沉井刃脚验算

8　沉井结构设计

本章导读:

●内容　沉井的特点及适用范围;沉井施工步骤;沉井的类型与构造;沉井结构设计与施工。

●基本要求 熟悉沉井结构的概念、特点、适用范围及其类型与构造;了解沉井的施工步骤及施工时的注意事项;掌握沉井结构设计的程序和内容。

●重点　沉井的构造和沉井结构设计的程序与内容。

●难点　沉井结构设计的程序与内容。

8.1　概　述

8.1.1　沉井特点及适用范围

沉井通常是用钢筋混凝土材料制成的井筒状结构物。不同断面形状(如圆形、矩形、多边形等)的井筒,按边排土边下沉的方式使其沉入地下,即为沉井。当上部结构荷载较大,而桩基础又受水文地质条件限制时,常采用沉井基础。

沉井施工法是深基础施工中采用的主要施工方法之一。它不需要板桩围护,施工操作简便,技术安全可靠;比敞口明挖占地面积小、挖土量少、对邻近建筑物的影响较小、产生的地表沉降和位移较小。同时,由于沉井基础埋置较深,稳定性好,能够支持较大的荷载,加之沉井施工技术的不断发展和日臻完善,只要施工措施选择恰当,它几乎可适用于任何环境和地质条件。目前,沉井施工方法已广泛应用于桥梁墩台基础(图8.1)、取水构筑物、排水泵站、地下油库、大型排水窨井、盾构或顶管的工作井等工程。

图8.1　泰州长江大桥沉井基础

8.1.2　沉井施工步骤

如图8.2所示,施工时先在建筑地点整平地面,制作第一节沉井,接着在井壁的围护下,从井底挖土。随着土体的不断挖深,沉井因自重作用克服井壁土的摩阻力而逐渐下沉。当第一节井筒露出地面不多时停止开挖下沉,接高井筒,待到达规定强度后再挖土下沉。这样交替操作一直下沉到设计标高,然后封底,浇筑钢筋混凝土底、顶板等工作,做成地下建筑物。

图8.2　沉井施工步骤示意图

8.1.3　沉井的类型

根据不同的分类方式,沉井结构可分为不同的类型,主要包括以下几种分类方法:

①按下沉环境的不同,可以分为陆地沉井(包括在浅水中先筑捣制作的沉井)和浮运沉井(用于在深水中施工的沉井)。

②按照沉井构造形式的不同,可分为独立沉井(多用于独立深基础或独立深井构筑物)和连续沉井(多用于隧道工程)。

③按照沉井平面形式的不同,可分为圆形、圆端形、正方形、矩形以及多边形沉井等,也可分为单孔沉井(图8.3)和多孔沉井(图8.4)。

④按照沉井制作材料的不同,可分为混凝土沉井、钢筋混凝土沉井、钢沉井、砖沉井、石沉井以及组合式沉井等。

图8.3　单孔沉井

图8.4　多孔沉井

8.1.4　沉井的构造

沉井一般由井壁、顶板、封底、内隔墙、取土井、凹槽和刃脚等部分组成,如图8.5所示。

(1)井壁

图8.5　沉井构造示意图

井壁即沉井外壁,是沉井重要的结构构件。在施工下沉阶段,井壁承受周围水、土压力所引起的弯曲应力,同时要有足够的自重以克服井筒外壁与土的摩擦力和刃脚踏面底部土的阻力,使沉井能够下沉到设计标高;施工完成后,井壁成为传递上部荷载的基础或基础的一部分。因此,井壁应有足够的厚度与强度。此外,井壁内根据需要还常埋设有射水管、探测管、泥浆罐和风管等。

井壁厚度应根据结构强度、施工下沉需要的重力、便于取土和清基等因素而定。设计时通常先假定井壁厚度,再进行强度验算。井壁厚度一般为0.4～1.2 m。有战时防护要求的,井壁厚度可达1.5～1.8 m。但钢筋混凝土薄壁沉井及钢模薄壁浮式沉井的壁厚不受此限制。为了承受在下沉过程中各种最不利的荷载组合(水、土压力)所产生的内力,在钢筋混凝土井壁中一般应配置两层竖向钢筋及水平钢筋,以承受弯曲应力。

井壁的外壁有多种形式,如图8.6所示。竖井井壁施工方便,周围土层能较好地约束井壁,较容易控制垂直下沉,并且能减少对周围建(构)筑物的影响;但井壁周围土的摩擦阻力较大,一般在沉井入土深度不大时或松软土层中采用。当沉井入土深度较大,而土体又较密实时,可在沉井分节处做成台阶形,台阶宽度一般为100～200 mm,也可把外壁做成锥形。在软土地区施工沉井时,若沉井自重较大或软弱地基承载力过小,沉井下沉速度可能过快,易造成偏位或超沉等情况,可将沉井外壁做成倒锥形,其斜率根据下沉条件系数验算和施工经验确定。

(a)、(b)竖直;(c)、(d)台阶形;(e)锥形;(f)倒锥形
图8.6　沉井井壁剖面类型示意

(2)刃脚

如图8.7所示,井壁最下端一般都做成刀刃状的“刃脚”,其主要作用是减少下沉阻力。刃脚还应具有一定的强度,以免下沉过程中损坏,一般采用不低于C20的钢筋混凝土制成。刃脚底的水平面称为踏面。踏面宽度b一般为10～30 cm,视所通过土质的软硬及井壁厚度而定。沉井重,土质软时,踏面要宽些;相反,沉井轻,又要穿过硬土层时,踏面要窄些,有时甚至要用角钢加固的钢刃脚。刃脚内侧的倾角α(刃脚斜面与水平面的夹角)一般应不小于45°。刃脚的高度应视井壁厚度而定,同时应考虑方便抽拔垫木和挖土。

刃脚有多种形式(图8.8),在具体施工中主要根据刃脚穿越土层的软硬程度以及刃脚单位长度上的反力大小来确定。

(3)凹槽

为了使封底混凝土和底板与井壁间有更好的连接,以传递基底反力,使沉井成为空间结构受力,常于刃脚上方的井壁上预留凹槽。此外,如施工中遇到特殊困难,还可在凹槽处浇筑钢筋混凝土盖板,改为压气沉箱施工。

如图8.7所示,凹槽底面距刃脚踏面的高度h一般在2.5 m以上,凹入深度c为0.15～0.25 m,槽高d约1.0 m,近于封底混凝土的厚度,以保证封底工作顺利进行。

(4)内隔墙和底梁

当沉井平面尺寸较大时,应在其内部设置内隔墙。内隔墙的主要作用是增加沉井在下沉过程中的刚度并减小井壁跨径,同时又把整个沉井分隔成多个施工井孔(取土井),使挖土和下沉可以较均衡地进行,也便于沉井偏斜时的纠偏。内隔墙的间距一般不大于6 m,厚度一般为0.5～1.0 m。为避免土体顶住内墙妨碍沉井下沉,内隔墙的底面一般应比井壁刃脚踏面高出0.5～1.0 m。但当穿越软土层时,为了防止沉井“突沉”,也可与井壁刃脚踏面齐平。内隔墙下部应设人孔,供施工人员于各取土井间往来之用。人孔的尺寸一般为0.8 m×1.2 m～1.1 m×1.2 m。

图8.7　刃脚及凹槽

图8.8　刃脚的形式

在某些大型的沉井中,由于使用要求,不能设置内隔墙,则可在沉井底部增设底梁,并构成框架以增加沉井在施工下沉阶段和使用阶段的整体刚度。有的沉井因高度较大,常于井壁不同高度设置若干道由纵横大梁组成的水平框架,以减少井壁的跨度,使整个沉井结构布置合理、经济。

在松软地层中下沉沉井,底梁的设置还可防止沉井“突沉”和“超沉”,便于纠偏和分格封底,以争取采用干封底。但纵横底梁不宜过多,以免增加结构造价、施工耗时,甚至增大阻力,影响下沉。

(5)取土井

取土井是沉井下沉施工过程中挖土、排土的工作场所和通道,在平面上应沿沉井的中轴线对称布置,以利于沉井均匀下沉和纠偏。

取土井孔尺寸视挖土方法而定,除应满足使用要求之外,还应保证挖土机具可在井孔中自由升降,不受阻碍。用挖土斗取土时,取土井孔的最小边长一般不小于2.5 m。

(6)封底

当沉井下沉到设计标高,经过技术检验并对坑底清理后,即可封底,以防止地下水渗入井内。封底可分湿封底(即水下浇筑混凝土)和干封底两种,若井中的水可以排干(渗水量上升速度不大于6mm/min),排水后用C15或C20普通混凝土浇筑封底;若井中是渗水量大于6 mm/min时,宜采用导管法浇筑C20水下混凝土封底。封底混凝土厚度按照承载力条件计算确定,一般其顶面应高出凹槽顶面0.5m。封底完毕,待混凝土结硬后即可在其上方浇筑钢筋混凝土底板。

(7)顶板

在沉井下沉完毕并封底后,如作基础用,则取土井可用素混凝土、片石混凝土或片石填充,此时沉井可采用素混凝土顶板。但在其他情况下,若条件允许,为节约工期和造价、减轻结构自重,可做成空心沉井或以其他松散料(粗砂或砂砾)填心,此时沉井顶部须设置钢筋混凝土顶板,顶板厚度一般为1.0～2.0 m,配筋由承载力计算和构造要求确定。排水下沉的沉井,其顶面在地面或水位以下时,应在井壁的顶部设置挡土防水墙。

8.2　沉井结构设计与计算

沉井结构在施工阶段必须具有足够的强度和刚度,以保证沉井能稳定、可靠地下沉到拟定的设计标高。待沉到设计标高,全部结构浇筑完毕并正式交付使用后,结构的传力体系、荷载和受力状态均与沉井在施工下沉阶段大不相同。因此,在沉井结构的设计与计算时,必须兼顾施工阶段和使用阶段的各项要求。

沉井结构设计主要包括如下内容:

①沉井建筑平面布置的确定。

②沉井主要尺寸的确定和下沉系数的验算。

●参考已建类似的沉井结构,初定沉井的平面尺寸、高度、井孔尺寸及井壁厚度等几个主要尺寸,并估算下沉系数,以控制沉速;

●估算沉井的抗浮系数,以控制底板的厚度等。

③施工阶段强度计算。

●井壁板的内力计算;

●刃脚的挠曲计算;

●底横梁、顶横梁的内力计算等。

④使用阶段的强度计算。

●按封闭框架(水平或垂直方向)或圆形结构来计算井壁并配筋;

●顶、底板的内力计算及配筋;

下面将针对沉井结构设计的几个主要环节分别予以介绍。

8.2.1　下沉系数计算

沉井的下沉是通过在取土井内不断挖土,使沉井自重克服井壁与周围土体间的摩擦力以及刃脚下方土体的正面阻力而实现的。因此在确定沉井主体尺寸后,需算出沉井自重,并验算沉井在施工中是否能在自重作用下,克服上述摩擦力和正面阻力顺利下沉。设计时可按“下沉系数”k1进行估算:

表8.1　沉井井壁与周围土体间的摩擦力取值范围

注:泥浆套是一种能促使沉井下沉的材料。

【例8.1】 计算某个连续沉井(两端无钢封门)下沉接近设计标高时的“下沉系数”。

【解】 (1)沉井自重计算数据见表8.2。

表8.2　沉井自重计算数据表

(2)计算下沉阻力:

设所处地层为灰色淤泥质黏土层,土壤对井壁的平均极限摩擦力为15 kN/m2,则土对井壁侧面的总摩擦力为:R f=2×28.0×7.6×15=6 380(kN)

设井壁刃脚土的极限正面阻力(底横梁下的土已掏空)为100 kN/m2,底面接触面积为:2×28.0×0.7=39.2(m2)

则总的刃脚土极限正面阻力为R N=39.2×100= 3 920(kN)

由式(8.1),不考虑地下水对沉井的浮托力,可得下沉系数

下沉系数近似等于1.0,表明该沉井的设计是比较经济的。万一在下沉过程中发生困难,可采用施工上的一些措施,如压重或多挖土,或事先用泥浆套等。

实际上沉井的下沉系数在整个下沉过程中不是常数,但应该符合相应的要求,如开始下沉时k1必大于1.0,在沉到设计标高时k1应近于1.0,一般k1应保持在1.10～1.25。在分节浇筑分节下沉时,应在下节沉井混凝土浇筑完毕而还未开始下沉时,保持k1＜1,并保证一定的安全系数。

8.2.2　沉井抗浮稳定验算

沉井下沉至设计标高后,便开始进行封底工作,铺设垫层并浇筑钢筋混凝土底板,由于内部结构和顶盖等还未施工,此时整个沉井向下荷载为最小。待到内部结构、设备安装及顶盖施工完毕,尚需较长时日,而底板下的水压力能逐渐增长到静力水头,会对沉井发生最大的浮力作用。因此,需要进行沉井的抗浮稳定性验算,一般可用抗浮系数k2表示,其计算公式如下:

抗浮稳定系数的大小可由底板的厚度来调整,不宜过大,以免造成浪费。此外,一般要求沉井使用期间的抗浮安全系数不小于1.20。

8.2.3　沉井刃脚验算

井壁刃脚部分在下沉过程中经常切入土内,形成悬臂作用,因此必须验算刃脚部分向外和向内挠曲的悬臂状态受力情况,计算刃脚内外侧竖向钢筋数量。具体计算时可认为刃脚根部与井壁嵌固,以刃脚高度作为悬臂的长度。

(1)刃脚向外挠曲(配置内侧竖向钢筋)

在沉井下沉途中(刃脚内侧切入土中深度约为1 m),刃脚下土壤的正面阻力和井孔内土体的横向压力有将刃脚向外推出的作用,使刃脚根部水平断面上产生最大的向外弯矩。如图8.9所示,可沿井壁水平方向取1.0 m宽的截条作为计算单元。计算步骤如下:

图8.9　刃脚向外挠曲计算简图

①刃脚单位宽度的自重g:

t——井壁厚度,m,如图8.9(b)所示;

a——刃脚踏面宽度,m,如图8.9(b)所示。

刃脚上土压力E(主动土压力)可按朗肯理论计算:

在计算刃脚向外挠曲时,作用在刃脚外侧的计算土压力和水压力的总和应不超过静水压力的70%,否则就按70%的静水压力计算。

②作用在刃脚外壁单位宽度上的摩擦力T′,按式(8.6)和式(8.7)计算,并取二者中的较小值

③如图8.9所示,刃脚下土体的反力R V可以分解为踏面下土反力V1和刃脚斜面上的土反力R,假定R作用方向与刃脚斜面法线成β角(即摩擦角,按β= 10°～20°估用,有时也可取到30°),并将R分解成竖直力V2和水平力U(均假定为三角形分布)。

根据实际设计经验可知,在刃脚向外挠曲时,起主要因素作用的是刃脚下土壤的正面阻力, 即V1、V2和U的大小,而土压力E、侧面摩擦力T′和刃脚自重g三者在计算中所占的比重很小,实际上可忽略不计,其结果则稍偏安全。

由上述假定并参照图8.9可得:

其余符号意义同前。

联立式(8.8)和式(8.9)可求得V1和V2,将所求V2代入式(8.10)即可求得U的大小。由前述关于这三个力分布的假定(V1均布,V2和U三角形分布)可知,V1和V2的作用点距刃脚外壁的距离分别为和,U的作用点在距刃脚踏面刃脚高度处。

④按以上所求得作用在刃脚上的各个外力的大小、方向和作用点后,即可求对刃脚根部m- n截面上的轴向力N、剪力Q以及对截面中心O点的力矩M。然后根据M、Q、N的大小计算刃脚内侧的竖直钢筋。钢筋面积不得小于根部总截面的0.1%～0.15%,并伸入刃脚根部以上足够的锚固长度。

【例8.2】 设某矩形沉井封底前自重27 786 kN,井壁周长为2×(20+ 32)m= 104 m。井高8.15 m,一次下沉,试求沉井刚开始下沉时刃脚向外挠曲所需的竖直钢筋的数量(踏面宽a= 35 cm,b=45 cm,刃脚高80 cm)。

【解】 求单位周长上沉井自重:

根据式(8.8)及式(8.9)可得

求作用在斜面上的水平反力:

对截面m—n中点O点的弯矩M为

由于弯矩甚小,仅需按构造配筋即可,选用20@ 200′。

(2)刃脚向内挠曲(配置外侧竖向钢筋)

当沉井下沉至设计标高,刃脚下的土常被掏空或部分掏空,井壁传递的自重全部由壁外土体摩擦力承担,此时井壁外侧作用最大的水、土压力,使刃脚产生最大的向内挠曲(图8.10)。一般就按此情况确定刃脚外侧竖向钢筋,计算步骤与本节前文情况(1)类似。

需要特殊说明的要点如下:

①刃脚自重g和刃脚外侧摩擦力T′对于m—n截面的弯矩值所占比重都很小,可忽略不计。这样,刃脚向内挠曲计算中,起决定性作用的是刃脚外侧的水土压力W及E。土压力计算同前文(1),水压力W可按下列情况计算:

图8.10　刃脚向内挠曲计算简图

a.不排水下沉时,井壁外侧水压力值按100%计算,内侧水压力值一般按50%计算,但也可按施工中可能出现的水头差计算;

b.排水下沉时,在不透水的土中,可按静水压力的70%计算,在透水土中,可按静水压力的100%计算。

②由于刃脚下方的土已被掏空,故垂直反力R V和水平反力U均为零。

③计算出所有外力后,即可求得刃脚根部m—n截面处的弯矩M和剪力Q、轴力N,并据此计算在刃脚外侧需布设的竖向钢筋数量。

8.2.4　沉井底节验算

沉井底节即为沉井的第一节,也就是具有刃脚的井节。自抽除下方垫木开始,刃脚下的支承位置就在不断发生变化,直至沉井沉设完毕。

(1)排水或无水情况下下沉沉井的底节验算

在排水或无水情况下下沉沉井,由于可以直接看到挖土的情况,沉井的支撑点比较容易控制在使井体受力最为有利的位置上。对于圆端形或矩形沉井,当其长边大于1.5倍短边时,支承点可设在长边上,两点间的间距等于0.7倍长边(图8.11中的1点),以使支承处产生的弯矩与长边中点处产生的弯矩大致相等,并按照此条件验算沉井自重所引起的井壁顶部混凝土的拉应力。若混凝土的拉应力超过容许值,可加大底节沉井的高度或按需要增设钢筋。

(2)不排水下沉的沉井底节验算

对于不排水下沉的沉井,由于无法直接看到挖土的情况,刃脚下土的支承位置很难控制,可将底节沉井视作梁并按下列假定的不利支承情况进行验算:

①假定底节沉井仅支承于长边的中点(图8.12中的2点),两端悬空验算由于沉井自重在长边中点附近最小竖截面上产生的井壁顶部混凝土拉应力。

②假定底节沉井支承于短边的两端(图8.12中的3点),验算由于沉井自重在短边处引起的刃脚底面混凝土拉应力。

图8.11　支承在“1点”上的沉井 　

图8.12　支承在“2点”或“3点”上的沉井

(3)沉井底节的配筋要求

沉井底节的最小配筋率,钢筋混凝土不宜少于0.1%,少筋混凝土不宜少于0.05%。沉井底节的水平构造钢筋不宜在井壁转角处有接头。由于沉井下沉过程中井孔内的土体未被挖出,增加了沉井的下沉阻力,使井壁产生拉应力,为防止转角处拉力过大,应严格按照相关要求布置钢筋。

8.2.5　沉井井壁计算

混凝土厚壁沉井由于井壁厚度较大,除刃脚外,可不进行井壁受力验算;混凝土薄壁沉井应根据实际可能发生的情况进行井壁的验算。

沉井井壁计算包括竖直和水平两个方向的内力计算。

(1)竖直方向内力计算

在沉井下沉过程中,当井壁被四周土体钳固而刃脚下方土体已被掏空时应验算井壁接缝处的竖向拉应力。验算时假定接缝处的拉应力不是由混凝土而是由钢筋承受,此时钢筋的抗拉安全系数可取1.25,同时需要验算钢筋的锚固长度。

从井壁受竖向拉应力的最不利条件考虑,井壁摩擦阻力可假定沿沉井全高按倒三角形分布,即在刃脚底面处为零,在地面处为最大(图8.13)。此时最危险截面在沉井入土深度的1/2 处,按《公路桥涵地基与基础设计规范》等的规定,此处井壁所承受的竖向拉应力p1,max为此时沉井自重G的1/4。

图8.13　沉井直立时的井壁摩擦阻力分布

在实际工程中,沉井被卡住的情况较为常见,也出现过被拉裂的情况,这与各土层的具体情况和施工方法等多种因素有关,并且被卡住沉井的外力分布也不可能如前文所假定的那么理想。因此,建议沉井井壁的竖向拉力按照沉井结构及其影响范围内的建筑物安全等级参考表8.3取值并进行验算,同时应满足最小配筋率要求。

(2)水平方向内力计算

根据排水或不排水的情况,沉井井壁在水压力和土压力等水平荷载作用下,须按沉井下沉至设计标高、刃脚下方土体被掏空、井壁受最大水平外力的最不利情况,将井壁视作水平框架验算其水平方向的挠曲。

表8.3　沉井井壁的竖向拉力及其最小纵向配筋率取值表

①验算刃脚根部以上高度等于该处井壁厚度t的一段井壁,依此设置该段的水平钢筋。因这段井壁是刃脚悬臂梁的固定端,施工阶段作用于该段的水平荷载,除本身所受的水平荷载外,还承受由刃脚悬臂传来的水平剪力Q′(图8.14)。作用在该段井壁上的荷载q为:

式中　q——作用在所截取井壁段(框架)上的荷载,kN/m;

　　　W——作用在所截取井壁段上的水压力,kN/m;

　　　w′——作用在A截面处水的压强, kPa;

　　　w″=λh″γw——作用在B截面处水的压强, kPa;

　　　t——井壁厚度,m;

　　　h′,h″——分别为验算截面A和B距水头的距离,m;

　　　γw——水的重度,kN/m3;

λ——折减系数,若排水下沉,则作用在井内壁的水压力为零。作用在外壁的水压力按土的性质确定,砂性土取λ= 1.0,黏性土取λ= 0.7,如不排水下沉,则井外壁水压力取λ= 1.0,而井内壁水压力根据施工期间的水位差按最不利情况进行计算,一般可取λ= 0.5;

　　E——作用在所截取井壁段上的土压力,kN/m;

　　e′——作用在A截面处土的压强, kPa;

　　e″——作用在B截面处土的压强,kPa;

　　Q′——由刃脚传来的剪力,kN/m,其值等于计算刃脚竖直外力时分配于悬臂梁上的水平力。

图8.14　刃脚根部以上等井壁厚一段井壁的荷载分布

水压力W的作用点距离刃脚根部,土压力E的作用点距离刃脚根部。

根据式(8.11)计算出来的q值,即可按框架分析计算刃脚根部以上t高度范围内的最大弯矩M、轴向压力N、剪力Q,并据此设计井壁中的水平钢筋。

②其余各段井壁的计算,可按井壁断面的变化,将井壁分成数段,取每一段中控制设计的井壁(位于每一段最下端的单位高度)进行计算。作用在框架上的荷载q=W+ E,然后用同样的计算方法求得水平框架的最大弯矩M、轴向压力N、剪力Q,并据此设计水平钢筋,将水平钢筋布设于全段上。

采用泥浆套下沉的沉井,应将沉井外侧泥浆压力按100%计算,因为泥浆压力一定要大于水压力与土压力的总和,才能保证泥浆套不被破坏。

采用空气幕下沉的沉井,由于压气时气压对井壁的作用不明显,可以略去不计,其井壁内力验算与普通沉井的计算方式相同。

8.2.6　沉井封底计算

沉井下沉至设计标高后,应进行基底检验和沉降观测,满足设计要求后即可进行封底作业。由于封底混凝土的反力分布非常复杂,为了简化计算,一般将其视为支承于刃脚斜面及内隔墙上的周边支承板,至于各边的支承情况(简支或嵌固)和计算强度应在设计中视具体情况而定。

(1)沉井封底混凝土计算注意事项

①在施工抽水时,封底混凝土应承受基底水、土的向上反力,此时因混凝土龄期不足,计算时应降低其容许应力。

②沉井井孔用混凝土填充时,封底混凝土应承受基础设计的最大基底反力,并将井孔内填充物的重力计入。

③封底混凝土的厚度,一般建议不宜小于1.5倍的井孔直径(圆形沉井时)或短边边长(矩形沉井时)。

(2)干封底及相关计算

①沉井下沉至设计标高时,若刃脚处于不透水黏土层中,并且不透水黏土层厚度满足式(8.15)时,可以采用干封底。

若不透水黏土层厚度不满足式(8.15),则其可能会被下层含水砂层中的地下水压力“顶破”,从而无法采用干封底方式。

②若井底虽有涌水、翻砂,但数量不大;或在沉井内设吸水鼓并有良好滤层的情况下进行降水,一直降到钢筋混凝土底板能够承受地下水位回升后的水土压力时,方可拆除并封闭降水管。在上述情况下,也可采用干封底。

(3)水下封底混凝土计算

当水文地质条件极为不利时,需采用水下混凝土封底,又称湿封底。如位于江中、江边的沉井工程,在下沉过程中常需采取不排水下沉;在地层极不稳定时,为防止流沙、涌泥、突沉、超沉以及倾侧歪斜,也需要采用灌水下沉;还有如本节前文所述,有时即使沉井刃脚停在不透水黏土层上,但黏土层厚度不足以抵抗地下水的“顶破”(涌水)作用,即由底层含水砂层中的地下水压力所引起的破坏,以致产生沉井施工中非常严重的事故,也应采用水下封底的办法。

图8.15　水下封底混凝土抗剪计算示意图

至于水下封底混凝土的厚度,主要根据抗浮和强度这两个条件确定:

①按抗浮条件计算:沉井封底抽水后,在底面最大水浮力的作用下,沉井结构是否会上浮,应用抗浮系数来衡量井的稳定性,并进行最小封底混凝土厚度计算,此时井内水已抽干,井内水重不能再计入,且要保证足够的抗浮系数。

②按封底素混凝土的强度条件计算:封底后,将井内水抽干,在尚未做钢筋混凝土底板之前,封底混凝土将受到可能产生的最大水压作用,其向上荷载值即为地下水头高度(浮力)与封底混凝土重量的差值。封底混凝土作为一块素混凝土板,除需验算承受水浮力产生的弯曲应力外,还应验算沿刃脚斜面高度截面上产生的剪应力(图8.15)。

8.2.7　沉井底板计算

由于封底混凝土产生裂缝,加之其长期处于高水头作用下,会造成渗(漏)水。因此,无论采用哪种封底形式(“干封底”或“湿封底”),作用在沉井结构底板上的荷载均为:

q= p- g　　　　　　(8.16)

式中　p——底板下的最大静水压力,kN,水头高度应从沉井外最高地下水位面算至底板下面;

　　　g——底板自重,kN。

钢筋混凝土底板的内力可按单跨或多跨板计算。底板的边界支撑条件应根据井壁与底梁的预留凹槽和水平插筋的具体情况而定:在底板周边具有牢固连接的情况下,可视为嵌固支撑;否则可视为简支。

8.3　沉井制作与施工

8.3.1　沉井制作与下沉方案

沉井各节井墙的竖向中轴线,应与前一节井墙中轴线重合或平行。为满足稳定性的要求,每节井墙的高度不应大于井宽,但同时也不能过小,要保证有足够的质量使其顺利下沉。沉井的制作与下沉方案主要有三种:一节制作、一次下沉;分节制作、多次下沉;分节制作、一次下沉。具体施工时应采用何种方案须根据工程实际情况而定。

(1)一节制作、一次下沉

一般中、小型沉井,在沉井高度不大时,可采用一节制作、一次下沉到位的方案。该方案工期短、施工简单方便。

(2)分节制作、多次下沉

将井墙沿高度方向方程若干段,每段称为一节。第一节高度一般6～10 m,在地面上浇筑,待达到设计强度后,进行下沉施工作业。在第一节井墙下沉至其顶面露出地面尚余1～2 m时,停止下沉;浇筑第二节混凝土井墙,待其达到设计强度后,接至第一节井墙上方,方可继续挖土下沉;依此类推循环作业,直至所有井节接高沉设完毕。

该方案的优点是:沉井分段高度小,质量较轻,对地基要求不高,施工操作方便。其缺点是:工序多、工期长、宜产生倾斜和突然下沉等事故。

(3)分节制作、一次下沉

分节制作井墙,全高浇筑完毕,待各节均达到设计强度后,在沉井位置连续不断挖土下沉至设计标高。

该方案的优点是:可减少脚手架、模板、下沉设备的拆除和安装次数,便于滑动模板施工,消除多工种交叉作业,有利于缩短工期。其缺点是:沉井自重大,对地基承载力要求高,需要大型起重设备、高空作业多,安全要求高。

8.3.2　连续沉井施工

平面长度较大的沉井,分成数段分别下沉,或多个独立沉井相互靠紧,将其连接起来可形成一条通道或连续基础的施工工程,称为连续沉井施工。

为保持土压力的均衡对称,连续沉井施工一般采取间隔下沉为好。图8.16所示为一排独立连续沉井,施工时应先下沉两边的沉井,然后再下沉中间的沉井。如此施工的优点是:

①沉井所承受的荷载对称,下沉过程中倾斜的可能性小,且便于纠偏。

②间隔下沉施工场地间隙大,便于机械化施工。

③沉井水平位移较小,结构计算方便。

图8.16　连续沉井下沉次序

本章小结

(1)沉井通常是用钢筋混凝土材料制成的井筒装结构物。不同断面形状(如圆形、矩形、多边形等)的井筒,按边排土边下沉的方式使其沉入地下,即为沉井。沉井施工法是深基础施工中采用的主要施工方法之一。

(2)沉井一般由井壁、顶板、封底、内隔墙、取土井、凹槽和刃脚等部分组成。

(3)沉井结构的设计与计算必须兼顾施工阶段和使用阶段的各项要求,沉井结构设计主要包括沉井建筑平面布置的确定、沉井主要尺寸的确定和下沉系数的验算、施工阶段强度计算、使用阶段的强度计算等方面的内容。

(4)沉井的制作与下沉方案主要有三种:一节制作、一次下沉;分节制作、多次下沉;分节制作、一次下沉。

思考题

8.1　简述沉井结构的特点及适用范围。

8.2　沉井结构由哪几部分组成?各有什么构造要求?

8.3　沉井下沉施工中引起土体移动的因素有哪些?如何防止?

8.4　如何计算作用于沉井井壁上的土压力?

8.5　简述沉井结构设计的一般要求及施工步骤。

8.6　某矩形沉井封底前自重2 600 t,沉井的长为25 m,宽为20 m,高为11 m,一次下沉。假定踏面宽a= 25 cm,b=35 cm,刃脚高为65 cm,试求沉井刚开始下沉时刃脚所需配置的钢筋数量。