沉井结构设计计算.docx

1、沉井结构设计计算沉井结构设计计算第一章 概述 第一节 沉井的涵义及应用范围 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用途的地下工程构筑物。沉并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，而沉井结构则是与这种施工方法相适应的工程结构。与沉井相类似，沉箱也是通过取除箱内土体使之沉到地下的一种工程结构，所不同的是沉箱在取除箱内土体的过程中，箱内必须保持一定的气压，使箱外的土和水不致渗入箱内，人员可在箱内进行取土作业。沉井则因可在水下取土而无需在井内加压，这是两者主要的区别之处。 沉井的应用范围一般有

2、以下几方面： 一、当构筑物埋置较深，采用沉井方式较经济时； 二、当构筑物埋置很深(如矿山的竖井)时，采用其他施工方式有困难，采用沉井最合适； 三、新建构筑物附近存在已有建筑物，开挖施工可能对已有建筑物产生不利影响，就应考虑使用沉井； 四、江心和岸边的井式构筑物，排水施工有困难时，采用沉井是最佳选择； 五、建筑物的地下室、拱管桥的支墩及大型桥梁的桥墩采用沉井结构都有成功实例。 第二节 沉井的特点 沉井作为建造地下工程构筑物或深基础的一种方法，与其他方法相比，具有十分明显的特点。 一、沉井与广泛应用的大开挖方法相比，特点如下： (一)如果大开挖不设支护，则不但土方工程量大，而且往往由于需留出开挖边

3、坡，使场地面积大大增加；沉井的土方工程量则可以限制在沉井的体积范围内，而且因为无需留出边坡，场地面积也可大大减少。 (二)沉井不但可以作为地下结构的外壳部分，而月在挖土下沉的过程中可作开挖支护。与设支护的大开挖方法相比，省去了开挖支护的费用。 (三)在地下水丰富的地区，大开挖方法的降水措施是必不可少的。这一措施需花费大量的人力与物力，而沉井施工方法则因町以采用水下挖十及水下封底等技术而节省了降水或排水的费用。 (四)对于一些深度较大的地下构筑物或深基础，大开挖法往往是不可能的或是费用巨大，此时，沉井的优点则是无法比拟的。深度越大，则沉井的优点就越为突出。二、沉井与沉箱相比，特点如下： (一)一

4、般情况下，沉箱法所需的专用设备多，而沉井法则因所需的专用设备比较简单而易于满足，所需费用也比沉箱法为小。 (二)沉箱法在作业过程中，箱内人员需在高于大气压力的条件下操作，其操作条件不如沉井法；而如下沉的深度较深，则需进步增加箱内的气压而使箱内的操作条件大大劣化。所以，沉箱的下沉深度是受到一定程度的限制的，一般不超过35-40in，而沉井的下沉深度则无此限制。 三、沉井法虽然具有一定优点，但在一些情况下，其应用也是受到一定程度的限制的,这表现在： (一)沉井在下沉的过程中，对周围一定范围内的土体将产生扰动，在一些土层中，这种扰动还相当严重，如果周边环境对这种扰动的反应敏感，则还必需采取环境保护措

5、施。 (二)在下沉深度范围内，沉井刃脚下必须无大块孤石、坚硬的土层或其他障碍物，否则沉井的下沉将受到严重的妨碍。一旦遇到上述障碍，无论是排水下沉与不排水下沉，在下沉过程中要处理这些障碍物是非常田难的。对于深度较深的沉井，要完全摸清刃脚下的情况也十分费力。 第三节 沉井技术的发展状况 沉井，这一由古老的掘井作业发展而来的技术，由于其在建造地下构筑物或深基础工程中显示的优越性，随着施工技术及施工机具的不断发展而获得越来越广泛的应用。从20世纪50年代借鉴国外的设计理论和经验开始至今，我国建造的沉井不下1000座。其体积从直径2m的集水井到巨大的江阴长江大桥的主索平衡墩(体积达60mx 58mx50

6、m)；沉井形状包括方形、矩形、多边形、圆形和椭圆形；构造方面有单壁沉井、双壁沉井、独立沉井和连续沉井；施工方法方面，则有陆地沉井、筑岛沉井和浮运沉井等。无论是设计理论方面或是实践技术方面均积累了十分丰富的经验。现在我国已有了自己的设计规程和施丁验收规范。在沉井技术的发展过程中，为使沉井能下沉到更深的深度，减少井壁与土层间的摩阻力这一课题受到了国内外的普遍关注。为达到这一日的，在井壁外喷射压缩空气和压注触变泥浆两种技术应用最为广泛，早在19461963年间，国外就采用喷射高压空气减阻的方法，使沉井的下沉深度达到130m以上。到20世纪70年代，采用此法的下沉深度达到了200m。应用触变泥浆套减阻

7、的方法首先在欧洲推广，至1961年，已经用这一方法下沉了450座沉井，深度为2030m，个别的达到45m，而由于减少了摩阻力，其井壁厚一般不超过O4m。1975年间，国外某公司建造了36座用此法下沉的沉井，其井壁厚一般也仅为04-o5m。上述我国江阴长江大桥主索平衡墩的沉井，也采用了喷射高压空气的减阻技术，此外，还有采用振动法减阻下沉的沉井，上述这些技术措施均获得了良好的效果。可以预料，随着工程应用范围的不断扩大，沉井的设计技术和施工技术必将得到更为迅速的发展。 第四节 沉井的分类及用途 沉井的类型较多，其用途也不相同，设计沉井时应根据沉井的用途和具体条件选用合适第2页第二章 材 料 第一节材

8、料选用 1干式沉井主体结构采用的混凝土强度等级不宜低于C20，受水浸泡的沉井主体结构的混凝土强度等级不低于C25，在严寒和寒冷地区混凝土强度等级不低于C30；水下封底混凝土强度等级不宜低于(220。海水环境和有侵蚀性物质影响环境的沉井，材料选用应符合有关标准的规定。 2凡有抗渗要求的沉井，壁板和底板混凝土抗渗等级按表2-11选用。 3，最冷月平均气温低于3的地区，外露的钢筋混凝土沉井的混凝土应具有良好的抗冻性能，并应按表2-1-2的要求采用。混凝土的抗冻等级应进行试验确定。 4沉井混凝土满足抗渗要求时，一般可不作外加的抗渗处理；当地下水和井内贮水对混凝土和钢筋具有腐蚀性时，按现行的有关规范或进

9、行专门试验确定防腐措施。 5沉井混凝土碱含量最大限值应符合混凝土碱含量标准(CECs53)的规定。当采用碱活性骨料时，混凝土中的最大碱含量为3Okgm3，采用非碱活性骨料时，对混凝土中的硷第6页含量可不作限制。 6沉井结构的混凝土根据需要可适当采用外加剂，采用外加剂时，应符合混凝土外加剂应用技术规范(GB 500119)的规定。 7普通钢筋可选用HPB235、HRB335及HRB400、RRIM00等热轧钢筋，对必须控制裂缝宽度的构件宜优先选用带肋钢筋。 第二节 材料强度和弹性模量 1混凝土标准强度、设计强度和弹性模量按表2-2-1-表2-2-3采用。第三章 沉井结构上的作用 第一节 作用分类

10、和作用代表值 一、作用分类 沉井结构上的作用可分为永久作用和可变作用两类。永久作用包括结构自重、上部建筑荷重、土的侧向压力、沉井内的静水压力；可变作用包括沉井顶板和平台上的活荷载、地面活荷载、助沉加载、地下水压力(侧压力、浮托力)、顶管的顶力、流水压力、融流冰块压力等。 二、作用代表值 对永久作用，应采用标准值作为代表值； 对可变作用，应根据设计要求采用标准值、组合值或准永久值作为代表值。 三、效应组合 当结构承受两种或两种以上可变作用时，承载能力极限状态设计或正常使用极限状态验算按短期效应组合设计，采用组合值为可变作用代表值。可变作用组合值为可变作用的标准值乘以作用组合系数。 当正常使用极限

11、状态验算按长期效应组合设计时，采用准永久值作为可变作用代表值。可变作用准永久值为可变作用的标准值乘以准永久值系数。 第二节 永久作用标准值 一、自重标准值选用 结构自重的标准值，可按结构构件的设计尺寸与相应材料的重度计算确定，钢筋混凝土重度一般取25kNm，素混凝土重度一般取23kNm3。上部建筑自重的标准值按实际情况计算。永久设备的自重标准值，可按设备样本提供的数据采用，在构件上的设备转动部分自重及轴流泵的轴向力应乘以动力系数作为标准值，动力系数可取2o。 二、作用在沉井壁上的侧向主动土压力强度标准值 主动土压力计算公式详见本手册第五章的第三节。 第三节 可变作用标准值和准永久值系数 一、地

12、面活荷载作用在沉井壁上的侧压力标准值 1地面活荷载呵分为地面堆积荷载和地面车辆荷载； 2地面堆积荷载作用在沉井壁上的侧压力强度标准值，可将该荷载标准值折算为等效第10页的土层厚度进行计算。当无明确要求时，地面堆积荷载标准值一般取10kNm2； 3地面车辆荷载作用在沉井壁上的侧压力强度标准值，为该荷载标准值传递到计算深度处的竖向压力标准值乘以计算深度处土层的主动土压力系数进行计算； 4地面堆积荷载和地面车辆荷载作用在沉井井壁卜的侧压力标准值取二者中的大值，准永久值系数可取o。 二、地下水(包括上层滞水)对沉井作用的标准值和准永久值系数 1沉井侧壁上的水压力标准值应按静水压力计算； 2，计算地下水

13、压力标准值的没计水位，应按施工阶段和使用阶段当地可能出现的最高和最低水位采用； 3水压力标准值的相应设计水位，应根据对结构的作用效应确定取最低水位或最高水位。当取最低水位时，相应的准永久值系数应取1o；当取最高水位时，相应的准永久值系数可取平均水位与最高水位的比值。 三、流水压力标准值 当沉井位于江心时，作用在沉并上的流水压力标准值，应根据设计水位按(331)式计算确定，流水压力分布如图331。流水压力的准永久值系数，参照本章第三节第二款确定。第四章 基本设计 第一节 沉井设计原则 一、各类沉井结构构件均按承载能力极限状态计算。 二、除刃脚外其他沉井结构构件在使用阶段均应进行正常使用极限状态验

14、算。对轴心受拉或小偏心受拉的构件按短期效应组合进行抗裂度验算，对受弯构件和大偏心受拉构件按长期效应组合进行裂缝宽度验算，对需要控制变形的结构构件按长期效应组合进行变形验算。 三、各种型式的沉井都要进行沉井下沉、下沉稳定性及抗浮稳定性验算，对于埋深不均的顶管井在必要时还要进行沉井结构的倾覆和滑移验算。 不同的稳定特性采用不同的设计系数，验算时，抵抗力应只计入永久作用(可变作用不应计入)，所有组合作用力均采用标准值。沉井设计特征系数见表个110第14页Qlk第一个可变荷载的标准值，该荷载的效应yQ，CQlQ1k大于其他任意第个 可变荷载的效应YOjCjOjk； Qjk-厂其他第j个可变荷载的标准值

15、； Cgi、cQl、cQi；分别为第i个永久荷载、第一个可变荷载、第个可变荷载的荷载效应系数； e可变荷载的组合值系数，一般情况下取o9。 2永久荷载分项系数，应按表4-2-1采用。第五章 沉井结构设计计算 沉井在下沉时，是一种工具性的围护结构，在终沉封底或填充后又常成为深埋基础或地下构筑物的组成部分。因此，在各个不同阶段，从制作、下沉直到建成投产使用，沉井各部位的传力体系、所承受的外力及作用情况都在不断变化。所以，沉井结构的设计计算应按从施工到使用的各个阶段分别依序进行，以保证沉井结构能满足在施工、运行等各个阶段的强度、刚度和稳定性的要求。 沉井施工阶段的训算，与所选定的施工方法有关，对于不

16、同的施工方案，它在施工阶段的设计计算内容也不相同。例如，相同的沉井，当采用排水取土下沉时，井壁所受到的水、土压力等外荷载就比采用不排水取土下沉时的情况要大。又如，当沉井采用触变泥浆润滑套助沉时，土壁对沉井的摩阻力将大大减少。 由于沉井在下沉施工阶段是无底无盖的筒状结构，当进行井壁结构计算时，通常在竖向截取单位高度(可选取数个不同深度)的一段，作为平面框架结构进行计算。如果沉井平面尺寸较大，难以满足强度和刚度要求，而在工艺、构造条件允许时，可加设内部支撑予以分隔，做成纵、横隔墙或撑梁，以及竖向框架等形式。此时，沉井结构先经过平面计算再作竖向计算。 沉井使用阶段的计算，是指构筑物全部建成，沉井已经

17、封底、填充或加盖，做好了内部隔墙及上部结构等，这时候结构传力体系及受力状态相对于施工阶段又有了变化，应再作为整体深基础或地下构筑物进行验算。 沉井各部位的截面及配筋，应综合各阶段最不利的受力状态进行设计。 第一节 设计计算的内容和步骤 一般的沉井结构设计计算的内容和步骤如下： 1根据水文、地质资料及工艺使用要求和施工条件，确定沉井的平面形状、尺寸、埋置(下沉)深度，布置结构体系，选定施工方案。 2，确定截面尺寸 计算外荷载，并绘出水、土压力计算图形。 根据结构布置，估算封底混凝土厚度。 初步确定沉井井壁厚度及其他一些部位构件的截面尺寸。 3施工阶段强度计算 并壁平面框架内力计算及配筋； 刃脚计

18、算及配筋； 井壁的竖向计算配筋； 竖向框架的内力计算及配筋；第19页框架底粱防突沉的强度验算； 计算沉井封底混凝土的厚度； 钢筋混凝土底板的计算及配筋。 4使用阶段计算 沉井结构各部分的强度计算和抗裂验算； 地基承载力及变形(沉降)计算； 沉井抗浮、抗滑移、抗倾覆稳定验算等。 第二节 沉井尺寸设计要点 一、井顶标高 沉井顶面的设计标高，除应符合工艺、使用要求外，由于在终沉后，尚需进行封底及内部充填、安装及上部建筑作业。故用于水中或岸边构筑物的井顶设计标高应高于施工期间最高水位(加浪高)o5m以上；用于人工筑岛或陆地制作的沉井，宜高于岛面或地面O3m以上，以防止地面水流入井内。一般情况下，沉井顶

19、面标高都应高于地面o3m以上。 二、沉井刃脚踏面标高 在确定沉井刃脚踏面设计标高(即埋置深度)时，应注意以下几点： 1用于地下或水中的空腹式构筑物，应按使用净空要求确定沉井刃脚踏面设计标高。 2根据抗冲刷计算，沉井的刃脚应埋置在冲刷线以下足够深度，并且满足抗倾覆、抗滑移等稳定性要求。 3根据地基承载力及变形(沉降)计算，选择较好的持力层。 4沉井在终沉时，刃脚踏面标高由于超沉或未到设计位置，按给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程规定的施工允许误差，应在设计时预留。 三、沉井平面尺寸 沉井在平面上的内部净空尺寸除应满足使用要求外，尚应计入沉井下沉的施工允许竖向偏斜和水平位移，而且两项偏差可能同

20、时存在。根据规范规定，沉井四角(圆形沉井为相互垂直两直径与圆周的交点)中任何两角的刃脚底面高差，不得超过该两角间水平距离的l，最大不得超过30Omm；如两角间水平距离小于l0m时，其刃脚高差允许为lOOmm。沉井的水平位移，不得超过下沉总深度的1，但下沉总深度小于lOm时，其水平位移允许为lOOmm。因此，按施工需要扩大沉井的平面尺寸，对于空腹式构筑物，应扩大内部净空尺寸；用于填充实体式基础可扩大外沿预留裙边的尺寸。 浮运沉井沉放时，其沉放至水下基床后，平面位置的偏差更大。 四、沉井井壁厚度和各部位的截面尺寸 沉井井壁厚度及各部位的截面尺寸应满足如下几个方面的基本要求： 下沉要求； 沉井结构在

21、各个阶段的稳定要求(如抗浮、抗滑移、抗倾覆)； 沉井结构在各个阶段的强度及刚度要求； 使用阶段的抗渗要求。第六章 沉井的结构布置及构造 第一节结构布置 一、沉井平面及竖向布置 沉井平面应尽町能对称布置，以利沉井稳定下沉。如果平面上不对称，造成沉井的偏心，令沉井作业困难，向哪边偏心就有可能向哪边倾斜。同样，沉井的竖向布置也应使重心尽可能居中。形状怪异的结构不适宜采用沉井。 二、矩形沉井长宽比 矩形沉井长宽比不宜大于2。当长宽比过大时，需要采取措施，以加强结构刚度。上海某水厂的二级泵房平面尺寸为59mxl6m，深度12m。设计时考虑到长宽比为368，20，设计要求施工时带一道纵墙和两道横墙厂沉。施

22、工单位执意不从，最终改成带一道纵墙下沉，取消两道横墙，即该沉井横向只有框架，如图611和图6-1-2所示。 当沉井下沉到还有3m就达到预定下沉标高时，发生突沉，其中某一只角下沉80cra，沉井的每个横向框架都发生裂缝。这是一例严重的教训，这样的沉井，不加强刚度，就难以抵抗施工因素造成的整体变形。 三、平面分格 不同的沉井，根据不同的使用要求，平面上会有不同的分格。沉井分格因有下沉操作要求，故分格的尺寸有所限制，通常每格的净尺寸不得小于3m。如果沉井作为顶管的工作井，其分格的尺寸尚应满足顶管工作井的要求。分格宽度B=3D+(2o-24m)，D为顶管的外径(m)，分格的长度一般不小于75m。 四、

23、刃脚布置 刃脚通常沿沉井外壁布置。当下沉系数太大时，中隔墙或底梁下面也适当布置刃脚以增加下沉阻力；当沉井尺寸比较大，考虑隔墙及底梁底受力要求，中隔墙下也应布置刃脚。某厂水泵房位于长江人海口，该工程由国外设计，地下部分采用沉井法施工。沉井长398m、第60页宽3945m、深162m，沉井井壁厚15-17m，井内还设有七道隔墙，总重约17500t，沉井构造如图6-1-3所示。刃脚沿沉井周边布置，中隔墙下无刃脚，施工时用砂包垫平。 该沉井在抽除刃脚下承垫木以后，就发生裂缝39条(其中：贯穿者27条。未贯穿者12条)，裂缝宽度02-04mm不等，最大达lmm。从裂缝部位来看，全部集中在七道隔墙上，尤其

24、在预留洞口两侧较集中，几乎每个洞口均出现裂缝，但在四周外墙上未发现裂缝。 尺寸这么大的沉井仅在周边设置刃脚是不妥当的，当拆除周边刃脚下的承垫木时，中隔墙承受悬臂力矩和剪力；沉井下沉时，中隔墙的正弯矩电很大。该沉井在抽垫木后及下沉过程中出现许多裂缝，都表明这座沉井刃脚的布置不合理。 第二节 刃脚形式和构造 一、刃脚形式 刃脚的形式一般有下列五种(见图6-2-1)。 a型刃脚适用于干封底情况，在无地下水地区可以采用，不适用于软土地区。 b型刃脚是常用的形式，适用带水下沉的沉井。 c型刃脚外壁设台阶，可以减少下沉阻力，适用下沉系数较小而难于下沉的沉井。第七章 沉井施工概要 第一节概要简述 沉井，是深

25、基础和地下工程的一种结构形式，也是常采用的施工方法之一。 沉井是在经过整平或处理的地基上制作的无盖、无底的结构物，采取不同的方式取出井内的土体，主要靠其本身重量克服井壁与土的摩阻力和刃脚下的阻力下沉到设计标高。经封底后形成的地下空间，可作为地下构筑物或作为基础使用。 沉井施工法，不仅适用于软土地基，在硬土、砂、砾石等土层也可应用。由于沉井是一种传统的施工方法，再加j：采用了新的技术，因而应用范围很广。但沉井在密集建筑群、管线复杂及环境保护要求高的地区使用，应采取特殊措施。 一、沉井特点 1沉井制作场地较为灵活，既可就地制作(包括在江边或江中围堰筑岛制作)，也可在滑道、拼装船上制作，尤其在水域里

26、，沉井这一特点是其他深基础难以取代的。 2沉井结构刚度大，井壁能承受井外的水土压力，取土时无需像地下连续墙或板桩那样需加设支护。 3同敞口基坑开挖相比，沉井的挖土量较少，深度越深，其优越性越明显。 4沉井不仅可以作为临时挡土隔水构筑物，更可作为结构本身或结构基础。其混凝土质量比在泥浆下浇筑的地下连续墙更可靠。 5. 沉井下沉时，对周围土体有扰动，因此，对在井周破坏棱体范围内的构筑物、管线，须采取有效措施，并进行必要的保护和监测。 二、施工工艺 沉井施工工艺包括施工准备、地基处理、井墙制作、沉井下沉、沉井封底五个大部分。沉井施工工艺流程详见图711。 三、施工要求 (一)沉井制作 1做地基处理，

27、控制砂垫层质量，使沉井第一次制作时的重量通过承垫木或素混凝土垫层扩散后的荷载小于下卧层地基土的承载力特征值。 2，为防止出现冷缝，应具备足够的混凝土熟料供应能力。 3当沉井为多次制作多次下沉时，每次接高都须满足沉井的稳定要求；即传送至刃脚下土层的荷载，应小于该层土的极限承载力。必要时须在井周回填砂土或向井内灌水，保持刃脚下土层的稳定性。 (二)沉井下沉 1-采用承垫木法施工时，应按施工组织设计中规定的先后顺序，对称、同步、协调地抽去第72页垫木，并在抽出垫木的空穴位置及时填砂。 2对于高压缩性的软土层，如淤泥质土，要严格控制“锅底O”深度，防止因“锅底”超深而引起沉井突然下沉。 3按确保沉井稳

28、定的需要掌握临界挖深。对沉井下沉过程中的基底隆起、管涌或承压水引起的不透水层穿破，下沉前要有预计，下沉时应严格掌握。 4，按勤测勤纠偏的原则进行沉井下沉。在终沉阶段，刃脚的标高差和平面轴线偏差，要始终控制在规范容许的范围内。 (三)沉井封底 1排水法施工封底(干封底) (1)沉井达到终沉标高后8小时的累计下沉量1cm时，可进行混凝土干封底； (2)干封底可采用分格浇筑方法，其浇筑顺序及每次浇筑格数，要根据下沉终止时的刃脚高差及井格内涌土情况而定； (3)封底前应将锅底整平，与封底混凝土接触的刃脚和井壁须凿毛并洗干净； (4)设置集水井，其四周应设倒滤层，并与排水沟相连； (5)集水井在混凝土达

29、到设计强度后方可封堵。对采用井点或井管降水措施的沉井，可酌情少设(或不设)集水井，但降水需在底板混凝土达到设计强度后方可停止运转。 2不排水法施工封底(水下封底) (1)与水下混凝土接触的刃脚及井壁、隔墙的混凝土面，需由潜水员水下冲洗干净，井清除井格中的泥渣； (2)浇筑水下混凝土时，需确保连续不断地供应混凝土熟料； (3)水下混凝土强度满足设计要求后方可抽除井内集水。第八章 沉井下沉过程中经常 发生的问题及处理 第一节 沉井井位偏差及纠偏 沉井下沉施工，要不断地纠正偏斜，将沉井沉到设计标高。在下沉过程中，不产生偏差几乎是不可能的，但将偏差控制在规范允许范围之内，甚至更小一些，则是完全可能的。

30、这就要求在下沉施工中，做到勤测勤纠，精心施工。 一、沉井下沉中的测量工作 在沉井第一节外模拆除后，尚未抽除承垫木之前，应在井顶及外壁混凝土表面用油漆标出纵横中线，纵横中线必须正交。 沉井测点应设在沉井四角。如果是圆形沉井，则可设在两互相垂直的直径与井壁的交点处。用油漆在测点垂直线上画出四个相同的标尺，标尺的零点应从刃脚底算起。如果四个零点不在同一平面上时，可以取最低点为零，其余各点的标尺应计人相应的高差。 井壁接高时，沉井接高各节的竖向中轴线，应与第一节的中轴线的延长线重合或平行(当沉井水平截面尺寸有变化时)。标尺则继续向上延伸。 沉井下沉时状态测量，应根据下沉速度决定，每班最少应测一次。如发现倾斜及位移较大时，应及时采取纠偏措施。 测量工作应以仪器观测为主，也可以