圆形沉井结构设计概述

刘强 陈奇 林敏博 郭伟

摘 要：本文简要叙述了圆形沉井结构设计流程及相关规范依据，同时结合工程经验针对沉井设计中的抗浮设计及底板配筋设计进行了较为详细的分析。

关键词：沉 井；刃 脚；抗 浮；主动土压力；

中图分类号： TU2 文献标识码： A

沉井是一种在地面上制作、通过取除井内土体的方法使之沉到地下某一深度的井体结构。利用沉井作为挡土的支护结构，可以建造各种类型或各种途径的地下工程构筑物。沉井施工方法是修筑地下构筑物或深基础工程特殊而重要的施工方法，而沉井结构则是这种施工方法相适应的工程结构。沉井由于其在地下构筑物、桥梁等领域中施工快、造价低等的优越性，获得了越来越广泛的关注与应用。从20世纪50年代借鉴国外的设计理论和经验开始至今，我国已建成沉井不下1000座。其规模从直径2米的集水井到巨大的江阴长江大桥的主索平衡墩（体积达60mx58mx50m）。沉井形状包括方形、矩形、圆形及椭圆形，其中圆形沉井在受土、水侧压作用下，截面以受压为主，充分发挥了混凝土抗压能力强的特点，同时圆形沉井较方形、矩形沉井下沉容易等特点，所以在规模较大，深度较深情况下多采用圆形沉井。

1 圆形沉井结构设计流程

1.1沉井支撑计算

沉井制作采用垫木进行支撑，同时为了释放沉井结构的混凝土收缩、温度应力，采用砂石垫层。通常垫木的位置根据沉井直径及砂垫层厚度及持力土层的极限承载力决定。通常采用四点支撑。沉井规程（CECS137：2002）[1]中6.2.1节中对该结构井壁中跨中最大弯矩、支座弯矩、最大扭矩及最大剪力给出了计算公式，由于第一节预制成型沉井的跨高比通常较小（＜5.0），利用混凝土规范中的深受弯构件设计原则对井壁进行设计。

1.2沉井下沉计算

在无外力作用下沉井依靠自重克服土的摩阻力下沉，土的摩阻力在井壁上的分布见图1.2。

（a）直臂式井壁外侧 （b）阶梯式井壁外侧

图1.2 摩阻力沿井壁外侧分布

沉井规程6.1.1节中给出了常见土壤单位摩阻力标准值及各层土单位摩阻力标准值的加权平均值计算方法。沉井在下沉系数不小于1.05前提下，可以通过自身自重进行下沉，否则需通过外力进行下沉。当下沉系数较大（≥1.5）需进行下沉稳定计算，下沉稳定系数应控制在0.8~0.9之间。

1.3刃脚设计

由于刃脚厚度较井壁薄，外伸长度较长，结构分时常按悬臂构件进行分析设计。刃脚设计分两阶段，第一阶段为初切土时外向弯曲阶段，第二阶段为下沉至设计深度时的内向弯曲作用阶段，按照沉井规范的6.2.2节要求进行内力求解。

（a）刃脚竖向的外向弯曲 （b）刃脚竖向的内向弯曲

图1.3 刃脚计算

1.4施工阶段抗拉设计

土质较好情况下，沉井下沉过程中井壁可能受到最大拉力标准值为自重的四分之一，在该拉力作用下井壁应满足沉井规范5.3.4节抗裂度的要求。

1.5抗浮设计

抗浮设计一直是沉井设计的重点内容。沉井规范要求6.1.4节要求沉井在自重与水浮力作用下的抗浮系数不应小于1.0。对于深度较深的圆形沉井一般都很难满足规程要求，常用的解决方法有三种[2]，第一，采用抗拔桩；第二，采用抗拔锚；第三，增加结构自重。

1.6沉井井壁设计

沉井井壁设计分为两个阶段，第一阶段为施工阶段，此阶段应结合施工方法进行设计，井壁外承受土侧压（含地面堆积荷载）、水侧压（降水施工不考虑）作用。土压力采用沉井规程4.2.2节规定的主动土压力进行计算。由于刃脚按照悬臂构件进行设计，所以在刃脚根部以上1.5倍井壁厚度的范围内，井壁除承受的土、水侧压外，还应计入刃脚传递的剪力作用；在1.5倍井壁厚度范围之上，则不再计入刃脚作用。由于圆环结构在外侧均为压力作用下，截面内力仅为轴力，不会出现弯矩，但是在实际工程中，大直径沉井井壁内如果配筋不足，会出现受拉裂缝现象，这是因为沉井由于施工、地质因素影响，使得圆环井壁外侧压力并不均匀，所以井壁截面内出现弯矩。沉井规程6.2.3节取四分之一井壁进行分析，考虑了井壁外侧土内摩擦角变化5°~10°影响，给出了井壁两端截面的轴力与弯矩值计算方法。

1.7底板设计

当沉井上部承载房屋结构，且深度较大，沉井底板下的净反力较大，此时底板的裂缝较难控制。沉井底板与井壁的连接有两种形式，第一种是底板与井壁铰接，第二种是井壁与地板固结，二者的本质是在沉井预制时，是否在底板拼接处留设足量的受力钢筋。沉井规程6.2.9节分别给出了沉井周边固结、铰接下的底板内力计算方法。

2 圆形沉井设计重点

2.1沉井抗浮设计分析

对于直径较大，深度较深的圆型沉井，抗浮设计为其重点设计内容，虽然上文叙述了三种抗浮方法，但通过经验发现，第一、二种方法在实际工程中应用较少，这是由于抗拔桩与抗拔锚不仅施工困难，造价高，同对结构内力重分布影响较大，设计分析难度加大。实际工程中常采用在沉井底板下增加配有少量钢筋的素混凝土增加结构的自重，由于施工简单，造价低，抵抗浮力作用效果明显，所以该法广泛被采用。

2.2沉井底板设计分析

沉井底板与井壁采用固结与铰接做法的异议较大。本人认为铰接形式较为合理。在底板与井壁固结情况下，井壁上留设钢筋不宜于工人施工，同时固结情况下的底板常采用辐射状配筋形式，该配筋形式施工操作复杂；且如果底板上设置积水坑，则集水坑的钢筋布置也较为繁琐；在固结情况下，底板的弯矩应全部传递到井壁上，增加井壁的配筋；同时底板混凝土与沉井井壁混凝土的连接处存在施工缝，实际也很难达到固结的效果。如果底板与井壁采用铰接形式，则底板钢筋可以采用井字配筋，底板与集水坑施工较易；底板弯矩不会影响到井壁；采用合理底板与井壁连接形式很容易达到铰接的目的，常用的铰接形式如图1.7。

图1.7 井壁与底板构造

1-井壁；2-底板

3 总结：

1.本文简略的叙述了圆形沉井的计算流程及设计重点；

2.沉井抗浮较为有效的方法为增加自重；

3.沉井底板采用铰接设计更为合理。

参考文献：

[1]CECS 137：2002, 给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程[S]. 北京：中国工程建设标准化协会，2002年

[2]给水排水工程结构设计手册（第二版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007年