沉井力学性能验算分析

张 江， 符 锐， 张 健

(1.徐州市黄河北闸管理处， 江苏 徐州 221000； 2.南京市雨花台区水务总站， 江苏 南京 210017；3.睢宁县水务局， 江苏 徐州 221000)

随着社会经济水平的提高，城市水利、市政、交通基础设施也逐步发展完善，越来越多的城市在建筑物密集区修建地下设施[1]。最常见的施工工艺就是利用沉井法修筑地下构筑物和深基础，它是在预制好的钢筋混凝土井筒结构底部开挖砂或土，利用井筒自重或施加外力以克服井筒与井壁和地层的摩擦力从而逐步下沉至指定位置[2]。沉井法挖填土方量较小，施工也较为安全，从而节约大量人力物力，同时对邻近建筑物扰动破坏较小，因而目前应用较为广泛[3-5]。沉井施工为地下工程施工，地下水文地质较为复杂，因此，需进行合理的设计和严谨的验算分析后才可予以施工，以保证施工过程中的安全。本文根据南京市雨花台区板桥河水系水环境提升工程的具体情况，详细介绍3#沉井的力学性能验算过程。

1 工程概况及沉井结构

该工程为南京市雨花台区板桥河水系水环境提升工程。工程起点为肖家山(雨花台区与江宁区交界处)，终点板桥河闸，全长约7.2 km，包括新建2座引水泵站，将处理后的板桥河水通过活水循环管线补充至河道，共设顶管井5座，施工工艺采用顶管施工。1#工作井～2#接收井顶管总长为60.9 m，材质为DN1000钢管，需横穿凤汇大道，周围施工场地附近有交通信号灯2座，配电箱3座，距大型建筑物较远。3#工作井～4#接收井顶管总长为79.4 m，材质为DN1000钢管，需横穿板桥河，河面宽31 m，水深5.4 m，穿过泵站路，周围有1座高压电塔，距离3#工作井35 m。5#工作井～出水口顶管总长为43.8 m，材质为DN1000钢管，需横穿板桥河河堤，周围无建筑物。本文选取3#沉井进行分析验算。

2 结构参数

2.1 沉井设计参数

该沉井为圆形沉井，井筒高11.7 m，内径6.8 m，壁厚0.6 m；刃脚高1.9 m，厚0.8 m，踏面宽0.3 m，钢筋混凝土结构。

2.2 工程地质参数

工程地质参数、土层相关参数分别见表1～表4。

表1 工程地质参数

表2 各土层压缩性质及物理指标明细表

2.3 验算原则

(1)本工程施工区域隶属长江漫滩相地貌单元，地形整体较平整。根据地勘报告结果来看，该跨度内地层结构在垂直方向上基本相同，故验算时可取用同一地质参数。

(2)根据交叉对比分析法，本次验算，选取工作井作为验算对象，取其最高井位验算，用作本次验算的沉井数据，见表5。

3 力学性能验算分析

根据施工方案内容，本工程需验算的内容有：刃脚垫层验算、沉井相关系数验算、模板及对拉螺栓验算。

3.1 刃脚垫层验算

刃脚垫层上部为C20素混凝土垫层，垫层厚0.1 m、宽2 m；下部则为砂石垫层，垫层厚0.5 m、宽3 m；刃脚底宽0.4 m。

3.1.1 沉井自重

沉井靠自重下沉，本次施工沉井结构混凝土分3次浇筑，每次浇筑量分别为32.46 m3、83.40 m3和79.23 m3，则工作井混凝土用量为195.09 m3。

根据混凝土用量得工作井结构自重为4 877.25 kN；沉井沿周长单位质量为209.9 kN/m。

3.1.2 沉井刃脚砂垫层

在沉井制作过程中，为使地基具有足够的承载力，避免沉井发生不均匀沉降，需对地基进行处理，常用处理方法包括采用砂、混凝土、砂砾、灰土垫层配合人工夯实、人工碾压等措施加固处理。本工程经前期地质勘探，地基强度较低，施工过程中需使用较多垫木，当垫木铺设过密时，需在刃脚设置砂垫层以减少垫木数量。其中砂垫层设计是否合理，设计砂垫层厚度为其重要指标。本次砂垫层厚度验算过程如下：

表3 地基承载力特征值明细表

表4 沉井设计参数表

表5 沉井分段施工数量表

(1)

式中：h为砂垫层厚度；G为混凝土单位长度重量，本次取值为209.9 kN/m；Pu为下卧层地基极限承载力的折减值；θ为压力扩散角，为30°；B为刃脚素混凝土垫层宽度。

其中Pu可用以下公式计算：

Pu=P×k1×k2×k3

(2)

式中：P为地基的允许承载力，取值为60 kPa；k1为容许承载力转换为极限承载力的系数，取k1=3；k2为极限承载力折减系数，取用k2=0.8；k3为施工荷载及沉井总自重超载系数的倒数，取用k3=0.85。

将P、k1、k2、k3数值代入公式(2)，计算得Pu为122.4 kPa，将Pu、G、θ、B数值带入代入公式(1)进行验算：得h=0.9 m，故取砂垫层厚度为1.0 m。

经验算，设计砂垫层厚度1 m>0.9 m，满足地基承载力要求。

砂垫层宽度计算：B≥b+2htanθ=1.454 m，砂垫层设计底宽B=4 m，满足要求。

3.2 沉井相关系数验算

为保证施工安全，对工作井下沉系数、下沉稳定系数、抗浮系数进行验算。

3.2.1 下沉系数

下沉系数Kst是指下沉重力与下沉阻力之比，沉井能否顺利下沉的关键取决于下沉系数Kst是否选取得当，沉井的总重力应大于沉井外表面的阻力，但是又不能大于沉井刃脚参与工作的总阻力。沉井下沉时应对其在自身重力下能否顺利下沉进行验算，即过程如下：

(3)

式中：Kst为下沉系数；Gk为井体自重标准值，工作井自重为4 877.2 kN；Ffw,k为地下水浮力的标准值，当采用排水下沉时为Ffw,k=0；Ffk为井壁摩擦阻力的标准值。

Ffk=U×A

(4)

式中：U为沉井井壁外围周长，工作井外壁周长25.12 m；A为单位周长的摩阻力。

A=f×(H-2.5)

(5)

式中：H为沉井下沉深度；F为单位面积的摩阻力。

根据以上公式计算下沉系数：Ffk=3 663.85 kN；又Ffw,k=0，计算下沉系数Kst=1.33，则下沉系数Kst>1.20，满足施工时自重下沉要求。

3.2.2 下沉稳定系数

根据地质勘察报告，施工作业面下存在软弱土层，因此需根据实际情况进行下沉稳定计算，其下沉稳定系数Kst,t应符合下列要求：

(6)

式中：Kst,t为下沉稳定系数；F′fw,k为地下水浮力的标准值，排水下沉时取值为0；F′fk为井壁摩擦阻力的标准值)；Rb为地基土极限承载力总和，查表得Rb=1 673.0 kN。

则计算得13.6 m沉井Kst,t=0.91<1.0，满足施工时下沉稳定要求。

3.2.3 抗浮系数

施工时，沉井在各个时期可能受到地下水位产生的浮力影响，因此需要进行抗浮稳定验算，即抗浮系数计算。在不计井壁和土的摩擦阻力时，抗浮安全系数通常可取1.0。根据地质勘察报告，本工程地下水位较高，当沉井下沉高度达到设计高程后，需考虑丰水期沉井的抗浮系数，并采取降水措施。抗浮系数K计算如下。

(7)

F=πr2h1ρg

(8)

式中：K为抗浮系数；F为水浮托力；h1为井底到地下水位高度，地下水位为4.5 m。

计算得抗浮系数K=1.07﹥1.0，满足施工期抗浮稳定要求。

3.3 模板验算

3.3.1 模板承受侧压力及有效压力计算

沉井模板承受侧压力的计算是设计模板及其支架的基础内容，在进行侧模板及其支架承载力计算时，主要考虑新浇混凝土对模板的侧压力、振捣混凝土产生的压力及倾倒混凝土产生的荷载压力，其中新浇混凝土对模板产生的侧压力为沉井模板承受的主要侧压力，本次主要计算新浇混凝土对模板承受的侧压力大小。侧压力大小可采用以下2个公式计算，并取2个公式中的较小值。

F=0.22γct0β1β2V0.5

(9)

F=γcH

(10)

(11)

式中：F为模板承受来自新浇混凝土的最大侧压力；γc为混凝土重力密度；t0为新浇混凝土的初凝时间，一般按照实测确定。若当地缺乏试验资料时，也可采用t=200/(T+15)计算，T为混凝土的温度；V为混凝土浇筑速度，一般取1 m/h；H为侧压力计算点到新浇混凝土顶面的总高度；β1为受外加剂影响产生的修正系数，当掺有缓凝作用的外加剂时，一般取1.2；当不掺外加剂时，一般取1.0；β2为坍落度影响修正系数(当坍落度小于30 mm时，取0.85；当坍落度位于50～90 mm之间时，取1.0；当坍落度位于110～150 mm之间时，取1.15)；h为有效压力高度。

代入相关参数值，由公式(9)计算得F为34.19 kN/m2；由公式(10)可得F为170 kN/m2。取其中较小值，即取值为34.19 kN/m2，乘以分项系数1.2，即得模板所受来自新浇混凝土的最大侧向压力Fmax=41.03 kN/m2。由公式(11)计算有效压力高度h=1.64 m。

3.3.2 模板强度验算

根据模板施工工艺，面板由横肋和竖肋所形成的矩形框架受力，模板为周界铰支，模板整个板面受均布荷载，由上面计算得知，模板最大侧压力为41.03 kN/m2，由于模板对拉螺栓布置为0.45 m×0.60 m ,竖向方木支撑间距为0.30 m，故线荷载q为24.62 kN/m。计算简图见图1。

图1 均布荷载计算简图

其中，均布荷载q=24.62 kN/m，模板厚h=0.012 m， 根据《建筑施工安全技术规范》JGJ 162—2008 可得：静曲强度[σ]=105.5 N/mm2。根据公式计算矩形模板最大正应力。

(12)

(13)

(14)

式中：σ为最大正应力；Mmax为最大弯矩，；Wz为抗弯截面系数。

从而可得最大正应力σ=11.54 N/mm2<[σ]，本次模板设计满足强度要求。

4 结 语

(1)沉井法是一种目前应用十分广泛的施工方法，但其规格较大、所处施工场地水文地质条件的复杂多变性给沉井的设计及施工带来了一些不确定因素，因此施工前需要进行严谨的验算分析，以保证施工质量和安全。

(2)本次以南京市雨花台区板桥河水系水环境提升工程为例，详细介绍了3#沉井的力学性能验算过程。验算结果表明，该设计方案满足规范要求。

(3)该沉井力学性能验算方法具有普遍性，可为其他类似工程验算提供参考。