干密度為1.72g/cm3，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)最小值為1.70g/cm3，滿足規(guī)范壓實(shí)系數(shù)大于0.97的要求。

砂墊層換填施工完成后，選取砂墊層頂面沉井條形基礎(chǔ)位置進(jìn)行荷載試驗(yàn)，荷載板取長(zhǎng)度1.8m、寬度1m，最大加載值取747.6kN,分級(jí)進(jìn)行加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明承載力—位移曲線無(wú)陡變，最終沉降16mm，承載力滿足要求。

8 沉降觀測(cè)

沉井施工前，對(duì)沉井下的混凝土墊層設(shè)置多個(gè)沉降觀測(cè)釘，施工過(guò)程中進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果表明，最終累計(jì)總沉降為20mm左右，且四角沉降均勻，滿足要求。

9 結(jié) 語(yǔ)

蘇州工業(yè)園區(qū)木沉港泵閘及水立交工程，在婁江河下部采用水立交的方式布設(shè)一條引清通道，在婁江河南北兩側(cè)布設(shè)始發(fā)井和接收井二個(gè)沉井。本文通過(guò)對(duì)沉井天然地基進(jìn)行承載力驗(yàn)算，得出了需要對(duì)地基進(jìn)行處理的合理化建議，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，采用了砂墊層的施工方案。本工程案例可為其他類似工程提供參考，從而起到保證工程質(zhì)量和安全，杜絕安全事故的作用。