沉井结构设计浅析
沉井结构设计浅析
曹霞 金凌志 顾艳阳
摘 要: 由于深基础中的沉井设计的相关影响因素较多,而目前又没有统一的设计标准进行规范本文通过对某上海轮胎橡胶(集团)公司项目中的沉井设计分析,对该方面在今后的完善和发展提供一些参考。 关键词:沉井 ;结构设计 深基础
Analysis Of Sunk Well Structures Design
Cao xia Jin linzhi Gu yanyang
Abstracts: There are some factors concerning about sunk well design from deep foundations ,but we have not unite structures design laws or codes now ;The article poses some advises on its next developing design or constructor through analysis of sunk well structures design from projects in Shang Hai Rubber Tyre Company. Key words: sunk well ; structures design ; deep foundations
1 引言
在建筑结构中,常有许多半地下式建(构)筑物,如消防水池、污水泵房、旋流沉淀池、大型设备基础、地下仓库等,当其地下部分较深,与周围建(构)筑物相距很近而不能进行大开挖;或场地地下水位较高,易使地基产生涌流或塌陷[1];或地基土为砂土、粘性土时,采用沉井这种结构形式是一种很好的选择,既能很好地满足工艺要求,又可以取得很好的经济效果。作为深基础的一种形式,沉井具有占地面积小,不需要板桩围护,不需要特殊的施工设备,施工简便,对周围建(构)筑物影响小等优点。当沉井面积较大时,中间可以考虑加肋板,沉井壁可作为基础的一部分,又可作为地下结构的围护结构,使内部空间得到充分利用;但由于沉井的设计的相关影响因素太多,目前没有统一的标准与规范,而且其设计与沉井的施工有着直接的关系,设计时还应考虑到工程地质,水文地质等因素与施工条件等,所以沉井设计一直是结构设计中的难点之一,现通过上海某轮胎橡胶(集团)的项目中的沉井设计对该方面进行一些探讨。
2 工程概况
工程中常用的沉井主要由刃脚、井壁、隔墙或竖向框架、底板等组成。(1)刃脚:是沉井井壁最下端部位,下面有一水平支承面,称为刃脚踏面。踏面宽度通常在15~60厘米左右,根据地层的软硬程度作调整。刃脚的侧面呈直角梯形,斜度≥45°。其作用主要是减少土的阻力。(2)井壁:是沉井的主要部分,其厚度应根据沉井的结构强度、刚度的需要以及沉井能够在足够的自重条件下下沉等确定。
(3)隔墙:根据使用和结构上的需要,在沉井内可设置隔墙,大型沉井还可能设置多道纵横隔墙,隔墙可减少外井壁的计算跨度,同时可增加沉井的刚度,避免沉井变形。(4)横、竖向框架:包括壁柱及上下横梁。因隔墙设计过多而影响使用或施工操作时,一般都设计壁柱和上下横梁来代替,同样可以减少井壁、底板的计算跨度,增加沉井的整体刚度,还有利于分隔封底和操作。(5)底板。由钢筋混凝土浇筑而成,对沉井的使用和防水有重要作用[2]。
工程中常用的沉井种类很多,常用的主要是圆形、方形、椭圆形[3]。当沉井作为上部结构的深基础时,还应有隔墙及顶板。其中井壁是沉井的主要部分,承受侧面土压力作用,又是深基础的护壁和上部的基础,同时在自重下克服阻力下沉,故应有足够的强度和重量。沉井井壁可分为直壁式和阶梯式两种。当土质松软,下沉深度小时,为减小其下沉时对周围土体和其它建(构)筑物的影响,可采用直壁式;而当土质密实、下沉系数小时,为减小土与井壁的摩擦力以便于下沉,外壁宜做成阶梯式。刃脚则是在沉井下沉时起初入土的作用,其迎土面应用角钢或钢板加固[4]。设置凹槽是供后浇底板之用,防水要求不高时可不设,而当防水要求很高或底板很厚时,可采用双凹槽;其中圆形沉井结构受力好,下沉阻力小,对土体扰动少;在本项目中,雨水泵房就采用了大型的圆形沉井结构,由于上海地区系软土地基,地下水位又高,根据这一情况,在设计该沉井时,采用内径为11米,埋深为9.1米中间设置两道隔墙,底板与井壁之间为铰接的设计方案,如图(一)所示。 3 结构的设计
3.1下沉分析
为便于控制沉井最终标高和沉井封底,并使沉井在施工时能顺利下沉,需对沉井进行下沉计算:
按现行上海地区规范要求下沉系数必须大于1.05;井壁总摩阻力:T=3450KN
井壁自重:G=3260KN;采用排水下沉,地下水浮力B=0;其下沉系数K值计算如下:
K=G-B3260==0.94
计算可知:由于沉井埋置较深,摩阻力较大,无法满足下沉系数,沉井在施工过程中必须配重下沉。
3.2 抗浮计算
沉井下沉到设计标高并浇筑封底混凝土底板后,应进行竣工空载抗浮验算:(地下水位按―1.000
米标高计)
3.2.1 井体自重抗浮
井体自重:G =6780KN;浮力:B =7760KN;G
3.2.2 井体自重十上部结构重抗浮
上部结构重:G1=1520KN
抗浮系数: Kf=G+G16780+1520==1.07>1.05;满B7760
由此可见,根据上海地区的地基情况,一般大型沉井靠自身重量无法满足抗浮要求;为解决这题,我们采用在沉井壁上悬挑板,靠悬挑板来支托上部结构,这样既解决了沉井的抗浮问题,又解决了上部结构的沉降问题。
3. 3 沉井井壁计算
3. 3.1 水平内力计算
作用在圆形沉井井壁上的土压力,在下沉过程中可能发生倾斜,或土质不均匀及井外土体塌陷等
原因,使沉井在同一水平圆环上的土压力呈不均匀分布。现将井体视作受对称不均匀压力作用的封闭圆环,如图(二)所示。取其1/4圆环为计算简图;其上承受均布线荷载,在该受力体两端分别作用有轴向力和弯矩,其实际受力类似于偏压构件,而该圆环上任一点的土压力应按照如下公式计算为: q=γs h tg2(45°―φ∕2)
γs——土的天然容重 ; h——土压力计算点至地面的距离 φ——土的内摩擦角 ;
计算时应考虑同一截面的M、N最不利组合计算环向钢筋。由于线荷载的作用并非在确定位置,故以此作为里外双层配筋计算。
3. 3.2 纵向弯曲计算
沉井下沉之前,逐渐抽出承力垫木,最后支撑于相互垂直的四个定位垫木;由于沉 井的自重作用,井壁产生纵向弯矩和扭矩;此时,井壁可以按承受均布荷载的连续水平圆弧梁计算。例如需要考虑计算沉井单位周长自重、最大剪力、跨中弯矩、支座弯矩、最大扭矩等等,所有这些内力均可以按深梁计算配筋。
3. 3.3 竖向拉断计算:
沉井下沉接近设计标高,刃脚下的土壤已被掏空,由于井壁周围土壤的挤压或粘着作用,可能
会使井体上部被土夹住,下部脱空,这时应计算井壁内由于沉井自重产生的垂直拉力。假定井体的0.5H高度被土挤住,下部一半处于悬吊状态,则悬吊重量的最大数值为:Smax=0.5G;G为井体自重;用此力来计算井壁竖向钢筋。
3.3.4 沉井刃脚的内力计算
刃脚是指井壁下端的楔形部分,其作用是便于沉井的下沉和切人土中。由于其受力较为复杂。
沉井在下沉过程的计算中,应考虑选择最不利的情况,分别计算沉井的刃脚的竖向内力和水平内力。
3.4 井壁的形式
沉井井壁形式一般有直壁式和阶梯式,为了便于沉井
下沉,我们采用了直壁式(及井壁外侧无台阶)。为了便
于后浇地板,增强防水,需要在井壁上设置凹槽,但一
般的凹槽是图(三)型,这种形式削弱了井壁的刚度。
为克服这一缺点,我们采用了图(四)型,这样受力明确
且加强了井壁刚度 。
3.5 沉井底部构造
沉井底部构造有以下两种作法: 图三 图四
①排水下沉的沉井:可以在没有地下水的条件下浇灌钢筋混凝土底板。其底部构造作法为:由水泵通过泸鼓将封底垫层上的渗水抽干,然后浇灌钢筋混凝土底板,待其达到设计强度后停止抽水,并用混凝土将法兰短管填满,再焊封钢板。
②不排水下沉的沉井:一般在水下封底,封底垫层受全部水压力,为沉井底的刚性防水板,其厚度按水压力计算确定。作法为:当封底完毕,混凝土达到设计强度80%后,即抽干积水,清净泥土残渣,然后在封底垫层上铺设排水用的砂砾层或防水层,再在上面浇灌钢筋混凝土底版。
根据上海地区的地基情况,地下水位高,如果采用第二种作法,则需要很厚的封底垫层(大约1.8米左右)。为了便于施工,使结构设计更为合理,我们采用了第一种作法。
4、结论
1、 本文通过对沉井的设计总结,并结合上海软土地基的条件,将沉井进行了内力分析,对其构造
作了一些简化,并力求使其分析与工程的实际状态相吻合。
2、 地下水位较高地区,沉井的抗浮计算十分重要。上海地区工程实践证明,因设计施工时不够注
意而不乏被浮起的事例。因此抗浮计算和施工中对抗浮采取的措施是应该引以为注的。
3、 随着生产的进步发展。沉井的应用也将越来越广泛,本文通过对沉井的结构设计和施工方法的
总结,对同类工程起到抛砖引玉的作用。
参考文献:
1. 刘建航等. 基础工程手册. 北京.中国建筑工业出版社. 1997. 232
2. 陈体颐、叶书磷等. 基础工程学. 北京.中国建筑工业出版社.1990. 335
3. 卢伟清. 沉井的设计与施工. 广东土木与建筑. 2001年第2期
4. 胡伟等. 改建工程中的室内大型沉井的设计与施工. 建筑技术. 2002年第6期
作者简介:
曹霞 女 1965年10月出生于河南,38岁,大学本科毕业,工民建专业,高级工程师,一级注册结构工程师,全国注册监理工程师,有多年设计与施工经验,现任教于桂林工学院土木系结构专业。 地址:广西区桂林市七星路77号603栋6-2信箱; 邮编:541004
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