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1、9 沉井结构,本章概要(1)沉井结构的概念、特点及应用；(2)沉井设计一般要求及施工工艺；(3)沉井结构的类型与构造；(4)沉井结构的施工计算；(5)沉井施工引起的土体移动。,9.1 概述,9.1.1 沉井结构的概念、特点及应用 概念：沉井结构主要以其施工方式命名，简言之，就是将已建的“井”通过某种方法“沉”到地下或水下的一定位置处后修筑而成的一种地下结构。具体来说，先在地表制作成一个井筒状的结构物，然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，借助井体自重及其它辅助措施而逐步下沉至预定设计标高，再浇筑底板、内部结构和顶盖，从而完成地下工程的建设。,特点：沉井结构的刚度大，承载力高，抗渗能力强，可直接
2、作为施工时的挡土和挡水结构物，不需要另设围护，且占地面积小，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，适合近接施工；适应土质范围广，施工操作简便，技术上比较稳妥可靠，特别是近年来沉井的施工技术和施工机械都有了很大改进，如触变泥浆润滑套法、壁后压气法、钻吸排土及中心岛式下沉等施工技术，能较好地解决施工过程中的下沉困难、流砂、倾斜等问题；作为基础，其埋置较深，稳定性和抗震性能好，能支承较大的荷载。,应用：作为永久性地下构造物使用的地下储油罐、地下气罐、地下泵房、地下沉淀池、地下水池、地下防空洞、地下车库、地下变电站、地下料坑等多种地下设施，作为盾构隧道施工中的临时性工作井(盾构机械的搬入、组装、进发、到
3、达、解体、管片及场地)、盾构设备的接收井和永久性的隧道通风井、排水泵房井等，作为桥梁墩台、重型厂房和各种工业构筑物的深基础。大型沉井可用于地下工厂、车间、地下车库、地下娱乐场所等地下空间开发，大型浮运沉井可用来建造海上石油开采平台。,1999年竣工通车的江阴长江大桥北锚超大沉井，其平面长69 m、宽51 m，面积足有10个篮球场大，下沉深达58 m，下沉过程长达20个月。,江阴长江大桥北锚超大沉井,江阴长江大桥,9.1.2 沉井设计一般要求,沉井平面尺寸与形状力求简单对称，可使受力合理，施工方便；长短边之比越小越好，有利于保证下沉时的稳定性。沉井棱角处宜做成圆角或钝角，可使沉井在平面框架受力状
4、态下减少应力集中，减少井壁摩阻面积和便于吸泥(不至于形成死角)。沉井顶面襟边的宽度不应小于沉井全高的1/50，且不得小于200 mm。浮式沉井另加200 mm。为便于沉井制作和井内挖土出土，一般沉井应分节制作，每节高度不宜大5 m，且不宜小于3 m。沉井底节高度除应满足拆除支承时沉井纵向抗弯要求之外，在松软土层中下沉的沉井，底节高度不宜大于0.8b(b为沉井宽度)。如沉井高度小于8 m，地基土质情况和施工条件都允许时，沉井也可一次浇成。,9.1.3 沉井的施工步骤,图9.2为沉井施工步骤示意图。依次为：(1)场地平整(或筑岛)，铺垫木、制作底节沉井；(2)拆模，刃脚下一边对称地抽出垫木、一边填
5、塞砂土；(3)均匀开挖下沉沉井，底节沉井下沉完毕，接筑第二节沉井，继续开挖下沉并接筑下一节井壁；(4)下沉至设计标高，进行清基和封底处理，并施工井内设施，直至封顶。,图9.2 沉井施工步骤示意图(a)筑岛、铺垫木、制作沉井底节；(b)抽除支承垫木；(c)挖土下沉；(d)清基及封底1-袋装粘土筑岛护壁；2-填土；3-铺设垫木；4-边对称抽除垫木，边回填砂土；5-封底混凝土；6-沉井顶板,9.2 沉井结构的类型与构造,虽然，随着地下连续墙结构的兴起，许多地下工程可用地下连续墙施工。但是沉井结构的单体造价较低，主体的混凝土都在地面上浇筑，质量较易保证，不存在接头的强度和漏水问题，可采用横向主筋构成较
6、经济的结构体系。因此，在一定的场合下，沉井是一种不可取代的较佳方案。,9.2.1 沉井结构的类型,(1)按下沉环境可分为陆地沉井(包括在浅水中先筑岛制作的沉井)和浮运沉井(用于深水中施工的沉井)；(2)按沉井平面形式可分为圆形、椭圆形、正方形、矩形和多边形等；也可分为单孔和多孔沉井，如图9.3所示；(3)按沉井构造形式可分为独立沉井和连续沉井(用于隧道工程，见图9.4)；(4)按沉井制作材料可分为混凝土、钢筋混凝土、钢、砖、石以及组合式沉井等。,图9.3 沉井按平面形式分类(a)圆形单孔沉井；(b)正方形单孔沉井；(c)矩形单孔沉井；(d)矩形双孔沉井；(e)椭圆形双孔沉井；(f)矩形多孔沉井
7、,图9.5 连续沉井的节段,图9.5 独立沉井的构造,9.2.2 沉井结构的构造,沉井一般由下列各部分组成：刃脚、井壁、内隔墙、取土井、凹槽、封底、顶板等，如图9.5所示。(1)井壁井壁是沉井的主要部分，应有足够的的强度、刚度及厚度。井壁厚度应根据结构强度、施工下沉需要的重力、便于取土和清基等因素而定。设计时通常先假定井壁厚度，再进行强度验算。井壁厚度一般为0.41.2 m。有战时防护要求的，井壁厚度可达1.51.8 m。但钢筋混凝土薄壁沉井、钢模薄壁浮式沉井的壁厚不受此限。井壁的外壁有多种形式，如图9.6所示。,图9.6 沉井外壁的形式(a)、(b)竖直；(c)、(d)台阶形；(e)锥形；(
8、f)倒锥形,(2)刃脚刃脚为井壁下端部分，一般做成刀刃状，如图9.7(a)所示，故称为“刃脚”。其作用在于减小沉井的下沉阻力，使之能在自重作用下切土下沉。刃脚的脚底水平面称为踏面，踏面宽度b=0.350.7 m，软土地基取大值，斜面倾角=40o 60o。当沉井下沉较深且土质较坚硬时，刃脚面常以型钢(角钢或槽钢)加强见图9.7(b)；在坚硬地基上且需要用爆破方法清除刃脚下障碍物时可采用钢板刃脚，并不设踏面而直接做成尖角见图9.7(c)。刃脚的高度应视井壁的厚度确定，并应考虑便于抽拔垫木和挖土，一般干封底时取0.6 m左右，湿封底时取1.5 m左右。,图9.7 沉井刃脚的构造(a)混凝土刃脚；(b
9、)角钢刃脚；(c)钢板刃脚,(a),(b),(c),(3)内隔墙内隔墙的主要作用是增加沉井在下沉过程中的刚度并减小井壁跨径。同时又把整个沉井分隔成多个施工井孔（取土井），使挖土和下沉可以较均衡地进行，也便于沉井偏斜时的纠偏。内隔墙的间距应满足井筒内挖土机械的操作要求，一般应使井筒短边大于挖土机张口尺寸0.51.0 m左右且一般不小于3m；考虑到内隔墙既要对刃脚悬臂起支撑作用，又不宜受到土的支承，妨碍沉井下沉，因此一般要求隔墙底面高出刃脚底面0.51.0 m。但当沉井穿越极软弱的土层时，为防止沉井“突沉”，也可将内隔墙底面做成与刃脚底面平齐。内隔墙厚度一般为0.5 m左右。内隔墙下部应设过人孔(
10、见图9.5)，便于施工人员在各井筒之间往来。过人孔尺寸一般为0.8m1.2m1.1m1.2m左右,(4)凹槽沉井内槽设凹槽是为了使封底混凝土嵌入井壁，形成整体，使传至沉井壁上的力能更好地传递给封底混凝土底面。同时，当遇到意外困难，还可在凹槽处浇筑钢筋混凝土盖板，将沉井改为沉箱。凹槽水平方向深约0.150.25 m，高约1.0 m左右，其底面距刃脚底面一般在2.5m以上。,(5)射水管组、探测管、气管和压浆管 射水管组：当沉井下沉较深，土的摩阻力估计较大，下沉会有困难，可在沉井壁中埋设射水管，管口设在刃脚下端和井壁外侧，必要时可向射水管压入高压水把井壁四周和刃脚下的土冲松，以减少摩擦力和端部阻力
11、。射水管应均匀布置在井壁横向四周，并将其连成沿沉井平面中轴线对称的相互独立的4组。这样通过每组水管的压力大小和水量可调整沉井的下沉方向和下沉速率。高压水的水压一般不小于0.6 MPa，每一射水管的排水量不小于200 L/min。,探测管：在平面尺寸较大，且不排水下沉较深的沉井中可设置探测管。一般采用直径200500 mm的钢管或在井壁中预留管道。作用是探测刃脚和内隔墙底面下的泥面标高，清基射水或破坏沉井正面土层以利下沉；沉井水下封底后，可用作刃脚和内隔墙下封面混凝土的质量检查孔。气管：当采用空气幕下沉沉井时，可沿井壁外缘埋设内径25 mm的硬塑料管作为气管。当下沉困难时，可向井壁四周的气管中压
12、入高压空气，此高压空气沿井壁上的喷气孔喷出，并沿井壁外表面上升溢出地面，从而在井壁周围形成空气幕，从而达到减小下沉阻力的目的。,压浆管：当采用泥浆套技术下沉沉井时使用。压浆管的设置有外管法和内管法。外管法是在井壁内侧或外侧布置管径为3850 mm的压浆管，间距为34 m，一般用于薄壁沉井；内管法是在井壁内预留孔道，其间距为34m，一般用于厚壁沉井。压浆管的射口宜设在沉井底节台阶顶部处，射口方向与井壁周围须成45斜角；在射口处应设射口围圈，防止压浆时直接冲射上壁和减少压浆出口处的填塞。射口围圈一般可用短角钢制作。,(6)封底及顶盖沉井下沉到设计标高，基底经校验能满足设计要求后，用混凝土浇筑底板，
13、称为封底。当井中的水能被排干，即渗水量上升速度小于或等于6mm/min时，排干水后用C15或C20普通混凝土浇筑，称为干封底；当井中的渗水量上升速度大于6mm/min时，宜采用导管法浇注C20级水下混凝土封底，称为湿封底。封底厚度按其承载力条件计算确定，一般其顶面应高出凹槽0.5 m。封顶即沉井最好进行的顶盖施工。一般采用钢筋混凝土顶板，厚度一般为1.02.0 m，配筋由承载力计算和构造要求确定。对用混凝土填芯的沉井可用素混凝土顶板。特殊地段可取消封顶，如局部的阳光大厅、小型广场等，这是由建筑功能决定的。,9.3 沉井结构的施工计算,9.3.1 下沉系数验算 当沉井全部尺寸初步拟定后，应验算沉
14、井自重是否能克服下沉阻力而顺利下沉，用下沉系数K1表示：式中 G沉井自重(kN)；F地下水对沉井的浮托力(kN)。排水下沉时为零，不排水下沉时取总浮托力的70%；T沉井下沉总阻力(kN)，为外井壁摩阻力Tf与刃脚、内隔墙或底梁阻力Rv之和；K1下沉系数(1.051.25)。位于软弱土层中宜取下限值，位于坚硬土层中可取上限值。,外井壁单位面积摩阻力f随深度而变化。一般假定从地表到5m深度范围内按直线规律由零增加至最大值，超过深度5m以后均为常数值，如图9.8所示。因此，Tf按下式计算：式中 U沉井外壁周长(m)；H沉井的入土深度(m)；f 土对外井壁的单位面积摩阻力(kPa)。当下沉深度内有多层
15、土时，按下式取值：,图9.8 沉井外井壁摩阻力分布图,式中 fi 不同土层的单位面积摩阻力(kPa)。其值与土的 种类及物理力学性能、井壁材料及其表面的粗 糙程度等有关，可根据实践经验、实测资料来 确定。如无资料，对下沉深度不超过30m的沉 井，可参考表9.1选用。hi不同土层的相应厚度(m)。,刃脚、内隔墙或底梁阻力Rv按下式计算：式中 Ar刃脚、内隔墙或底梁的计算支承面积(m2)，刃脚 斜面按水平投影面积的一半计，其他全算；fu沉井底部地基土的极限承载力(kPa)，可按表9.2 取值。,下沉系数近似等于1.0，说明这个井的设计是比较经济的。万一在下沉过程中发生困难，可采用施工上的一些措施，
16、如压重、多挖土或事先用泥浆套等。实际上沉井的沉降系数在整个下沉过程中，不会是常数，有时可能大于1.0，有时接近于1.0，有时会等于1.0。如开始下沉时必大于1.0，在沉到设计标高时应近于1.0。在分节浇筑分节下沉时，就在上节沉井混凝土浇筑完毕而还未开始下沉时，保持K1.0，并具有一定的安全系数。,9.3.2 抗浮稳定验算在沉井下沉至设计标高，浇筑封底混凝土或底板后直至沉井内部结构、设备安装及顶盖施工完毕，所需时间可能较长，沉井底板下的水压力能逐渐增长到静力水头，从而对沉井产生最大的向上浮托力，因此应进行抗浮稳定计算。工程实践表明，沉井上浮时土的极限摩阻力很大，故在计入井壁摩阻力的情况下，抗浮稳
17、定验算公式为：1.051.10 式中 K2抗浮安全系数；G相应阶段沉井的总重(kN)；Tf井壁与土体间的极限摩阻力(kN)，可按式(9.2)计算；F施工阶段的最高水位计算浮力(kN)。,抗浮系数K2的大小可由底板的厚度来调整。所以一般不希望该值过大，以免造成浪费。对于浮力的取值，在地下结构设计中历来是有争论的问题之一。实践证明，在江河之中或沿岸施工的沉井，或是埋置于渗透性很大的砂土内的沉井，其水浮力即等于静力水头。然而在黏性土中，其浮力究竟多大，尚缺乏较好的验证。偏安全仍按静力水头计算。,算例1：,某连续沉井，井壁高8m，厚0.8m，长28m，井壁刃脚踏面宽0.4m，其他构件见表1。当井壁下沉
18、至顶面与地面齐平时，与井壁接触的土层有两层，上层是粘土，厚3m，对井壁单位面积摩擦力f1=10kN/m2；下层是中砂，对井壁单位面积摩擦力f2=15kN/m2，对刃脚踏面的单位面积阻力fr=100kN/m2。请：1）计算井壁的平均摩擦力f0；2）按5m内三角形分布，计算井壁的总摩擦力Rf；3）按刃脚踏面均布、斜面三角形分布，计算刃脚总阻力Rr；4）计算表1中各构件重量及沉井总重量G；5）计算此时沉井的下沉系数K1，并进行评价。,解：1）平均摩擦力 kN/m2 2)井壁总摩擦力 Rf=228(8-2.5)13.125=4042.5 kN3)刃脚总阻力 Rr=228(0.4+0.4/2)100=3
19、360 kN 4)各构件重量及沉井总重量G 计算，见下表：,5)下沉系数评价：K1大于1.2，且富余较多，说明能够保证顺利下沉，但可能下沉过快而发生倾斜，且经济性不是很好。分),算例2：,某大型圆形沉井，外直径D=65 m，入土深度26.5 m，底板浇筑完毕后的自重为650000 kN，已知井壁土壤间的平均摩擦力f0=20kN/m2，且5m内按三角形分布。那么：1）如果封底时的地下水静水头为24m，此时沉井的抗浮系数多大？能否满足施工期间的抗浮稳定性要求？2）若不满足，则采取降低地下水位措施，则需要将地下水位降低多少，才能使抗浮系数达到1.1？3）若使用期间沉井的抗浮系数要求不小于1.2，那么
20、该沉井竣工后顶盖加内部结构重量需要配多少？,解：1）井壁摩擦力：R=U(h02.5)f0=3.1465(26.52.5)20=97868 kN浮力：Q=whwA=10243.14652/4=795990 kN抗浮系数 1.05故不满足施工期间的抗浮稳定性要求。,2）设需要降低水位x(m)，则浮力Q应为：kN对应的静水头 m 则x=2420.5=3.5 m,3）沉井竣工后顶盖加内部结构重量需要配重为W(kN)，由 得：W=1.2QGR=1.279599065000097868=207320 kN,9.3.3 沉井刃脚验算,沉井刃脚部分可分别作为悬臂或水平框架验算其竖向及水平向的弯曲强度。9.3.
21、3.1 按悬臂梁计算刃脚竖直方向的挠曲强度(1)刃脚向外挠曲计算在沉井下沉途中，刃脚内侧已切入土中深约1m。且沉井顶部露出水面较高时，刃脚因受井孔内土体的横向压力而在刃脚根部水平断面上产生最大的向外弯矩，这是设计刃脚内侧竖向钢筋的主要依据(见图9.9、图9.10)。,图9.9 在刃脚上的外力,图9.10 刃脚下土的反力Rv,在井壁的水平方向取一个单位宽度，计算作用在刃脚外壁上单位宽度上的土压力E和水压力W。作用在刃脚单位宽度上的摩阻力T1，取T1=Etan0.5E和T1=fiA的较小值。其中为土体与刃脚外壁的外摩擦角，一般土在水中的外摩擦角可用26.5，tan26.50.5；fi为土与刃脚外壁
22、之间的单位摩阻力，按表9.1取值；A为刃脚外壁与土接触的单位宽度上的面积，即A=1h=h(h为刃脚高度)。,求刃脚底面单位宽度上土的垂直反力Rv，可按Rv=G-Tf计算。其中G为沿沉井外壁单位周长(单位宽度)上的沉井自重，其值等于该高度沉井的总重除以沉井的周长；在不排水挖土下沉时，应在沉井总重中扣除淹没在水中部分的浮力(见图9.10)。Rv的作用点见图9.11，假定作用在刃脚斜面上的土体反力的方向与斜面上的法线成角，为土体与刃脚斜面之间的外摩擦角(一般取=30)。作用在刃脚斜面上的土体反力可分解成水平力U与垂直力V2，刃脚踏面上的垂直反力为V1。假定V2为三角形分布，则V1和V2的作用点距刃脚
23、外壁的距离分别为a/2和a+b/3，则由Rv=V1+V2，V1/V2=2a/b，b=(t-a)/h，可求得V1和V2及其合力Rv的作用点。,图9.11 在刃脚斜面上的土体反力,作用在刃脚斜面上的水平反力假定为三角形分布，其合力为U=V2tan(-)，U的作用点在距刃脚底面1/3高处。其中为刃脚斜面与水平面所成的夹角。刃脚单位宽度的重力g按g=ch(t+a)/2计算。其中一般取c=25 kN/m3，若不排水下沉，则应扣除水的浮力。求得图9.9中作用在刃脚上的所有外力的大小、方向和作用点之后，即可求算刃脚根部处截面上每单位周长(单位宽度)内的轴向压力N、水平剪力Q及对截面重心轴的弯矩M。并据此计算
24、在刃脚内侧的钢筋(竖直)数量。,(2)刃脚向内挠曲计算当沉井已沉到设计标高，刃脚下的土已被掏空，这时刃脚处于向内挠曲的不利情况，如图9.12所示。可按此情况确定刃脚外侧竖向配筋。作用在刃脚上的外力，可沿沉井周边取一单位宽度来计算，计算步骤和上述(1)的情况相似。,图9.12 刃脚向内挠曲,计算刃脚外侧的土压力和水压力。土压力与上述(1)的情况相同。水压力可按下例情况计算：当不排水下沉时，刃脚外侧水压力值按100%计算，内侧水压力按50%计算，但也可按施工中可能出现的水头差计算；当排水下沉时，在不透水的土层中，可按静水压力的70%计算，在透水的土层中，可按静水压力的100%计算。由于刃脚下的土已
25、被掏空，故刃脚下的垂直反力Rv和刃脚斜面水平反力U等于零。作用在刃脚外侧的摩阻力T1、刃脚单位宽度的自重g也与上述(1)的计算方法相同。根据以上计算的所有外力，可以算出刃脚根部处截面上单位周长(单位宽度)内的轴向压力N、水平剪力Q及对截面重心轴的弯矩M。并据此计算刃脚外侧需布设的竖向钢筋数量。,9.3.3.2 按封闭的水平框架计算刃脚水平方向的挠曲强度,按封闭的水平框架计算，可求得刃脚内水平向的钢筋数量。当沉井下沉到设计标高，刃脚下的土已被掏空时，刃脚将受到最大的水平力。图9.13表示刃脚沿井壁竖直方向割取的单位高度所形成的水平框架，作用在这个水平框架上的外力计算与上述计算刃脚竖直方向挠曲强度
26、的方法相同。,图9.13 矩形沉井刃脚的水平框架,可根据以上计算的M、N和Q即可计算配置刃脚内的水平向钢筋。为便于施工，不必按正负弯矩将钢筋弯起，直接布置成内、外两道水平向钢筋。沉井刃脚相当于是三面固定、一面自由的双向板。上述简化计算，一方面看作固定在刃脚根部处的悬臂梁，另一方面又将刃脚视为一个封闭的水平框架。因此，作用在刃脚侧面上的水平外力将由悬臂梁和框架来共同承担，也就是说，作用在刃脚侧面上的水平外力一部分由悬臂梁承担，另一部分由水平框架承担。设悬臂梁和水平框架的荷载分配系数分别为1、2，则按变形关系导出的1、2计算公式如下：,上述公式适用于当内墙刃脚踏面高出外壁不超过0.5 m，或当刃脚
27、处由隔墙或底梁加强，且隔墙或底梁不高于刃脚踏面0.5 m的情况，否则全部水平力都由悬臂梁承担，即1=1.0。,9.3.4 沉井井壁计算,混凝土厚壁沉井由于井壁的厚度较大，除刃脚外，可不进行验算；混凝土薄壁沉井的井壁应根据实际可能发生的情况进行验算。沉井井壁应进行竖直和水平两个方向的内力计算。9.3.4.1 竖直方向内力计算在沉井的下沉过程中，当沉井被四周土体嵌固着而刃脚下的土已被掏空时，应验算井壁接缝处的竖向拉应力。假定接缝处混凝土不承受拉应力而由接缝处的钢筋承受，此时钢筋的抗拉安全系数可采用1.25。从井壁受竖向拉应力的最不利条件考虑，井壁摩阻力可假定沿沉井全高按倒三角形分布，见图9.14，
28、此时最危险的截面在沉井入土深度的1/2处，此处井壁所承受的最大竖向拉力为此时沉井全部重力G的1/4。,图9.14 井壁竖向受力图,实际工程中，沉井被卡住较为常见，也出现过被拉裂的情况，这与各土层的情况和施工方法等多种因素有关，并且被卡住沉井的外力分布也不可能如上述所假定的那么理想。因此建议沉井井壁的竖向拉力按沉井结构和影响范围内的建筑物安全等级参考表9.3取值并进行验算，同时满足最小配筋率要求。,表9.3 沉井竖向拉力取值及其最小配筋率,9.3.4.2 水平方向内力计算根据排水或不排水的情况，沉井井壁在水压力和土压力等水平荷载作用下，须按沉井下沉至设计标高，刃脚下的土已被掏空，井壁受最大水平外
29、力的最不利情况，将井壁作为水平框架验算其水平方向的挠曲。(1)验算刃脚根部以上，其高度等于该处井壁厚度t的一段井壁(见图9.15)，依此设置该段的水平钢筋。因这段井壁是刃脚悬臂梁的固定端，因此除承受自身所受的水压力W和土压力E外，还承受由刃脚悬臂传来的水平剪力Q1，即作用在该段井壁上的荷载q(kN/m)为：,根据以上计算出来q值，既可以按框架分析求刃脚根部以上t高度范围内的最大弯矩M、轴向压力N和剪力Q，并设计该段井壁中的水平钢筋。,9.15 沉井井壁计算简图,(2)其余各段井壁的计算，可按井壁断面的变化，将井壁分成数段，取每一段中控制设计的井壁(位于每一段最下端的单位高度)进行计算。作用在框
30、架上的荷载q=W+E，然后用同样的计算方法，求出水平框架的最大弯矩M、轴向压力N、剪力Q，并据此设计水平钢筋，将水平钢筋布置于全段上。,9.3.5 沉井底节验算,沉井底节即沉井的第一节。沉井底节自抽除垫木开始，刃脚下的支承位置就在不断变化。9.3.5.1 排水或无水情况下下沉的沉井由于可以直接看到挖土的情况，沉井的支承点比较容易控制在使井体受力最为有利的位置上。对于圆端形或矩形沉井，当其长边大于1.5倍短边时，支承点可设在长边上，两支点的间距等于0.7倍长边(见图9.16的1点)，以使支承处产生的弯矩与长边中点处产生的弯矩大致相等，并按照此条件验算沉井自重所引起的井壁顶部混凝土的拉应力。若验算
31、混凝土的拉应力超过容许值，可加大底节沉井的高度或按需要增设钢筋。,图9.16 支点在1点的沉井,图9.17 支承在2点、或3点上的沉井,9.3.5.2 不排水下沉的沉井由于不能直接看到挖土的情况，刃脚下土的支承位置很难控制，可将底节沉井作为梁，并按下列假定的不利支承情况进行验算：假定底节沉井仅支承于长边的中点(见图9.17的3点)，两端悬空，验算由于沉井自重在长边中点附近最小竖截面上所产生的井壁顶部混凝土拉应力。假定底节沉井支承于短边的两端点(见图9.16的2点)，验算由于沉井自重在短边外引起的刃脚底面混凝土的拉应力。,9.3.5.3 沉井底节的最小配筋率钢筋混凝土不宜少于0.1%，少筋混凝土
32、不宜少于0.05%。沉井底节的水平构造钢筋不宜在井壁转角处有接头。因为沉井下沉过程中井孔内的土体未被挖出，增加了沉井的下沉阻力，使井壁产生拉力，为防止转角处拉力过大，钢筋布置要求较为严格。,9.3.6 沉井底板计算,9.3.6.1沉井底板荷载计算沉井底板下的均匀反力为沉井结构的最大自重除以沉井的外围底面积。在计算沉井底板下的均布反力时，一般不考虑井壁侧面摩阻力。由于封底混凝土产生裂缝，造成漏(渗)水，通常水压力全部由钢筋混凝土底板承受。计算水头高度应从沉井外最高地下水位面算到钢筋混凝土底板下面，同时应扣除底板的自重。沉井钢筋混凝土底板下的均布计算反力应取上述土压力和水压力中数值较大者进行结构的
33、内力计算。,9.3.6.2 沉井底板内力计算 沉井钢筋混凝土底板的内力可按单跨或多跨板计算。沉井底板的边界支承条件，应根据沉井井壁与底梁的预留凹槽和水平插筋的具体情况决定。在底板周边具有牢固连接的情况下，可视为嵌固支承；否则，可视为简支。对于矩形及圆形沉井，底板的内力可按有关的建筑结构静力计算手册进行计算。,9.3.7 沉井封底计算,沉井下沉至设计标高时，应进行基底检验和沉降观测，满足设计要求后，即可进行封底。封底混凝土的反力分布很复杂，为计算简便，一般简单地将其当作支承于刃脚斜面及内隔墙上的周边支承板考虑，至于各边的支承情况(简支或嵌固)和计算强度应视具体情况而定。9.3.7.1 计算规定
34、在施工抽水时，封底混凝土应承受基底水和土的向上反力，此时混凝土的龄期不足，应降低容许应力；沉井井孔用混凝土填实时，封底混凝土应承受基础设计的最大基底反力，并计入井孔内填充物的重力；封底混凝土的厚度，一般建议不宜小于1.5倍井孔直径或井孔短边边长。,9.3.7.2 干封底施工法如果沉井刃脚停留在不透水粘土层中，如图9.18a所示，可采用干封底方法施工。但必须注意，若不透水粘土层的厚度不足，可能会被底层含水砂层中的地下水压力顶破。因此，必须满足下例计算条件方能采用干封底法。式中 A沉井底部面积(m2)；土的有效重度，即浮重度(kN/m3)；hs刃脚下面不透水粘土层厚度(m)；c黏土的粘聚力(kPa
35、)；U沉井刃脚踏面内壁周长(m)；w水的重度(kN/m3)；Hw透水砂层的水头高度(m)。,在沉井内设吸水鼓并有良好滤层的情况下降水，一直降到钢筋混凝土底板足够承担地下水回升后的水土压力，方可拆除并封闭降水管(见图9.18b)，这种情况亦可采用干封底法。,图9.18 沉井可干封底的情况(a)刃脚下有足够厚不透水粘土层；(b)能可靠降水至底板混凝土达到足够强度,9.3.7.3 水下封底法及封底混凝土厚度计算在沉井内渗水量上升速度大于6mm/min或出现流砂的情况下，宜采用水下混凝土封底法。封底的厚度，除应满足沉井抗浮要求外，还应考虑沉井封底后井内抽水时，井外水土压力不致将该封底混凝土顶破。水下封
36、底混凝土按素混凝土的强度进行计算。封底要求是：(1)计算工况在沉井封底后，将井内水排干，在钢筋混凝土底板尚未施工前，封底混凝土将可能受到最大水压力作用，按其向上作用的荷载(即地下水压力减去封底混凝土重量)作计算值。在沉井内设吸水鼓降水的情况下干封底，在钢筋混凝土底板未施工前，便停止降水，使地下水回升，其计算也同上述情况。,(2)计算方法由于水下封底混凝土不便直观检查，且当井内渗水量的上升速度较大时，其浇注质量不易保证，所以最好不出现拉应力。因为底面的地基反力是通过封底混凝土沿与竖向成45的分配线传至井壁和内隔墙上去的，因此若两条45的分配线在封底混凝土内或板底面上相交，如图9.19a所示，封底
37、混凝土内应不会出现拉应力；若两条45分配线在封底混凝土板底面上不相交，如图9.19b所示，则应按简支支承的双向板、单向板或圆板计算，其计算跨度L，即为图9.19b中所示A、B两点间的距离。,当沉井的刃脚较短时，则应尽量将中央锅底挖深些，如图9.20所示，这样可形成倒拱。水下混凝土封底一般均按简支板计算，当井内有隔墙或底梁时，可按分格计算。,图9.19 水下封底混凝土(a)底板不出现拉应力；(b)按简支板计算,(a),(b),图9.20 沉井锅底倒拱图,周边简支支承的圆板承受均匀荷载时，可按下式计算板中心的最大弯矩值式中 p静水压力形成的每米板宽计算荷载(kN/m)；r圆板的计算半径(m)；混凝
38、土的泊松比，一般取1/61/5。周边简支支承的双向板承受均布荷载时(见图9.21)，可按下式计算跨中弯矩Mx和My：式中 x、y分别Mx和My的弯矩系数，按表9.4采用；L矩形板计算跨度中的较小者(m)。,图9.21 简支支承双向板计算简图,求出弯矩值后，封底混凝土的厚度可按下式计算：式中 ht封底混凝土的厚度(m)；Mm封底混凝土在最大均布反力作用下的最大计算弯矩(kNm)；K设计安全系数，可采用1.75；ft混凝土抗拉强度设计值(kPa)；b计算宽度，可取1m；hu考虑封底混凝土因与井底泥土掺混而需要增加的厚度，宜取0.30.5 m；若基底采取铺块石或碎石灌浆抹平处理后再封底，可不考虑此增
39、加值。,封底混凝土抗剪计算。如图9.22所示，封底混凝土在基底向上反力的作用下，在沉井内侧面迎面上产生最大的剪应力，若该剪应力超过混凝土的容许纯剪应力时(一般不考虑封底混凝土与井壁间的粘着力)，则应加大封底混凝土的抗剪面积，如在井壁和隔墙内设置凹槽等。,图9.22 封底混凝土的抗剪计算简图,9.4 沉井施工引起的土体移动,沉井在下沉过程中，不可避免地会引起沉井周围土体移动，其主要原因有：由于开挖井内土体，开挖面释放了原有土体的自重应力，使井底土体失去三维平衡条件，引起井底土体移动；由于井壁外预留空隙，引起井周土体移动；由于沉井在下沉中经常纠偏，扰动土体，引起井周土体移动；井底产生流砂引起土体的
40、移动；井底不透水层厚度不足，承压水引起土体的移动；沉井制作时，由于地基承载力不够，引起土体的移动；等等。,9.4.1 沉井的影响周围,沉井下沉对四周的影响范围一般可采用土坡坍滑区范围的计算结果乘以重要性系数按下式确定：式中 L、H分别为沉井下沉对四周的影响距离和沉井下 沉深度(m)；沉井四周土体的加权平均内摩擦角()，采用 固结快剪值；影响范围内建筑物安全等级的重要性系数：一、二、三级分别取2.5、2.0、1.8。,根据工程实践经验，在软弱土层中仅按式(9.14)计算还难以确定影响范围，因此，在软弱土层中下沉沉井除应将式(9.14)计算的距离适当扩大些外，还应加强对周围重要设施的现场定时观测，
41、及时分析处理。当沉井影响范围内有建筑物或其他设施时，必须对这些建筑物及设施采取了确保安全的有效措施后，方能施工。,9.4.2 减少沉井对周围土体影响的措施,增大沉井的下沉系数，在软土中下沉沉井时，可使沉井刃脚插入土中0.53.0 m，以阻止土体从井外向井向涌入。在粉细砂土层中下沉沉井时，应事先在周围采用压浆固结。如邻近没有一、二级建筑物时，可先采用喷射井点或深井降水使粉细砂土固结后，再下沉沉井，避免产生因管涌和流砂导致地面下沉。在井外流砂层未固结的情况下，应避免采用从井内明排水施工。如沉井外流砂层固结困难时，也可采用不排水下沉沉井。必要时，还可提高井内的水头，使井外的流砂无法涌入井内。不排水下沉沉井最好由潜水员配合，使其开挖、下沉均匀。沉井周围塌陷较严重时，应及时进行回填，以防止因沉井四周土压力不均匀，引起沉井发生过大倾斜等。在沉井等地下工程施工前应作好充分准备，施工速度要快，沉井沉至设计标高后应尽快浇筑底板，以防土体暴露面因地基较差而产生蠕动和失稳，使土体破坏范围扩大等。沉井下沉影响范围内的重要建筑物应采取桩基或地下连续墙等加固措施，防止土体破坏向建筑物方向延伸，以确保建筑物的安全。,
