凸字形沉井的结构设计
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摘要：沉井是软土地基中深基础施工方法之一，系在地面制作、井内取土下沉至预定标高的构筑物。本文对凸字形沉井的结构设计进行了分析，用矩形沉井二次浇注凸字形隔墙和凸字形高低刃脚沉井两种方案对泵房进行设计，介绍两方法的设计要点和施工优缺点。
关键词：沉井，凸字形，泵房，刃脚
中图分类号：U443.13+1文献标识码： A 文章编号：
一、凸字形泵房结构特点及沉井方案比选
1、工程概况
本文的实例为慈溪市市域污水治理一期（乡镇）污水支干管泵站工程观海卫泵站。泵房平面为“凸”字形，大头部分为泵房，深13.8m，格栅间深10.8m，平面尺寸为17.2m×9.5m。泵房的平面及剖面如图1-1、图1-2所示。
图1-1平面图图1-2剖面图
该泵房结构安全等级为Ⅱ级；设计使用年限为50年；采用天然地基，场地土为类别为IV类。
2、凸字形沉井设计方案对比
对该泵站沉井设计方案进行比选时，主要考虑了两种方案，即矩形沉井二次浇注凸字形隔墙和凸字形高低刃脚沉井，下述简称矩形沉井和凸字形沉井。
a、矩形沉井：做一能包含栅间及泵房的矩形沉井，在矩形沉井施工完毕后，二次浇注凸字形隔墙，并从同一标高的封底上回填材料，达到工艺要求设计标高。
b、凸字形沉井：做一凸字形高低刃脚沉井，顾名思义就是沉井刃脚布置成凸字形，且刃脚底高程不同。
（1） 矩形沉井方案优缺点
矩形沉井是设计中处理这种泵房的常见方法。
其优点是：埋置深度可以很深，整体性强、稳定性好，能承受较大的垂直荷载和水平荷载；矩形沉井既是基础，又是施工时的挡土水结构物，下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁，简化了施工；沉井施工时对邻近建筑物影响较小。
其缺点是：施工周期较长，施工技术要求高，易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。
矩形沉井的平面及剖面如图1-3、图1-4所示。
图1-3 平面图图1-4剖面图
（2） 凸字形沉井方案优缺点
凸字形沉井是设计中处理这种泵房新形的方法。
其优点是：造价相对较低；沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水结构物，下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁，简化了施工；沉井施工时对邻近建筑物影响较小。
缺点：凸字形高低刃脚沉井即将沉井设计成非圆、非矩、非方的平面形状, 形成平面为凸字形的结构形式; 高低刃脚沉井是指同一沉井的刃脚高度不在同一水平面上, 而是有一定的高差。这类沉井较规则沉井的制作难度大, 且因自重分布不均匀、不对称而易导致井体在下沉阶段发生偏斜, 给下沉控制提出了更高的要求, 纠偏难度亦高于普通的规则沉井。
凸字形高低刃脚沉井方案的平面及剖面如图1-5、图1-6所示。
图1-5平面图图1-6剖面图
（3） 结构方案技术、经济比较
矩形沉井与凸字形沉井的技术经济比较
表1-1 技术经济比较表
（4） 结构方案比选结论
针对该泵房的特点，我们在设计中采用了矩形沉井方案，优点是完全满足工艺要求，施工容易，适应复杂的地质情况，稳定性好。其缺点是浪费建筑材料，增加造价。没有采用凸字形沉井的主要原因是地质情况较为复杂，总体看土层分布不均匀, 土层分界线起伏变化大。如土层分布均匀稳定, 土层分界线近似水平, 地质情况良好的情况下，且施工单位经验丰富，凸字形沉井是值得推荐的方案。
二、凸字形泵房的沉井结构设计
1、矩形沉井结构设计方法
矩形沉井是规则沉井，上下开口而四面封闭，采用钢筋混凝土结构。
（1） 矩形沉井的设计
沉井内在下沉阶段不设隔墙，其设计主要进行以下两个方面：一是下沉验算；二是结构计算。
1） 一般构造
井壁下端作成刀刃状，称为刃脚。刃脚踏面宽度一般为150～300 mm，刃脚斜面与水平面的夹角一般为45°～ 60°。
井壁用钢筋混凝土浇制而成，混凝土强度等级为C20 以上，最小配筋率为0.15%，构造钢筋的直径不小于8 mm；在井壁内侧下端设有凹槽，和后浇底板连接。在软土中下沉沉井，如发生下沉不止的现象，可在井壁的顶端设置一止沉圈梁。当沉井沉至预定标高时，用干作业或水中作业浇灌混凝土封底，其上在井壁凹槽高度浇筑钢筋混凝土底板。
2） 下沉系数计算
下沉系数按下式计算：
K0 =（G-B）/ Rf>(1.05～1.25)（2-1）3) 井壁受力计算
假设全部荷载均由水平方向的闭合框架承受，外部荷载是井壁在该深度的水平土压力Ei与水压力Wi之和，见图1-7。 井壁水平应力计算：单孔矩形框架,见图1-8，弯矩外侧受拉为负，内侧受拉为正。计算公式如下：
图1-7图1-8
MAi=（-qiL2/12）×［（1+α2β）/（1+β）］ （2-2）
MBi =0.125qiL2+ MAi （2-3）
MCi =0.125qib2+ MAi （2-4）
式中：MAi、MBi、MCi-i深度处，A、B、C 截面的弯矩设计值，kN.m；qi-i深度处井壁所受水平荷载，kN/m；
井壁竖向拉力计算:Smax =0.25G（2-5）
式中：Smax-井壁的最大拉力，在沉井入土的一半处；G-沉井的自重。
4) 沉井封底厚度计算
对于小形沉井，一般可取0.6～1.2m。钢筋混凝土底板与井壁的连接，宜按铰支承考虑，计算可参阅有关设计手册[1]。
2、凸字形沉井结构设计方法
凸字形沉井是不规则沉井，上下开口而凸字形封闭，采用钢筋混凝土结构。
（1）凸字形沉井的设计
凸字形沉井，其设计方法及一般构造同矩形沉井基本一致。差异性是矩形沉井建立矩形闭合框架计算模形，而凸字形沉井需建立凸字形闭合框架计算模形。
（2）凸字形沉井区别于矩形沉井的设计要点
根据凸字形沉井的特点,采用两次制作、两次下沉施工方案。沉井高低刃接处以斜刃脚过渡, 由于第一节沉井的质量分布不均, 采用传统有垫木支承制作。设计时, 除验算整体下沉系数外还验算局部下沉系数。此外, 由于沉井深度不同, 因此除验算整体抗浮外, 还要验算局部抗浮。为增加沉井的整体性,于沉井水平角部加设腋角, 在沉井壁板顶、底部均配置了相当数量的纵向通长加强钢筋。
三、凸字形沉井施工措施
1、沉井施工要点
沉井施工主要包括：沉井制作，沉井降水，沉井下沉，沉井封底四个步骤。
2、凸字形沉井施工中的具体措施
（1）凸字形沉井的一般施工措施
凸字形沉井的一般施工措施同普通沉井一致。
（2）凸字形沉井区别于普通沉井的施工措施要点
下沉前,应对沉井的形心、重心加以计算, 并根据计算结果绘制开挖分区图, 以便指导初沉期的开挖。下沉初期, 异形高低刃脚沉井的重心位置难以控制, 极易在起沉时造成偏差, 为此需进行连续的测量, 使沉井平稳下沉至设计标高处, 保证施工质量满足设计及规范要求。在沉井下沉的初期、中期、终期, 数据监测为指导纠偏、调整开挖起到了重要的作用。初沉期间主要对砂垫层和持力土层进行开挖, 但刃脚的不等高以及局部开挖作业面较小增加了均匀开挖的难度。此时沉井没有井壁外土摩擦阻力作用, 井体易发生较大倾斜和滑移。具体测量方法是:在下沉前做好引测工作, 在进行下沉测量时, 若发现测控点高程偏差>10 cm 则应及时进行轴线的偏位测量。对每次的测量结果进行及时计算并用于指导纠偏, 使纠偏工作做到有的放矢。
随着沉井下沉深度的加大则由泵房区与格栅间区井壁入土深度不等所引起的井壁外摩阻力分布不均作用逐渐显现出来, 为此将格栅间区挖土较泵房区挖土深约50cm逐渐过渡到挖土面基本一致。在此期间,随时估算井体重心与井壁外摩擦阻力合力点的偏差值, 以确定各区的开挖量。异形沉井下沉时, 因刃脚高度不等而使得各边刃脚不能同时在同一性质的土层上, 也易产生偏斜。为此须根据井下土层变化情况及时调整挖土位置和挖土量, 使开挖遵循先硬后软的顺序进行。
结论
随着施工措施、技术的不断发展, 沉井技术也日益成熟, 不同类形的异形沉井必将会更多地出现。本文中的凸字形沉井的下沉控制是一项比较复杂的施工技术,不可预见因素很多。尽管当前关于凸字形沉井设计施工的资料较少, 现有规范、规程对此亦少有规定, 但在近年来的工程实践中已有相当数量凸字形沉井施工的成功经验, 若地质条件较好, 施工单位又有较丰富的沉井施工经验, 能根据不同下沉深度的地质变化及时调整开挖量, 则设计采用凸字形高低脚异形沉井结构是完全可行的, 无疑也是经济的。
参考文献
[1] 刘雨生等.给排水工程结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007