某軟土區(qū)沉井的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

■許能權(quán) ■上海綠地建設(shè)設(shè)計研究院有限公司，上海 200065

沉井作為一種施工方法，在地下構(gòu)筑物和深基礎(chǔ)工程中運用越來越廣泛。它具有占地面積小，挖土少，對臨近建構(gòu)筑物影響小、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、質(zhì)量可靠、適應(yīng)型強等優(yōu)點。沉井結(jié)構(gòu)形式多樣，圓形、長方形、正方形、多邊形等較為多見。沉井一般采用分段制作、分段開挖下沉的方式進行，待下沉至設(shè)計標(biāo)高，然后進行封底作業(yè)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)的施工。大部分沉井既作為施工過程中一種圍護措施存在，又作為永久結(jié)構(gòu)的一部分存在，沉井的設(shè)計不僅受地質(zhì)條件、地下水位、周邊環(huán)境影響，還與沉井所處的實際受力工況有關(guān)。因此沉井設(shè)計時必須根據(jù)不同工況采用不同的的受力模型進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析計算。下面就以某軟土區(qū)取水泵站為例，對軟土區(qū)沉井的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行說明。

1 工程概況

該取水泵站是江蘇省某企業(yè)長江取水工程的一部分，泵站作為頂管施工的接收井，設(shè)在長江大堤內(nèi)側(cè)不遠處，兩根直徑DN700的取水管接入泵站內(nèi)。取水泵站為圓形，內(nèi)徑尺寸Ф16m，基礎(chǔ)底板頂面距離現(xiàn)有場地9.1m。該泵站穿越的主要土層為流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層。根據(jù)結(jié)構(gòu)初步計算分析，泵站形狀、擬定尺寸如下圖。

2 參數(shù)

(1)地質(zhì)參數(shù)，見表1。

表1 地質(zhì)參數(shù)

(2)抗浮水位:按當(dāng)?shù)亻L江歷史最高水位標(biāo)高5.30m考慮。

(3)施工期間承壓水水頭(⑥1粉細砂)按絕對標(biāo)高1.63m考慮。

(4)施工期間地下水水位1.80m。

3 方案選擇

取水泵站緊靠長江大堤，泵站穿越的主要土層為流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。若采用大開挖施工，施工難度很大(需設(shè)置隔滲帷幕，并對基坑坑底和邊坡土體進行加固，同時外側(cè)降水處理)，施工周期長、對長江大堤影響大，同時也不經(jīng)濟;采用連續(xù)墻、排樁等其它基坑圍護措施不經(jīng)濟，最終采用沉井法施工。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性計算

由于泵站底板底距離承壓含水層⑥1粉細砂頂面距離7.8m，而承壓水水頭為16.62m，直接采用干式封底基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性不足。該區(qū)域下部幾個土層均為透水層、承壓水水頭大，綜合考慮到基坑底抗隆起穩(wěn)定性、基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性經(jīng)濟性、和施工難度，最終采用不排水下沉、水下封底方案。

施工期間基坑底承壓水水頭和沉井內(nèi)水位均按絕對標(biāo)高1.63m考慮。水下封底施工時，基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性:Kty=(γw*hw+γm*△t)/PW=(10.73*10+5.5*17.8)/(16.3+146)=1.26＞1.1滿足要求。

4.2 基坑底抗隆起穩(wěn)定性計算

沉井設(shè)計時，抗隆起穩(wěn)定性驗算經(jīng)常是容易被設(shè)計人員忽略的環(huán)節(jié)。但很多工程沉井下沉到設(shè)計標(biāo)高后出現(xiàn)坑內(nèi)隆起，沉井外側(cè)土體塌陷現(xiàn)象都是抗隆起穩(wěn)定性不足造成的。軟土地區(qū)沉井設(shè)計，特別是坑底位于軟土層的沉井設(shè)計時，無論采用干封底或水下封底，抗隆起穩(wěn)定性驗算都很重要。

該泵站沉井施工期間沉井內(nèi)水位按絕對標(biāo)高1.63m考慮。水下封底施工時，基坑底抗隆起穩(wěn)定性:

7.158 *24)/［(17.5*7.6+17.8*4.6)+10］=1.66 ＞1.6，滿足要求。

4.3 下沉計算

5.000 m以下沉井自重:Gk=16665kN;施工期間水浮托力Ffw，k=5136kN;

井壁摩阻力:Ffk=93.9*3.14159*17.8=5251kN;

下沉系數(shù):Kst=(Gk－Ffwk)/Ffk=(16665－5136)/5251=2.20＞1.05滿足要求。

4.4 下沉穩(wěn)定驗算

(1)施工期間水浮托力F'fw，k=5136kN;(2)井壁摩阻力:F'fk=93.9*3.14159*17.8=5251kN;(3)刃腳下地基土極限承載力Rb=［(17.82－16.72)*0.7854*170=5383kN;(4)下沉系數(shù):Kst=(Gk－Ffwk)/Ffk=(16665－5136)/(5251+5383)=1.09＞0.90 下沉穩(wěn)定不滿足要求。

經(jīng)過計算可知，按照目前截面尺寸，該沉井存在下沉不穩(wěn)定的可能。為了解決沉井下沉不穩(wěn)定、并嚴格控制沉井下沉標(biāo)高，本工程采用沉井外側(cè)布樁的方式來控制沉井下沉的標(biāo)高。本工程沉井外側(cè)布置了33mPHC600AB110樁12套(@300，弧長間距～5m)，樁中心到沉井外壁間距600mm。為了確保安全，樁承載力按忽略刃腳反力時樁承當(dāng)平均反力的2倍進行設(shè)計(即考慮相鄰樁破壞失去作用)。單樁最大反力為1046KN＜1700KN(樁承載力特征值)，滿足。

4.5 封底混凝土厚度計算

待沉井下沉到設(shè)計標(biāo)高后，即進行水下素混凝土封底工作。待素混凝土底板達到強度后，將沉井內(nèi)的水排干后進行鋼筋混凝土底板的施工作業(yè)，此時素混凝土底板需滿足強度和抗浮要求。

在不考慮井壁側(cè)摩阻力作用下，素混凝土底板承受的凈反力(水浮力+地基反力)為底板頂面以上混凝土井壁自重。封底前按井壁施工到5.0m考慮(剩余部分在封底以后與泵站頂板一同施工)，素混凝土底板承受的凈反力qk=55.50KPa。

底板彎矩設(shè)計值M=kqr2=0.1979*1.27*55.5*8.02=892.9kN.m。

實際底板厚度取ht=2300mm

4.6 抗浮驗算

沉井抗浮驗算需要復(fù)核施工期間和使用階段兩種不同工況下的抗浮穩(wěn)定性。施工期間需要考慮素混凝土底板封底后，鋼筋混凝土底板施工前抗浮穩(wěn)定性，施工期間沉井外側(cè)地下水水位按1.80m考慮。使用階段抗浮水位按勘察要求驗算，即抗浮水位按當(dāng)?shù)亻L江歷史最高水位標(biāo)高5.30m考慮。

(1)施工階段抗浮驗算:抗浮系數(shù)Kfw=Gk/Fbfw，k=(55.5+2.3*2.3*9.8)/(1.8+6.8+2.3)*9.8=1.005＞1.0滿足要求。

(2)使用階段抗浮設(shè)計:沉井頂板及上部結(jié)構(gòu)恒載結(jié)構(gòu)恒載總量Gk=38822KN。使用期間水浮托力Fbfw，k=31245kN，抗浮系數(shù)Kfw=Gk/Fbfw，k=38872/31245=1.24＞1.0滿足要求。

4.7 沉井側(cè)壁計算

(1)主動土壓力:由于沉井下沉區(qū)域主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，該部分因此按水土合算進行土壓力計算。主動土壓力公式:Pa=1.27［(qk地面堆積荷載標(biāo)準(zhǔn)值按qk=10KPa，計算結(jié)果如表2。

表2 計算結(jié)果

(2)下沉過程井壁內(nèi)力計算

不帶隔墻下沉的圓形沉井，在下沉過程中井壁的水平內(nèi)力可按不同高度截取閉合圓環(huán)計算，并假定在互成90°的兩點處土壤內(nèi)摩擦角的差值為5°～10°(本次取等效內(nèi)摩擦角φD±2.5°進行計算)。土壓力產(chǎn)生的內(nèi)力可按下式計算:

最不利截面為④1層底或⑤1層側(cè)壁，按1米高側(cè)壁進行計算，結(jié)果如表3:

表3 結(jié)果

經(jīng)計算，④1底位置為承受彎矩最大位置，該位置沉井內(nèi)側(cè)水壓對側(cè)壁產(chǎn)生軸向拉力(無彎矩)，NAS=NBS=－1.27*104*8.45=－1116kN。水土共同作用下，側(cè)壁最不利位置內(nèi)力如下:

NA MA(外拉) NB MB(內(nèi)拉)725.5 －388.1 637.2 356.2

4.8 刃腳設(shè)計

(1)刃腳計算分剛?cè)胪霖Q向向外彎曲受力和下沉到底部刃腳懸空時豎向向內(nèi)彎曲受力兩種情況，由于是軟土，刃腳根部彎矩均較小，其中向外彎矩(取刃腳入土位置)Mk=39.6kN.m。內(nèi)彎曲受力彎矩Mk===75.9kN.m(計算略)。

4.9 底板及其它結(jié)構(gòu)受力計算

泵站上部結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土底板、內(nèi)隔墻以及形成整體后沉井側(cè)壁的內(nèi)力可以通過SAP2000模擬確定最低水位和最高水位兩種不同工況不同截面內(nèi)力，通過截面最不利內(nèi)力(側(cè)壁需要與下沉過程側(cè)壁內(nèi)力取最不利結(jié)果)確定鋼筋面積。

其它結(jié)構(gòu)受力計算內(nèi)容包括樁基的抗沖切計算、抗剪計算、封底素混凝土沿沉井壁的抗剪計算、鋼筋混凝土底板局部承壓計算以及表面砂墊層的換填厚度計算。

5 結(jié)語

(1)軟土地區(qū)若坑底抗隆起穩(wěn)定性驗算不足時，無論采用干封底或水下封底，均可考慮采用對坑底內(nèi)外側(cè)土體進行加固處理，增加土體的抗剪切強度來實現(xiàn)，亦可考慮增加刃腳進入坑底長度的方式實現(xiàn)。當(dāng)出現(xiàn)坑內(nèi)涌土、隆起現(xiàn)象時，需及時向坑內(nèi)注水或填砂處理。避免進一步涌土、隆起引起沉井超沉。待采取好應(yīng)對措施后方可進行下一步的施工。

(2)對于位于軟土地基的沉井，即使是采用水下封底方案，施工清底時也要嚴格控制坑內(nèi)的水位，避免因坑內(nèi)水位過低出現(xiàn)流沙、流泥現(xiàn)象或者因承壓水上部土體被承壓水破壞整體向上涌土問題。

(3)當(dāng)設(shè)計采用通過增加隔墻方式增加沉井自重(或者通過加隔墻方式減少側(cè)壁厚度)滿足施工階段抗浮穩(wěn)定性驗算時，要充分考慮到隔墻的對稱性，避免因為不對稱照成沉井下沉傾斜偏轉(zhuǎn)。必要時，可以通過表層降水降低沉井的浮托力或加載下沉來實現(xiàn)。若使用階段工程抗浮驗算不足時，可以考慮將封底素混凝土自重作為沉井抗浮重量的一部分，此時封底素混凝土需要通過鋼筋與底板形成可靠連接。

(4)解決軟土地區(qū)沉井下沉不穩(wěn)定的辦法有多種，可以通過在加刃腳寬度、坑底設(shè)隔墻、地梁、頂部設(shè)突出井壁的環(huán)梁、加固坑底土體(或者加固刃腳底部土體)方法解決，但采用樁基是解決水下封底沉井下沉不穩(wěn)定并嚴格控制沉井下沉標(biāo)高的最有效的辦法。為了避免外側(cè)土體內(nèi)涌使樁位產(chǎn)生偏位或者破壞，施工過程中要求嚴格采用先中央后邊緣，中間深，邊緣淺對稱均勻取土的原則。待下沉基本到位情況下再將邊緣土體清除干凈。

(5)軟土地區(qū)沉井盡可能不采用坑內(nèi)布置PHC樁承擔(dān)豎向荷載的布樁形式。

(6)當(dāng)軟土地區(qū)地基承載力低同時沉井井壁較厚時，設(shè)計需要根據(jù)確定的第一節(jié)沉井的重量計算確定換填的砂墊層厚度，第一節(jié)不宜過高，以免需要鋪設(shè)的砂墊層太厚。

［1］給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊(第2版).中國建筑工業(yè)出版社出版.

［2］地下建筑結(jié)構(gòu).中國建筑工業(yè)出版社出版.

［3］軟土地基和地下工程.中國建筑工業(yè)出版社出版.