矩形沉井工程设计实例

矩形沉井工程设计实例某小型雨水沉井,地面标高为-0.5m。对于沉井结构计算及施工计算介绍如下。一、设计条件1、工程概况根据使用要求，本沉井结构尺寸如附图2-1所示。沉井平面为矩形，剖面也为矩形，井顶标高为+0.00m,刃脚踏面标高为-11.0m。制作高度为11.0m，施工时采用两次制作，一次下沉，第一节制作高度为6.0m，井壁厚度为600mm，沉井封底水下混凝土厚度为1.3m。2、沉井材料混凝土：采用C25;fc=11.9N/mm2,ft=1.27N/mm2,钢筋：d≥10mm,采用热扎钢筋HRB335；fy=300N/mm2,3、地质资料根据地质钻探资料分析，本沉井工程范围内的的地层，大致可分五层，其物理力学性能指标如附表。土层物理力学指标序号土层名称标高（m）天然容重（KN/m3）干容重（KN/m3）粘聚力c（KPa）内摩擦角ψ允许承载力（KN/m2）备注1黄色亚粘土-0.5~-3.018.614.0518105淤泥质土2灰色亚粘土-3.0~-6.018.213.23171023灰色粘土夹砂-6.0~-8.017.010.689854灰色粘土-8.0~-11.518.212.810131055灰色亚粘土-11.5以下18.214.1816120二、水、土压力的计算本沉井采用排水法下沉，对于作用在井壁上的水、土压力，采用重液地压公式计算：pw+E=13h当h=0m，pw+E=0h=4.5m,pw+E=13*4.5=58.5kn/m2h=8.6m,pw+E=13*8.6=111.8kn/m2h=9.0m,pw+E=13*9.0=117.7kn/m2h=9.9m,pw+E=13*9.9=128.7kn/m2h=10.5m,pw+E=13*10.5=136.5kn/m2根据上述计算，绘制水压力、主动土压力图形，如下图：三、下沉计算1、沉井自重井壁钢筋混凝土容重按25KN/m3计，沉井重量为GK=（9.0*7.0*11-7.8*5.8*11.0）*25=4884KN2、摩阻力井壁侧面的摩阻力分布如图，单位摩阻力，按《上海市地基基础设计规范》规定：f=25-20KN/m2。hk=5*1/2+5.5=8.0m井壁总摩阻力：Ffk=Uhkf=(9.0+7.0)*8.0*17.5=4480KN下沉系数K=GK/Ffk=4884/4480=1.09≥1.05满足《规程》下沉要求。四、沉井竖向计算1、抽垫木时井壁竖向计算沉井在开始下沉特别是在抽垫木时，井壁会产生皆大的弯曲应力。沉井采用四个支承点，定位支撑点布置如图。（1）假定定位承垫木间距为0.7L，不考虑刃脚下回填砂的承载力，如图a所示。井壁单宽自重标准值：gk=(11.0*0.6-0.6*0.3/2-0.4*0.2)*25=160.75KN/m井壁单宽自重标准值：gs=1.27*160.75=204.15N/m支座弯矩：M支=-1/2*204.15*(9.0*0.15)2-1/2*5.8*204.15*(9.0*0.15-0.3)=-807.7KN.m跨中弯矩：M中=1/8*204.15*(9.0*0.7)2-807.7=205.1KN.m(2)、假定抽垫木时，先抽并回填部位已经压实变成支点。此时，沉井井壁支承在三个点上，如图b所示。支座弯矩：M支=-1/8*204.15*4.52=-516.87KN.m跨中弯矩：M中=0.07*204.15*4.52=289.4KN.m(3)配筋计算L10/H≤2，按深梁进行设计，根据《混凝土结构设计规范》，计算如下：因为L10H，内力臂：z1=0.6L10=0.6*9=5.4m刃脚底部：M中=289.4KN.m,As=M中/fyz1=289400/300*5.4=178.6mm2井墙顶部：M支=807.7KN.m,As=M支/fyz1=807700/300*5.4=498.6mm2求得的钢筋值较小，故按构造配筋已能满足要求。2、井壁的抗拉计算根据《规程》，由于本工程地基为土质均匀的软土地基，不必进行竖向拉断计算。五、刃脚计算1、刃脚外侧竖向钢筋计算本沉井采用排水法施工，井内无水，刃脚按第一种情况——沉井位于设计标高，刃脚下的土已挖空情况计算，如图。（1）外力计算井壁外水平侧向压力标准值如（2）内力计算及配筋1）刃脚跟部C——C截面弯矩的计算及配筋计算时，刃脚自重及井壁摩阻力略去不计。MC=1/2*1.27*128.7*0.62+1/2*1.27*(136.5-128.7)*0.62*2/3=30.6KN.m选择钢筋截面：M=30.6KN.m，h0=555mm,b=1000mm,αs=M/α1fcbh02=30600000/(1.0*11.9*1000*555*555)=0.00835ζ=0.0084AS=188mm2AS,min=0.2%*600*1000=1200mm2,按构造配筋，AS=1200mm2,选用8φ14。2）、槽下口D——D截面弯矩计算及配筋MD=1/2*1.27*117*1.52+1/2*1.27(136.5-117)*1.52*2/3=185.7KN.m选择钢筋截面：M=185.7KN.m，h0=355mm,b=1000mm,αs=M/α1fcbh02=185700000/(1.0*11.9*1000*355*355)=0.1239ζ=0.1326AS=1921mm2AS,min=0.2%*400*1000=800mm2,选用10φ16。2、刃脚内侧竖向钢筋计算按第二种情况——沉井已部分入土，刃脚内侧入土中60cm进行验算，计算简图如下：按β=ψ=300（取砂垫层内摩擦角）A=60cm,h=30cm,c=30cm,α=arctana/b=arctan600/300=630(1)水平作用力H的计算(2)井壁单宽重量设计值：gs=204.15KN/m(3)土反力：R=gs=V1+V2=204.15KN/mR=σc+1/2σb,σ=2r/(b+2c)V2=1/2σb=1/2*2*204.15*0.3/(0.3+2*0.3)=68.05KN/mH=V2tan(α-β)=68.05*tan(63-30)=44.16KN/m(2)内力计算及配筋1）刃脚跟部C——C截面弯矩的计算及配筋计算时，刃脚自重及井壁摩阻力略去不计。Mc=2/3aH=2/3*0.6*44.16=17.66KN.m选择钢筋截面：M=17.66KN.m,h0=555mm,b=1000mm,αs=M/α1fcbh02=17660000/(1.0*11.9*1000*555*555)=0.00482ζ=0.00483AS=108mm2AS,min=0.2%*600*1000=1200mm2,按构造配筋，AS=1200mm2,选用8φ14。2）、槽下口D——D截面弯矩计算及配筋MD=(2a/3+0.9)H=(2./*0.6+0.9)*44.16=57.41KN.m选择钢筋截面：MD=57.41KN.m，h0=355mm,b=1000mm,αs=M/α1fcbh02=57430000/(1.0*11.9*1000*555*355)=0.0383查表得ζ=0.039AS=565mm2AS,min=0.2%*400*1000=800mm2,按构造配筋，AS=800mm2,选用6φ14。刃脚配筋见图。六、井壁水平框架的内力计算及配筋（封底前）采用弯矩分配法进行计算1、框架分配系数在计算框架分配系数时，单位刚度i按净跨计，由于各跨梁的材料相同，各截面的h相等，故用相对值计算：i=640*840/LSBA'=iBA'=640*840/320=1680,SBC=SCB=4iBC=4*640*840/840=2560,SCD'=iCD'=640*840/320=1680分配系数：μBA'=1680/（1680+2560）=0.396,μBC=2560/（1680+2560）=0.604,μCB=2560/（1680+2560）=0.604,μCD'=18600/（1680+2560）=0.396CBC=0.5,井壁水平框架计算图弯矩分配系数图注:A',D'分别为AB,CD的中点2、弯矩分配固端弯矩（当q=10KN/m时）：MBA'=10*3.22/3=34.1KN.m,MCB'=10*8.42/12=58.8KN.m,跨中弯矩（当q=10KN/m时）：MA'B=MD'C=10*6.42/8=51.2KN.m,MBC中=10*8.42/8=88.2KN.m,当q=10KN/m时,弯矩分配及弯矩图如下：不同部位的弯矩见表。标高-5.0m，qs=1.27*58.5=74.3KN/m标高-9.1m，qs=1.27*111.8=142.0KN/m刃脚顶面以上1.5t=0.9m,标高-9.5~-10.4m,qs=1.27*[(117+128.7)/2+(128.7+136.5)/2*0.6]=257KN/m+34.1-58.858.8-34.1+9.78+14.92-14.92-9.78-7.46+7.46+2.95+4.51-4.51-2.95-2.25+2.25+0.892+1.316-1.316-0.892-0.68+0.68+0.27+0.41-0.41-0.27-0.21+0.21+0.08+0.12-0.12-0.08-0.06+0.06+0.025+0.037-0.037-0.025-0.019+0.019+0.01+0.01-0.01-0.01+48.11-48.11+48.11-48.11井壁水平框架弯矩表（设计值）序号框架位置标高（m）荷载qs(KN/m)MA′B(KN.m)MBC(KN.m)MBC中(KN.m)MCB(KN.m)MD′C(KN.m)110.03.1-48.140.1-48.13.12-5.074.323.0-357.4297.9-357.423.03-9.1142.044.0-683.0569.4-683.044.04-9.5~-10.4160.649.8-772.6644.1-772.649.8井壁水平框架弯矩表（标准值）序号框架位置标高（m）荷载qs(KN/m)MA′B(KN.m)MBC(KN.m)MBC中(KN.m)MCB(KN.m)MD′C(KN.m)110.03.1-48.140.1-48.13.12-5.058.518.1-281.4234.6-281.418.13-9.1111.834.7-537.8448.3-537.834.74-9.5~-10.4123.838.4-595.6496.5-595.638.43、按承载能力极限状态进行井壁配筋标高0.00~-5.0m的井壁，根据标高-5.0m处下沉时的内力，配置水平钢筋。竖向钢筋的配置，可按构造配筋。标高-5.0~-9.10m的井壁，根据标高-9.1m处下沉时的内力，配置水平钢筋。竖向钢筋的配置，可按构造配筋。标高-5.0~-9.10m的井壁，根据标高-9.1m处下沉时的内力，配置水平钢筋。竖向钢筋的配置，可按构造配筋。标高-9.4~-11.0m的刃脚部分，根据该段下沉时在水平荷载（平均值）作用下产生的内力，按框架配置水平钢筋。关于井壁水平配筋的计算结果见下表井壁配筋计算表井壁配筋计算表井壁位置b(mm)h0(mm)M(KN.m)αsζAs(mm2)AsAS,MIN(mm2)配筋标高-5.0m以上AB,CD跨中100055523.00.00630.006313912008φ14固端A,D,B,C1000555357.40.09750.1028226322639φ18AD,BC跨中1000555297.90.08130.0849186818688φ18标高-5.0m~-9.1mAB,CD跨中100055544.00.01200.012126612008φ14固端A,D,B,C1000555683.00.18630.20804578457810φ25AD,BC跨中1000555569.40.15530.16973737373710φ22标高-9.5m~-10.4mAB,CD跨中900