PDF《8 沉井与沉箱结构》

8

8 沉井与沉箱结构 沉井与沉箱结构 8.

1 概述 本讲内容 8.2 沉井结构 8.3 沉箱结构 定义:这种利用结构自重作用而下沉入土的井筒状结构 物就称 沉井 . 所谓沉井,实质上就是将一个在地面筑成的 半成品 8.1 概述 所谓沉井,实质上就是将一个在地面筑成的 半成品 沉入土中,然后在地下完成整个结构物的施工. P167 先在地表制作成一个井筒状的结构物(沉井),然后 在井壁的围护下通过从井内不断挖土,使沉井在自重作用 下逐渐下沉,达到预定设计标高后,再进行封底,构筑内 部结构 与基坑法修建地下结构物的区别 沉井在施工过程中,井壁成了阻挡水、土压力,防止 土体坍塌的围护结构,从而省去大量的支撑和板柱工程, 减少了土方开挖量. i) 躯体结构刚性大,断面大,承载力高,抗渗能力强, 耐久性好,内部空间可有效利用;

ii) 施工场地占地面积小,可靠性良好;

沉井(沉箱)的结构特点 ii) 施工场地占地面积小,可靠性良好;

iii) 适用土质范围广;

iv) 施工深度大;

v) 施工时周围土体变形较小,对邻近建筑物的影响小;

vi) 具有良好的抗震性能. 近年来,沉井式结构已逐渐发展成为土层内地下构筑物常用 的结构形式之一.沉井式结构用途很多,例如,自来水厂、 电厂和化工厂的水泵房,地下沉淀池和水池;

地下热电站、 用途: 电厂和化工厂的水泵房,地下沉淀池和水池;

地下热电站、 地下油库、地下掩蔽体、车间、仓库等等.此外,也应用作 地下铁道、水底隧道等各种设备井.如通风井、盾构拼装井、 车站、区间段连续沉井等. 8.2 沉井结构 P168 施工步骤 P168 (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;

(2)按沉井构造形式可分为独立沉井和连续沉井 ;

8.2.1 沉井的类型 P169 (2)按沉井构造形式可分为独立沉井和连续沉井 ;

(3)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(见图8-1);

(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. 沉井平面结构示意 沉井长度主要考虑各段沉井的不均匀沉降、变温影响和混 凝土凝固收缩应力等因素加以确定. 这里着重介绍隧道连续沉井及人防沉井. A 隧道连续沉井 凝土凝固收缩应力等因素加以确定. 沉井横断面的宽度应由隧道的几何设计来确定,一般应能 容纳所需车道、风道、检修走道等. 沉井高度主要由车道的净空要求确定.同时还要考虑路面 铺装、车道板、吊顶结构以及相邻沉井间沉降差等所 需高度. 使用阶段隧道截面示意图 防水接头构造图 施工阶段连续沉井示意图 防水接头构造图 P170 在城市内常需大量建造各种类型及各种等级的人防工事. 在埋深较大,不能采用大开挖施工时,可采用沉井 施工. B 平战结合用的人防工事沉井 P171 施工. 图8-3 矩形沉井 人防工事结构剖面 图8-3 矩形沉井 顶层结构平面图 图8-3 矩形沉井 底层结构平面图 P171 沉井一般由下列各部分组成(图8-4):井壁(侧壁);

刃脚;

内隔墙,封底和顶盖板,底梁和框 架. 8.2.2 沉井的构造 P172 沉井的构造 井壁是沉井的主要部分,应有足够的厚度与强度,为了 承受在下沉过程中各种最不利荷载组合(水土压力) 所产生的内力,在钢筋混凝土井壁中一般应配置两 A 井壁 所产生的内力,在钢筋混凝土井壁中一般应配置两 层竖向钢筋及水平钢筋,以承受弯曲应力.同时要 有足够的重量,使沉井能在自重作用下顺利下沉到 设计标高.因此,井壁厚度主要决定于沉井大小、 下沉速度以及土壤的力学性质. 直墙形.其优点是周围土层能较好地约束井壁,易于控 制垂直下沉.接长井壁亦简单,模板能多次使用. 阶梯型、内侧阶梯型. 沉井井壁形式 a)、(b)竖直的;

(c)、(d)台阶形的;

(e)锥形的;

(f)倒锥形的 沉井外壁的形式 井壁最下端一般都做成刀刃状的 刃脚 .刃脚的主要功用 是减少下沉阻力.刃脚还应具有一定的强度,以免下 B 刃脚 P173 沉过起中损坏. 刃脚底的水平面称为踏面(见图8-6).踏面宽度一般为 10~30cm,视所通过土质的软硬及井壁厚度而定. a―混凝土刃脚;

b―设角钢的刃脚;

c―尖刃脚 图8-6 沉井刃脚的踏面形式 P173 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 C 内隔墙 (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. 内隔墙的间距一般不大于5~6m,厚度一般为0.5~1.0m. 一般要求隔墙底高出刃脚底面0.5~1.0m. 当沉井下沉到设计标高,经过技术检验并对坑底清理后, 即可封底,以防止地下水渗入井内.封底可分湿封 底(即水下浇筑混凝土)和干封底两种.内隔墙的 D 封底及顶盖 P173 底(即水下浇筑混凝土)和干封底两种.内隔墙的 间距一般不大于5~6m,厚度一般为0.5~1.0m. 如在特殊情况下,预计有可能需改用气压沉箱时,亦 可预设凹槽,以便必要时在该处浇筑钢筋混凝土盖 板,此时将沉井改成了沉箱. 在比较大型的沉井中,如由于使用要求,不能设置内隔墙, 则可在沉井底部增设底梁,并构成框架以增加沉井 在施工下沉阶段和使用阶段的整体刚度. E 底梁和框架 在施工下沉阶段和使用阶段的整体刚度. 松软地层中下沉沉井,底梁的设置还可防止沉井 突沉 和 超沉 ,便于纠偏和分格封底,以争取采 用干封底.但纵横底梁不宜过多,以免增加结构造 价,施工费时,甚至增大阻力,影响下沉. 沉井结构在施工阶段必须具有足够的强度和刚度,以保证 沉井能稳定、可靠地下沉到拟定的设计标高.待沉 8.2.3 沉井的结构计算 到设计标高,全部结构浇筑完毕并正式交付使用后, 结构的传力体系、荷载和受力状态均与沉井在施工 下沉阶段很不相同.因此,应保证沉井结构在这两 阶段中均有足够的安全度. P174 A 沉井建筑平面布置的确定;

B 沉井主要尺寸的确定和下沉系数的验算. 沉井结构设计的主要环节可大致归纳如下: i) 参考已建类似的沉井结构,初定沉井的几个主要尺寸, 如沉井平面尺寸、沉井高度、井孔尺寸及井壁厚度等, 并估算下沉系数,以控制沉速;

ii) 估算沉井的抗浮系数,以控制底板的厚度等. C 施工阶段强度计算 i) 井壁板的内力计算;

ii) 刃脚的挠曲计算;

iii) 底横梁、顶横梁的内力计算;

iv) 其它. iv) 其它. D 使用阶段的强度计算(包括承受动载) i) 按封闭框架(水平方向的或垂直方向的)或圆池结 构来计算井壁并配筋. ii) 顶板及底板的内力计算及配筋. 确定沉井主体尺寸后,即可算出沉井自重,并验算沉 井在施工中是否能在自重作用下,克服井壁四周 A 沉井下沉系数的确定 土体摩擦力和刃脚下土的正面阻力顺利下沉.设 计时可按 下沉系数 估算.

25 .

1 10 .

1 1 ? ? ? ? ? ? r j R R G K

0 0 F f Rf ? ? n n n h h h h f h f h f f ? ? ? ? ? ? ? ? ?

2 1

2 2

1 1

0 P175 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1.0,一般保持在 1.0--1.25左右.

1 K

1 K

1 K )

5 .

2 0 (

0 ? ? h U f Rj P175底部为何 -2.5?? 沉井沉到设计标高后,即着手进行封底工作,铺设垫层 并浇筑钢筋混凝土底板,由于内部结构和顶盖等还 未施工,此时整个沉井向下荷载为最小.待到内部 B 沉井抗浮稳定验算 未施工,此时整个沉井向下荷载为最小.待到内部 结构,设备安装及顶盖施工完毕,所需时间可能很 长,而底板下的水压力能逐渐增长到静力水头,会 对沉井发生最大的浮力作用.因此,验算沉井的抗 浮稳定性,一般可用抗浮系数 表示:

1 .

1 05 .

1 2 ? ? ? ? ? Q R G K j

2 K P178 抗浮系数 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. 在江河之中或沿岸施工的沉井,或是埋置于渗透性很

2 K 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 粘性土中,其浮力究竟多大,尚缺乏较好的验证.同样 关于井壁侧面摩擦力在抗浮时能否发挥作用,如何合理 取值,各方面亦无统一的结论.有的认为抗浮计算时该 摩擦力不能计入,只能作为附加的安全度来考虑. 已建的各种沉井一般都没有上浮现象.这说明: ①沉井上浮时土的极限摩擦力很大,而一般设计估用 的数值往往偏小,因此在验算上浮稳定时以计入 井壁摩擦力较为合理;

井壁摩擦力较为合理;

②在粘性土中,因它的渗透系数很小,地下水补给非 常缓慢,沉井的浮升也必然极为缓慢,在发生明 显浮升之前,内部结构、设备、顶盖等重量己经 作用上去,故不再存在浮升问题. 井壁刃脚部分在下沉过程中经常切入土内,形成一悬臂 C 刃脚计算 P179 作用,因此必须验算刃脚部分向外和向内挠曲的悬 臂状态受力情况,并据此进行刃脚内侧和外侧竖向 钢筋和水平钢筋的配筋计算. 第一种情况,刃脚向外挠曲的计算 用一次下沉的沉井,在刚开始下沉时,刃脚下土体的正 面阻力和内侧土体沿着刃脚斜面作用的阻力有将刃 脚向外推出的作用.这时沉入深度较浅,井壁侧面 脚向外推出的作用.这时沉入深度较浅,井壁侧面 的土压力几乎还未发生. P180 图8-8 沉井刃脚计算模式 ①计算井壁自重――沿井壁周长单位宽度上的沉井自重 (按全井高度计算),不排水挖土时应扣除浸入水 中部分的浮力;

②计算刃脚自重 ――按下式计算: a h g ? ? ? ? 计算步骤如下;

g ③计算刃脚上的水、土压力 ―主动土压力可按朗肯理 论计算:

2 a h g k ? ? ? ? 混凝土 )

2 45 ( tan2 ? ? ? ? k h E 土E第二种情况,刃脚向内挠曲,配置外恻竖直钢筋. 当沉井沉到设计标高,为利于下沉,刃脚下的土常被 掏空或部分挖空,井壁传递的自重全部由壁外土体 摩擦力承担,而此时井壁外侧作用最大的水、土压 P182 摩擦力承担,而此时井壁外侧作用最大的水、土压 力,使刃脚产生最大的向内挠曲 P182 图8-10 刃脚外侧竖向钢筋的计算模式 施工阶段井壁计算,须按沉井在施工过程中的传力体系合理 确定其计算图式,随后配置水平和竖直方向的两种钢筋.由D施工阶段井壁计算 P183 于沉井形状各异,施工的具体技术措施亦不尽相同,因此应 按其具体情况作出分析与判断. i)沉井支承在两点 定位垫木 上时 D.1 计算图式 图8-11 沉井抽承垫木的计算模式 ii)沉井支承在三支点上时 图8-12 三支点两跨连续梁 沉井偏斜之后,必须及时纠偏,此时产生了纵向弯曲并 使井壁受到垂直方向拉力.由于影响因素复杂,难以进 D.2 井壁垂直受拉计算――井壁竖直钢筋验算 行明确的分析与计算,因此在设计时一般假定沉井下沉 将达设计标高时,上部井壁被土夹住,而刃脚下的土已 全部掏空,形成 吊空 现象,并按此 吊空 现象来 验算井壁的杭裂性或受拉强度. 作用在井壁上的水土压力 ,沿沉井的深度是 变化的,因此井壁计算也应沿井的高度方向分段计算.当D.3 在水土压力作用下的井壁计算――井壁水 平钢筋计算 W E q ? ? 变化的,因此井壁计算也应沿井的高度方向分段计算.当 沉井沉至设计标高,刃脚下的土已掏空,此时井壁承受最 大的水土压力.水土压力的计算和上述计算刃脚时的相同, 通常有水、土分算和水土合算两种.一般砂性土采用水、 土分算,粘性土采用水土合算,并采用三角形直线分布. 当沉井的平面尺寸较大时,常采用底横梁以减少底板的钢 筋........