摘要：沉井是軟土地基中深基礎(chǔ)施工方法之一，系在地面制作、井內(nèi)取土下沉至預(yù)定標(biāo)高的構(gòu)筑物。本文對(duì)凸字形沉井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，用矩形沉井二次澆注凸字形隔墻和凸字形高低刃腳沉井兩種方案對(duì)泵房進(jìn)行設(shè)計(jì)，介紹兩方法的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和施工優(yōu)缺點(diǎn)。
一、凸字形泵房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及沉井方案比選
1、工程概況
本文的實(shí)例為慈溪市市域污水治理一期（鄉(xiāng)鎮(zhèn)）污水支干管泵站工程觀海衛(wèi)泵站。泵房平面為“凸”字形，大頭部分為泵房，深13.8m，格柵間深10.8m，平面尺寸為17.2m×9.5m。
該泵房結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)；設(shè)計(jì)使用年限為50年；采用天然地基，場(chǎng)地土為類別為IV類。
2、凸字形沉井設(shè)計(jì)方案對(duì)比
對(duì)該泵站沉井設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選時(shí)，主要考慮了兩種方案，即矩形沉井二次澆注凸字形隔墻和凸字形高低刃腳沉井，下述簡稱矩形沉井和凸字形沉井。
a、矩形沉井：做一能包含柵間及泵房的矩形沉井，在矩形沉井施工完畢后，二次澆注凸字形隔墻，并從同一標(biāo)高的封底上回填材料，達(dá)到工藝要求設(shè)計(jì)標(biāo)高。
b、凸字形沉井：做一凸字形高低刃腳沉井，顧名思義就是沉井刃腳布置成凸字形，且刃腳底高程不同。
?。?） 矩形沉井方案優(yōu)缺點(diǎn)
矩形沉井是設(shè)計(jì)中處理這種泵房的常見方法。
其優(yōu)點(diǎn)是：埋置深度可以很深，整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，能承受較大的垂直荷載和水平荷載；矩形沉井既是基礎(chǔ)，又是施工時(shí)的擋土水結(jié)構(gòu)物，下沉過程中無需設(shè)置坑壁支撐或板樁圍壁，簡化了施工；沉井施工時(shí)對(duì)鄰近建筑物影響較小。
其缺點(diǎn)是：施工周期較長，施工技術(shù)要求高，易發(fā)生流砂造成沉井傾斜或下沉困難等。
（2） 凸字形沉井方案優(yōu)缺點(diǎn)
凸字形沉井是設(shè)計(jì)中處理這種泵房新形的方法。
其優(yōu)點(diǎn)是：造價(jià)相對(duì)較低；沉井既是基礎(chǔ)，又是施工時(shí)的擋土和擋水結(jié)構(gòu)物，下沉過程中無需設(shè)置坑壁支撐或板樁圍壁，簡化了施工；沉井施工時(shí)對(duì)鄰近建筑物影響較小。
缺點(diǎn)：凸字形高低刃腳沉井即將沉井設(shè)計(jì)成非圓、非矩、非方的平面形狀，形成平面為凸字形的結(jié)構(gòu)形式；高低刃腳沉井是指同一沉井的刃腳高度不在同一水平面上，而是有一定的高差。這類沉井較規(guī)則沉井的制作難度大，且因自重分布不均勻、不對(duì)稱而易導(dǎo)致井體在下沉階段發(fā)生偏斜，給下沉控制提出了更高的要求，糾偏難度亦高于普通的規(guī)則沉井。
（3） 結(jié)構(gòu)方案技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較
矩形沉井與凸字形沉井的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
?。?） 結(jié)構(gòu)方案比選結(jié)論
針對(duì)該泵房的特點(diǎn)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了矩形沉井方案，優(yōu)點(diǎn)是完全滿足工藝要求，施工容易，適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)情況，穩(wěn)定性好。其缺點(diǎn)是浪費(fèi)建筑材料，增加造價(jià)。沒有采用凸字形沉井的主要原因是地質(zhì)情況較為復(fù)雜，總體看土層分布不均勻，土層分界線起伏變化大。如土層分布均勻穩(wěn)定，土層分界線近似水平，地質(zhì)情況良好的情況下，且施工單位經(jīng)驗(yàn)豐富，凸字形沉井是值得推薦的方案。
二、凸字形泵房的沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、矩形沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
矩形沉井是規(guī)則沉井，上下開口而四面封閉，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
?。?）矩形沉井的設(shè)計(jì)
沉井內(nèi)在下沉階段不設(shè)隔墻，其設(shè)計(jì)主要進(jìn)行以下兩個(gè)方面：一是下沉驗(yàn)算；二是結(jié)構(gòu)計(jì)算。
1）一般構(gòu)造
井壁下端作成刀刃狀，稱為刃腳。刃腳踏面寬度一般為150～300mm，刃腳斜面與水平面的夾角一般為45°～60°。
井壁用鋼筋混凝土澆制而成，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20以上，最小配筋率為0.15%，構(gòu)造鋼筋的直徑不小于8mm；在井壁內(nèi)側(cè)下端設(shè)有凹槽，和后澆底板連接。在軟土中下沉沉井，如發(fā)生下沉不止的現(xiàn)象，可在井壁的頂端設(shè)置一止沉圈梁。當(dāng)沉井沉至預(yù)定標(biāo)高時(shí)，用干作業(yè)或水中作業(yè)澆灌混凝土封底，其上在井壁凹槽高度澆筑鋼筋混凝土底板。
2）下沉系數(shù)計(jì)算
下沉系數(shù)按下式計(jì)算：
K0=（G-B）/Rf>(1.05～1.25)（2-1）3)井壁受力計(jì)算
假設(shè)全部荷載均由水平方向的閉合框架承受，外部荷載是井壁在該深度的水平土壓力Ei與水壓力Wi之和，見圖1-7。井壁水平應(yīng)力計(jì)算：單孔矩形框架，見圖1-8，彎矩外側(cè)受拉為負(fù)，內(nèi)側(cè)受拉為正。計(jì)算公式如下：
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深度處，A、B、C截面的彎矩設(shè)計(jì)值，kN.m；qi-i深度處井壁所受水平荷載，kN/m；
井壁豎向拉力計(jì)算：Smax=0.25G（2-5）
式中：Smax-井壁的最大拉力，在沉井入土的一半處；G-沉井的自重。
4)沉井封底厚度計(jì)算
對(duì)于小形沉井，一般可取0.6～1.2m。鋼筋混凝土底板與井壁的連接，宜按鉸支承考慮，計(jì)算可參閱有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)[1]。
2、凸字形沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
凸字形沉井是不規(guī)則沉井，上下開口而凸字形封閉，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
（1）凸字形沉井的設(shè)計(jì)
凸字形沉井，其設(shè)計(jì)方法及一般構(gòu)造同矩形沉井基本一致。差異性是矩形沉井建立矩形閉合框架計(jì)算模形，而凸字形沉井需建立凸字形閉合框架計(jì)算模形。
?。?）凸字形沉井區(qū)別于矩形沉井的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
根據(jù)凸字形沉井的特點(diǎn)，采用兩次制作、兩次下沉施工方案。沉井高低刃腳交接處以斜刃腳過渡，由于第一節(jié)沉井的質(zhì)量分布不均，采用傳統(tǒng)有墊木支承制作。設(shè)計(jì)時(shí)，除驗(yàn)算整體下沉系數(shù)外還驗(yàn)算局部下沉系數(shù)。此外，由于沉井深度不同，因此除驗(yàn)算整體抗浮外，還要驗(yàn)算局部抗浮。為增加沉井的整體性，于沉井水平角部加設(shè)腋角，在沉井壁板頂、底部均配置了相當(dāng)數(shù)量的縱向通長加強(qiáng)鋼筋。
三、凸字形沉井施工措施
1、沉井施工要點(diǎn)
沉井施工主要包括：沉井制作，沉井降水，沉井下沉，沉井封底四個(gè)步驟。
2、凸字形沉井施工中的具體措施
（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。
?。?）凸字形沉井區(qū)別于普通沉井的施工措施要點(diǎn)
下沉前，應(yīng)對(duì)沉井的形心、重心加以計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制開挖分區(qū)圖，以便指導(dǎo)初沉期的開挖。下沉初期，異形高低刃腳沉井的重心位置難以控制，極易在起沉?xí)r造成偏差，為此需進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量，使沉井平穩(wěn)下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高處，保證施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。在沉井下沉的初期、中期、終期，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)為指導(dǎo)糾偏、調(diào)整開挖起到了重要的作用。初沉期間主要對(duì)砂墊層和持力土層進(jìn)行開挖，但刃腳的不等高以及局部開挖作業(yè)面較小增加了均勻開挖的難度。此時(shí)沉井沒有井壁外土摩擦阻力作用，井體易發(fā)生較大傾斜和滑移。具體測(cè)量方法是：在下沉前做好引測(cè)工作，在進(jìn)行下沉測(cè)量時(shí)，若發(fā)現(xiàn)測(cè)控點(diǎn)高程偏差>10cm則應(yīng)及時(shí)進(jìn)行軸線的偏位測(cè)量。對(duì)每次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行及時(shí)計(jì)算并用于指導(dǎo)糾偏，使糾偏工作做到有的放矢。
隨著沉井下沉深度的加大則由泵房區(qū)與格柵間區(qū)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漸顯現(xiàn)出來，為此將格柵間區(qū)挖土較泵房區(qū)挖土深約50cm逐漸過渡到挖土面基本一致。在此期間，隨時(shí)估算井體重心與井壁外摩擦阻力合力點(diǎn)的偏差值，以確定各區(qū)的開挖量。異形沉井下沉?xí)r，因刃腳高度不等而使得各邊刃腳不能同時(shí)在同一性質(zhì)的土層上，也易產(chǎn)生偏斜。為此須根據(jù)井下土層變化情況及時(shí)調(diào)整挖土位置和挖土量，使開挖遵循先硬后軟的順序進(jìn)行。
結(jié)論
隨著施工措施、技術(shù)的不斷發(fā)展，沉井技術(shù)也日益成熟，不同類形的異形沉井必將會(huì)更多地出現(xiàn)。本文中的凸字形沉井的下沉控制是一項(xiàng)比較復(fù)雜的施工技術(shù)，不可預(yù)見因素很多。盡管當(dāng)前關(guān)于凸字形沉井設(shè)計(jì)施工的資料較少，現(xiàn)有規(guī)范、規(guī)程對(duì)此亦少有規(guī)定，但在近年來的工程實(shí)踐中已有相當(dāng)數(shù)量凸字形沉井施工的成功經(jīng)驗(yàn)，若地質(zhì)條件較好，施工單位又有較豐富的沉井施工經(jīng)驗(yàn)，能根據(jù)不同下沉深度的地質(zhì)變化及時(shí)調(diào)整開挖量，則設(shè)計(jì)采用凸字形高低腳異形沉井結(jié)構(gòu)是完全可行的，無疑也是經(jīng)濟(jì)的。
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