摘要：通過沉井施工的實(shí)踐監(jiān)測(cè)結(jié)果和相關(guān)的理論分析，探討沉井下沉過程引起的井周土體沉降變形和失穩(wěn)的特征及對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍，提出較成功的幾點(diǎn)處理措施。
近年來，采用沉井結(jié)構(gòu)和施工工藝設(shè)置水處理地下結(jié)構(gòu)物已被廣泛應(yīng)用于自來水廠、污水處理廠、市政道路雨（污）水提升泵站等工程中。對(duì)于大多設(shè)于城郊結(jié)合部的自來水廠、污水處理廠及處于城市密集區(qū)的市政道路雨（污）水提升泵站，沉井的施工在從地面沉入地下的過程中，因其對(duì)井周邊土體造成的變形或失穩(wěn)，必然會(huì)使井周一定范圍內(nèi)可能存在的地下管網(wǎng)、地面建（構(gòu)）筑物的安全形成威脅并導(dǎo)致破壞。
一、沉井下沉的階段過程
1、自然下沉階段
在抽取刃腳下的墊木后沉井依靠自重切入土中至井身自重重力與井身內(nèi)外壁摩阻力和刃腳下土的抗力達(dá)到平衡時(shí)停止，在排除施工方法的影響因素以外，其切入深度與井身自重及土的物理力學(xué)指標(biāo)有關(guān)。
2、取土下沉階段
即采用一定的施工方法不斷去除井壁內(nèi)側(cè)和刃腳下的土，卸除刃腳下土抗力和井壁內(nèi)的摩阻力，井身依靠自重力克服井壁外側(cè)土的摩阻力和進(jìn)內(nèi)土的浮力，逐步下沉至重力與外側(cè)摩阻力、刃腳下土抗力及水的浮力（不降、排水下沉?xí)r）平衡時(shí)，停止下沉。
二、自然下沉階段對(duì)井周土體的影響
在自然下沉階段，井身以一種切入的方式沉入，依靠較大的自重力對(duì)土體產(chǎn)生剪切破壞并擠壓井周和刃腳下土體至密實(shí)和周圍地表隆起。土體在井周隆起的范圍及高度視切入的深度和土質(zhì)狀況有關(guān)。理論上并沒有相應(yīng)的計(jì)算方法來基本確定該階段土體隆起的狀況，實(shí)踐中的監(jiān)測(cè)監(jiān)控表明其全部影響的范圍在水平向約為切入深度的1/2不足。由于自然下沉階段的下沉深度占整個(gè)下沉深度的比例較小，同時(shí)取土下沉階段對(duì)井周土體的影響范圍將覆蓋該階段的影響范圍，因此該階段對(duì)周圍環(huán)境的影響可不考慮。
三、取土下沉階段井周土體的受力狀況
一）、現(xiàn)有沉井下沉驗(yàn)算中關(guān)于井壁與土體摩阻力的計(jì)算規(guī)定
1、在沉井設(shè)計(jì)和施工前的專項(xiàng)方案中需進(jìn)行沉井下沉驗(yàn)算，即須考慮在自重作用下井體能否克服井壁外側(cè)與土間的摩阻力、地下水的浮力、地層對(duì)刃腳的抗力，從而安全順利的沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高位置。
2、計(jì)算參數(shù)可通過計(jì)算和地質(zhì)資料得到，而對(duì)于T值，其為下沉深度H的函數(shù)，可理解為當(dāng)井身下沉至（刃腳下端到達(dá)O點(diǎn)）時(shí)土體所受的總摩擦力。
二）、沉井下沉過程中沉井對(duì)周邊土體作用力的分析
1、為便于分析，假定整個(gè)沉井高度范圍內(nèi)為均勻土、土的物理力學(xué)指標(biāo)均一。理論上沉井下沉至O點(diǎn)時(shí)土體對(duì)井壁的總的摩阻力就等于，而其變化狀況則是深度的一次函數(shù)呈三角形。
因此沉井在下沉過程中不斷克服越來越大的摩阻力從而表現(xiàn)出下沉速度由快逐步緩慢的現(xiàn)象。同樣理論上井壁上任一單位面積的摩阻應(yīng)力F應(yīng)為定值并等于f。
2、因此從理論上講沉井在下沉過程中，其井壁對(duì)周邊土體主要的作用力有：
?、傧蛳碌木趯?duì)土體的摩擦應(yīng)力F=f
②總的摩擦力對(duì)O點(diǎn)以下土體的垂直作用力，在O點(diǎn)處最大，并隨著距O點(diǎn)在任何方向上的距離的增大而減小。
?、弁馏w本身的自重應(yīng)力，—土的重度。
四、井周土體在外力作用下的破壞狀況
1、以上F是一個(gè)應(yīng)力定值，不隨深度的變化而變化。F產(chǎn)生對(duì)土體的一個(gè)垂直向下的剪應(yīng)力，根據(jù)布辛奈斯克的彈性力學(xué)解答，該剪應(yīng)力隨著距作用點(diǎn)的距離的增大而減小。也就是說：
?、佼?dāng)下沉?xí)r由摩擦應(yīng)力F而產(chǎn)生的對(duì)土體的剪應(yīng)力如果小于周邊土體的抗剪強(qiáng)度，則井壁沿土壁下沉。
②當(dāng)下沉?xí)r由摩擦應(yīng)力F而產(chǎn)生的對(duì)土體的剪應(yīng)力如果大于周邊土體的抗剪強(qiáng)度，則將周邊土體垂直剪斷而下沉。
?、郾仨毷亲罹o靠井壁附近的土體最先被剪斷并隨井壁下沉。
2、下面再看總的摩擦力對(duì)O點(diǎn)以下一段已卸除土體的作用力所產(chǎn)生的破壞。彈性半空間體表面上作用一個(gè)集中力時(shí)，半空間體內(nèi)任意點(diǎn)土單元的應(yīng)力共有x（水平向）、y(垂直與x、z方向的縱向)、z（垂直向）三個(gè)方向的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力六個(gè)分量應(yīng)力。為簡(jiǎn)化分析，考慮到剪應(yīng)力相對(duì)又相等，可忽略剪應(yīng)力的作用。
在和（刃腳下還未缷除土抗力）兩個(gè)主應(yīng)力的作用下，土體處于平衡狀態(tài)，如果其莫爾園在土的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線內(nèi)則土體是穩(wěn)定的。
但是為使得井身能夠下沉，在取土下沉的過程中必然要去除刃腳下一段高度的土以消除地基土抗力，這樣則趨向于0（不排水時(shí)則接近水的深度壓力）。同時(shí)隨著沉井的下沉不斷增加，至一定深度時(shí)，當(dāng)莫爾園突破土抗剪強(qiáng)度線時(shí)，土體首先在刃腳處剪切破壞并逐步向土體內(nèi)延伸，同時(shí)發(fā)生局部坍塌并導(dǎo)致破壞面上土體下沉，直至井壁再次下沉至未取土面使增加、莫爾園半徑減小至抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線內(nèi)時(shí)土體穩(wěn)定為止。
隨著不斷的循環(huán)取土而且井身下沉速度的減慢則土體不斷的破裂，土體沉降的范圍越來越大，實(shí)踐證明該形態(tài)與實(shí)際施工時(shí)的狀況是吻合的。
3、以上用簡(jiǎn)化了的土單元平面應(yīng)力結(jié)合土的抗剪強(qiáng)度理論基本得出土的破壞原因和形態(tài)，這樣也可根據(jù)莫爾—庫侖理論的極限平衡條件得出土的破裂面與井壁的角度，即（假定為無粘性土），同時(shí)其破裂起點(diǎn)肯定在刃腳下端，則沉井在整個(gè)下沉過程中對(duì)井周土體的影響范圍其在地面上的水平影響寬度為。其中H是一個(gè)變量，即隨沉入的深度不斷加大，B也不斷加寬且是出現(xiàn)多道破裂面。對(duì)于我們南通地區(qū)一般的粉砂土、砂土，其在22～28之間，即可推算出最終的影響寬度B約等于井高的0.65倍。
五、減小井周土體下沉影響范圍的措施
當(dāng)前沉井施工的應(yīng)用越來越廣泛，在有些化工廠的環(huán)保達(dá)標(biāo)改造工程中，有些沉井甚至必須做在已建廠房?jī)?nèi)。因此，沉井在下沉?xí)r對(duì)周圍土體的破壞范圍內(nèi)往往都有地下或地上的建（構(gòu)）筑物，所以在無法對(duì)沉井本身移位的情況下必須采取措施。通常一般有：
1、定向注漿，以提高土的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力，達(dá)到固土的目的，此法較便捷有效，但在施工過程中需根據(jù)土質(zhì)情況控制好壓漿壓力，以防破壞地下管線或構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)。
2、在地下或地上的建（構(gòu)）筑物內(nèi)則一定位置壓入鋼板樁，以隔斷土體的破裂坍塌。其深度要經(jīng)過計(jì)算以保證鋼板樁下端有一定的深度以防沉井過程中鋼板樁土體下沉而帶動(dòng)鋼板樁下沉。
3、在地下或地上的建（構(gòu)）筑物內(nèi)則一定位置設(shè)置水泥攪拌樁，其作用同于鋼板樁。
4、在井周采用觸變泥漿護(hù)套、灌砂、空氣幕墻等措施以減少井壁與土間的摩擦力從而減小對(duì)土體的外力。
5、由于隨著井下沉的不斷加深，需克服的摩阻力越來越大，下沉的速度越來越慢，刃腳下缷載后導(dǎo)致外側(cè)土體部分的破壞則越嚴(yán)重。因此在下沉到下部時(shí)一般控制缷土的深度，以防突沉或過沉。也就是說盡量的減小刃腳下的缷土深度和范圍也是減少土體下沉失穩(wěn)的措施之一。
六、有關(guān)問題
盡管土體的破壞形態(tài)通過理論分析并在實(shí)踐中得到相關(guān)應(yīng)證，但影響的范圍并非如此簡(jiǎn)單，它涉及到以下幾個(gè)問題：
1、下沉的階段性問題，以上分析都是建立在一次下沉的工況基礎(chǔ)上的，對(duì)于一些大型的沉井必須要進(jìn)行多次下沉，則其下沉過程中對(duì)土體的作用力關(guān)系要較一次下沉的要復(fù)雜。
2、一般沉井深度范圍內(nèi)的土質(zhì)并非均質(zhì)的，可能由不同的土質(zhì)和層厚組成，這樣，所產(chǎn)生的摩阻作用是一個(gè)變化的折線。
3、勘測(cè)的土的物理力學(xué)指標(biāo)與施工工況不相吻合，是否采用降水或排水施工都對(duì)土的有關(guān)指標(biāo)和重度有影響。
4、利用彈性力學(xué)建立起來的有關(guān)方法，在理論上有許多假設(shè)。
鑒于上，并不能較準(zhǔn)確的分析和計(jì)算出沉井在下沉過程中及最終對(duì)井周土體的影響破壞范圍。但根據(jù)以上基本的理論分析及筆者的實(shí)踐，在設(shè)計(jì)方案的確定時(shí)，在進(jìn)行專項(xiàng)安全施工方案的編制時(shí)，應(yīng)考慮的影響范圍B應(yīng)在0.65～1.0井深內(nèi)，對(duì)于粘性土可適當(dāng)減小。但過去的一概按0.5倍井深考慮是偏不安全的。
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