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沉井设计细则安徽省交通规划设计研究院前言在我们的工程中经常遇到沉井，大多用于炼钢及轧钢的一次沉淀池中。从前的设计一般是根据某些参考书及前人的设计实例进行的，统一性不够完善。中国标准化协会标准《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137:2002）已于2003年出版发行，为了让设计人员对此有所了解，更好地进行沉井设计及方案选择，特举办本次技术讲座。第一节概述一．定义把不同截面形状的井筒或箱体，按边排土边下沉的方式使其沉入地下，即沉井或沉箱。也有人把沉井称为开口沉箱，把沉箱称为闭口沉井。二．沉井的特点1．施工场地占地面积小、出土量少、成本低、可靠性好;2．适用土质范围广，淤泥土、砂土、粘土、砾砂等均可施工；3．施工深度大，最大深度可达100m；4．施工给周围地层中造成的位移小，对临近建筑物的影响小。三．用途适用于地下构筑物及深基础，如地下泵房、地下沉淀池、地下车库、地下料坑等。四．沉井的组成井壁—挡土、挡水，一般情况下作为永久结构刃脚—切土，保证沉井下沉隔墙—以永久结构的隔墙作为沉井的支撑，用以减小计算跨度底梁—在软土土层中下沉，为防止下沉不稳定，起到增加阻力的作用沉井的形状有矩形、圆形及椭圆形五．沉井的施工简介1．施工工序清理场地→测量放线→开挖基坑→铺设砂垫层、垫木→制作井筒→设置降水井点或挖排水沟、集水井→抽取垫木→挖土、下沉→封底→浇筑底板砼2．开挖方式水挖法、干挖法、中心岛法水挖法即不排水开挖法，这种方法的特点是沉井内、外的水位基本一致。该法适用于渗水量大的砂层等不稳定地层，可避免排水造成的涌砂等不良现象。1）抓斗法，该种方法因抓不到刃脚下方的土体，是利用沉井自重使刃脚下方的土体崩塌而下沉。该法使用于软土地层，当土层强度高时，如密实的砂层，则不适用；2）水利机械法，用高压水枪破土，用泥浆泵通过排泥管排泥，优点是能冲挖到刃脚斜面处的土体，缺点是冲挖范围不易控制；3）钻吸法先钻孔松动土体，然后向孔内射水冲挖，挖土范围易控制。干挖法即排水开挖法，适用于不易发生流砂或存在卵石、孤石的情况。排水工法简介：1）集水井排水法这种方法易发生流砂现象，由于排水致使周围土体压密，给沉井下沉也带来困难。2）外围排水法，这种方法是在沉井外围设置深井，在深井中插入水泵往外抽水，使地下水位降低。该法影响范围大，容易造成周围地面下沉；3）防渗墙法为防止因降水造成地面下沉，可在沉井外围设置防渗墙，防渗墙以外的水不会流入井内。3．封底分为干封底、湿封底两种方式。干封底即通过干挖法施、井底无水的情况下进行的封底。又分为施工底板前停止降水和施工底板后停止降水两种。若施工底板前停止降水则应通过计算确定封底砼厚度（稍后介绍）。湿封底即通过水挖法施工、井内有水的情况下进行的封底。因施工底板前需将井内的水抽干，封底砼要承受水浮托力的作用，其厚度需经计算确定。湿封底是通过导管进行水下砼浇筑，类似于泥浆护壁钻孔灌注桩或地下连续墙。第二节沉井尺寸的拟定1．据工艺要求确定沉井内净尺寸；2．井顶标高，高出开挖后的地面300mm以上。有时顶部有现浇板，通常预留一段井壁与顶板同时现浇；3．刃脚底标高，根据工艺标高、底板厚度及持力层来确定；4．壁厚，涉及到强度、裂缝宽度、下沉系数、下沉稳定系数、抗渗、抗浮等诸多因素，需逐项落实，最终确定壁厚。有时为增大下沉系数，需做成外台阶变截面形式，以降低井壁与土的摩阻力，同时也减少了材料量；还有时为减小下沉系数，需做成内台阶变截面形式，在不降低摩阻力的情况下降低自重，同时减少了材料量。第三节沉井结构上的作用及荷载分项系数一．永久作用1．结构自重标准值钢筋混凝土重度取25kN/m3，素混凝土重度取23kN/m32．侧向主动土压力标准值二．可变作用1．地面活荷载，分为地面堆载及车辆荷载，地面堆载一般按10kN/m2，车辆荷载根据车辆类型及及其轮压换算成均布荷载。2．地下水侧壁上的水压力标准值按静水压力计算，根据岩土工程勘察报告取最高水位进行计算。三．承载力极限状态强度计算的基本组合荷载分项系数结构自重1.20，对结构有利时1.00，仅自重时1.27沉井内水压1.27，对结构有利时1.00沉井外土压1.27，对结构有利时1.00地面活荷载1.40地下水压力1.27四．正常使用极限状态裂缝宽度的计算准永久组合准永久值系数地面堆载及车辆荷载0水、土压力1.0注意裂缝宽度计算公式按《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069—2002），不按混凝土结构设计规范。还应注意计算裂缝宽度使用的弯矩为准永久组合值，而非标准组合值，与混凝土设计规范不同。第四节水、土压力标准值计算1．水压力Fw=γwzw2.土压力Ka=tg2(45°-φ/2)φ—土的内摩擦角，取固结快剪峰值强度指标Fep,k=Kaγsz-2c√Ka3．水、土压力合算与分算合算、分算尚属学术界存在争议的问题，各地有各自的工程经验。工程界较为能接受的算法如下：无粘性土，水土分算粘性土，水土合算，不固结不排水抗剪强度指标；水土分算，固结不排水抗剪强度指标。建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）中，砂性土宜按水土分算，粘性土宜按水土合算，也可按地区经验确定。建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）中，碎石土、砂土水土分算，粉土、粘性土水土合算。上海基坑工程设计规程(DBJ08-61-97)中，宜按水土分算原则计算水、土压力，有工程经验时，也可按水土合算的原则计算。天津岩土工程技术规范（DB29-20-2000）中，宜按水土分算的原则计算，当有可靠经验时也可按水土合算的原则计算。浙江建筑地基基础设计规范（DB33/1001-2003）中，淤泥、淤泥质土，采用不排水强度指标和饱和重度水土合算；砂土，采用有效应力强度指标和有效重度水土分算，有工程经验时也可采用三轴固结不排水总应力强度指标水土合算。广东建筑地基基础设计规范（DBJ15-31-2003）中，对砂性土宜按水土分算，粘性土、淤泥质土宜按水土合算。夏明耀·地下工程设计施工手册中，对于砂土、粉性土和粉质粘土等渗透性较好的土层应采用水土分算；对于粘性土，分算、合算应具体对待，沉井、多道支撑的挡土结构宜水土分算。合算、分算，从理论上讲应按土的渗透性来确定，不透水的土层才可用水土压力合算。土力学中，土的渗透系数≤10-7cm/s定为实际上的不透水。我们的工程中，通常采用水土压力分算的原则，若需合算，应有充分的经验并经技术会议讨论。4．c、φ指标的选用建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）中，c、φ采用三轴试验固结不排水抗剪强度指标，有可靠经验时可采用直接剪切试验的固结不排水抗剪强度指标。上海基坑工程设计规程中，采用总应力抗剪强度指标，按三轴或直剪固结不排水峰值强度指标取用。水、土压力分算时，从理论上应采用有效应力抗剪强度指标c’、φ’计算土压力，但岩土工程勘察报告中一般不提供此参数。上海规程中通过对总应力参数c、φ及有效应力参数c’、φ’计算的土压力比较，两者基本相当，水、土分算时亦可采用总应力抗剪强度指标。在我们的工程中，一般采用直接剪切试验固结快剪总应力抗剪强度指标c、φ，若需采用三轴试验指标或有效应力指标，应进行讨论。5．重度水土分算时取土的浮重度，合算时取土的天然重度。第五节沉井的下沉计算1．井壁与土的摩阻力计算1）单位面积摩阻力选用我们在岩土工程勘察技术委托时，若可能存在沉井，通常要求勘察单位提供各土层的单位面积摩阻力。若报告中未提出，则参见沉井结构设计规程取值。在取值时，粘性土根据液性指数IL的高、低取其下、上限；砂、石土根据其标准贯入锤击数N或重型动力触探锤击数N63.5的高、低取其上、下限。2）摩阻力沿井壁外侧的分布2．下沉系数的计算kst=(Gk-Ffw,k)/FfkGk—沉井自重标准值Ffw,k—下沉过程中水的浮托力标准值Ffk—井壁总摩阻力标准值要求下沉系数kst≥1.05上海地基规范中，下沉系数1.05~1.25，位于淤泥质土层中取小值，其他土层中取大值。天津地基规范中，下沉系数1.05~1.15，位于软弱土层中1.05，其他土层中1.15。浙江地基规范中，下沉系数1.05~1.25，位于淤泥质土层中取小值，土质条件较好时取大值。其他地区参考上述取值，土质条件差（淤泥、淤泥质土）时1.05，其他1.25。下沉系数大时，应设置底梁以增加阻力，降低下沉系数。沉井在软弱土层中下沉，当下沉系数较大时（一般大于1.5），或在下沉过程中遇有特别软弱土层时，需进行下沉稳定验算，以防止突沉或下沉标高难以控制。kst,s=(Gk-F’fw,k)/(F’fk+Rb)kst,s—下沉稳定系数，0.8~0.9F’fw,k—水的浮托力标准值F’fk—井壁总摩阻力标准值Rb—沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载力之合地基土极限承载力在岩土工程勘察报告中查取，未提供时按沉井结构设计规程查取，见下表：对每一种土是取上限还是下限，根据液性指数、标贯值等来判别，还可以用土的地基承载力特征值的2倍来比较。第六节抗浮验算抗浮问题常被忽略，沉井结构因其埋深大，承受的地下水浮托力大，设计中必须进行抗浮验算。抗浮验算分为封底阶段和使用阶段，按可能出现的最高水位验算。kfw=Gk/Fbfw,k≥1.0kfw—抗浮系数，计入侧壁摩阻力时，kfw≥1.25Fbfw,k—水浮托力标准值1．封底阶段当沉井沉至设计标高并浇筑封底砼后应进行抗浮验算，Gk包括井壁及封底砼自重标准值;若在底板施工后停止降水，则Gk包括井壁、封底砼及底板砼自重标准值，此时要求封底砼与底板砼间以插筋连接。若抗浮不能满足要求，则应延长降水时间，再增加其他结构自重来加大抗浮系数。若仍不能满足要求，则应考虑拉锚等措施。2．使用阶段Gk除井壁、封底砼及底板砼自重外，再增加其他结构自重，如内筒、顶板、抹坡砼等。第七节沉井井壁计算一．圆形沉井沉井结构是个空间体系，实际中简化为平面体系计算其内力及配筋，而以构造措施来保证其空间整体工作。按平面结构内力计算的方法是沿沉井竖向切取1m高的井壁，在水、土压力作用下，如同一个水平框架。沉井沿深度方向荷载逐渐加大，截面也可能变化，应截取若干段进行计算，以降低钢筋用量。在井筒稳定下沉条件下，井壁所承受的荷载为均布荷载，计算的弯矩不大，一般只需构造配筋。但由于井壁外土质及扰动程度并不均匀，且在下沉过程中总要发生偏斜，从而使井壁在同一水平圆环上的土压力呈不均匀分布，导致井壁弯矩加大。目前采用的方法是将井体视作不均匀压力作用下的封闭圆环，取其1/4进行计算，假定90°圆环两端土的内摩擦角差值为5°~10°，我们的工程中所遇到的旋流池采用10°。圆环上的压力取上、下端的平均值。刃脚以上高度等于壁厚的圆环单独计算除承受水、土压力外，还要承受刃脚传来的剪力。上述为人工计算方法，我们现在拥有SAP2000通用计算软件，可用它进行沉井的空间结构计算。二．矩形沉井沿沉井竖向截取1m高的水平框架，尽量多取，荷载取每段上、下端的平均值。刃脚以上高度等于壁厚的一段，除承受水、土压力外，还要承受刃脚传来的剪力。考虑支座宽度的因素，支座弯矩可进行折减：M支=M1-ΔMM支—支座边缘处弯矩M1—支座中心处的计算弯炬ΔM—弯炬折减值，ΔM=1/3Vb，ΔM＞0.3M1时，取0.3M1V—支座边缘处的剪力b—支座宽度矩形沉井亦可用SAP2000通用计算软件进行沉井的空间结构计算，可发现沿高度方向内力的变化，从而进行配筋优化。三．裂缝宽度及配筋计算以不包括地面活荷载的弯矩标准值计算裂缝宽度，注意用沉井结构设计规程中的公式，裂缝宽度不超过0.25mm。以包括地面活荷载的弯矩设计值计算配筋，注意将弯矩标准值乘以荷载分项系数，水、土压力1.27，地面荷载1.4。四．竖向弯曲计算沉井下沉前，抽除支承垫木的过程中，将使沉井落置在几个定位垫木上，将沉井壁看作竖向的梁进行弯曲计算，按规程中的几种情况计算。即算出弯炬后，计算井壁顶面及刃脚底面的纵向受拉钢筋。As=M0/(0.9fyh0)As=M0/(fyz)（按深梁时，L/h≤2.5）M0以自重标准值乘以1.27算得五．竖向抗拉验算沉井下沉至接