摘要：沉井是軟土地基中深基礎施工方法之一，系在地面制作、井內取土下沉至預定標高的構筑物。本文對凸字形沉井的結構設計進行了分析，用矩形沉井二次澆注凸字形隔墻和凸字形高低刃腳沉井兩種方案對泵房進行設計，介紹兩方法的設計要點和施工優(yōu)缺點。
一、凸字形泵房結構特點及沉井方案比選
1、工程概況
本文的實例為慈溪市市域污水治理一期（鄉(xiāng)鎮(zhèn)）污水支干管泵站工程觀海衛(wèi)泵站。泵房平面為“凸”字形，大頭部分為泵房，深13.8m，格柵間深10.8m，平面尺寸為17.2m×9.5m。
該泵房結構安全等級為Ⅱ級；設計使用年限為50年；采用天然地基，場地土為類別為IV類。
2、凸字形沉井設計方案對比
對該泵站沉井設計方案進行比選時，主要考慮了兩種方案，即矩形沉井二次澆注凸字形隔墻和凸字形高低刃腳沉井，下述簡稱矩形沉井和凸字形沉井。
a、矩形沉井：做一能包含柵間及泵房的矩形沉井，在矩形沉井施工完畢后，二次澆注凸字形隔墻，并從同一標高的封底上回填材料，達到工藝要求設計標高。
b、凸字形沉井：做一凸字形高低刃腳沉井，顧名思義就是沉井刃腳布置成凸字形，且刃腳底高程不同。
?。?） 矩形沉井方案優(yōu)缺點
矩形沉井是設計中處理這種泵房的常見方法。
其優(yōu)點是：埋置深度可以很深，整體性強、穩(wěn)定性好，能承受較大的垂直荷載和水平荷載；矩形沉井既是基礎，又是施工時的擋土水結構物，下沉過程中無需設置坑壁支撐或板樁圍壁，簡化了施工；沉井施工時對鄰近建筑物影響較小。
其缺點是：施工周期較長，施工技術要求高，易發(fā)生流砂造成沉井傾斜或下沉困難等。
?。?） 凸字形沉井方案優(yōu)缺點
凸字形沉井是設計中處理這種泵房新形的方法。
其優(yōu)點是：造價相對較低；沉井既是基礎，又是施工時的擋土和擋水結構物，下沉過程中無需設置坑壁支撐或板樁圍壁，簡化了施工；沉井施工時對鄰近建筑物影響較小。
缺點：凸字形高低刃腳沉井即將沉井設計成非圓、非矩、非方的平面形狀，形成平面為凸字形的結構形式；高低刃腳沉井是指同一沉井的刃腳高度不在同一水平面上，而是有一定的高差。這類沉井較規(guī)則沉井的制作難度大，且因自重分布不均勻、不對稱而易導致井體在下沉階段發(fā)生偏斜，給下沉控制提出了更高的要求，糾偏難度亦高于普通的規(guī)則沉井。
?。?） 結構方案技術、經(jīng)濟比較
矩形沉井與凸字形沉井的技術經(jīng)濟比較
?。?） 結構方案比選結論
針對該泵房的特點，我們在設計中采用了矩形沉井方案，優(yōu)點是完全滿足工藝要求，施工容易，適應復雜的地質情況，穩(wěn)定性好。其缺點是浪費建筑材料，增加造價。沒有采用凸字形沉井的主要原因是地質情況較為復雜，總體看土層分布不均勻，土層分界線起伏變化大。如土層分布均勻穩(wěn)定，土層分界線近似水平，地質情況良好的情況下，且施工單位經(jīng)驗豐富，凸字形沉井是值得推薦的方案。
二、凸字形泵房的沉井結構設計
1、矩形沉井結構設計方法
矩形沉井是規(guī)則沉井，上下開口而四面封閉，采用鋼筋混凝土結構。
?。?）矩形沉井的設計
沉井內在下沉階段不設隔墻，其設計主要進行以下兩個方面：一是下沉驗算；二是結構計算。
1）一般構造
井壁下端作成刀刃狀，稱為刃腳。刃腳踏面寬度一般為150～300mm，刃腳斜面與水平面的夾角一般為45°～60°。
井壁用鋼筋混凝土澆制而成，混凝土強度等級為C20以上，最小配筋率為0.15%，構造鋼筋的直徑不小于8mm；在井壁內側下端設有凹槽，和后澆底板連接。在軟土中下沉沉井，如發(fā)生下沉不止的現(xiàn)象，可在井壁的頂端設置一止沉圈梁。當沉井沉至預定標高時，用干作業(yè)或水中作業(yè)澆灌混凝土封底，其上在井壁凹槽高度澆筑鋼筋混凝土底板。
2）下沉系數(shù)計算
下沉系數(shù)按下式計算：
K0=（G-B）/Rf>(1.05～1.25)（2-1）3)井壁受力計算
假設全部荷載均由水平方向的閉合框架承受，外部荷載是井壁在該深度的水平土壓力Ei與水壓力Wi之和，見圖1-7。井壁水平應力計算：單孔矩形框架，見圖1-8，彎矩外側受拉為負，內側受拉為正。計算公式如下：
MAi=（-qiL2/12）×［（1+α2β）/（1+β）］（2-2）
MBi=0.125qiL2+MAi（2-3）
MCi=0.125qib2+MAi（2-4）
式中：MAi、MBi、MCi-i深度處，A、B、C截面的彎矩設計值，kN.m；qi-i深度處井壁所受水平荷載，kN/m；
井壁豎向拉力計算：Smax=0.25G（2-5）
式中：Smax-井壁的最大拉力，在沉井入土的一半處；G-沉井的自重。
4)沉井封底厚度計算
對于小形沉井，一般可取0.6～1.2m。鋼筋混凝土底板與井壁的連接，宜按鉸支承考慮，計算可參閱有關設計手冊[1]。
2、凸字形沉井結構設計方法
凸字形沉井是不規(guī)則沉井，上下開口而凸字形封閉，采用鋼筋混凝土結構。
?。?）凸字形沉井的設計
凸字形沉井，其設計方法及一般構造同矩形沉井基本一致。差異性是矩形沉井建立矩形閉合框架計算模形，而凸字形沉井需建立凸字形閉合框架計算模形。
?。?）凸字形沉井區(qū)別于矩形沉井的設計要點
根據(jù)凸字形沉井的特點，采用兩次制作、兩次下沉施工方案。沉井高低刃腳交接處以斜刃腳過渡，由于第一節(jié)沉井的質量分布不均，采用傳統(tǒng)有墊木支承制作。設計時，除驗算整體下沉系數(shù)外還驗算局部下沉系數(shù)。此外，由于沉井深度不同，因此除驗算整體抗浮外，還要驗算局部抗浮。為增加沉井的整體性，于沉井水平角部加設腋角，在沉井壁板頂、底部均配置了相當數(shù)量的縱向通長加強鋼筋。
三、凸字形沉井施工措施
1、沉井施工要點
沉井施工主要包括：沉井制作，沉井降水，沉井下沉，沉井封底四個步驟。
2、凸字形沉井施工中的具體措施
?。?）凸字形沉井的一般施工措施
凸字形沉井的一般施工措施同普通沉井一致。
?。?）凸字形沉井區(qū)別于普通沉井的施工措施要點
下沉前，應對沉井的形心、重心加以計算，并根據(jù)計算結果繪制開挖分區(qū)圖，以便指導初沉期的開挖。下沉初期，異形高低刃腳沉井的重心位置難以控制，極易在起沉時造成偏差，為此需進行連續(xù)的測量，使沉井平穩(wěn)下沉至設計標高處，保證施工質量滿足設計及規(guī)范要求。在沉井下沉的初期、中期、終期，數(shù)據(jù)監(jiān)測為指導糾偏、調整開挖起到了重要的作用。初沉期間主要對砂墊層和持力土層進行開挖，但刃腳的不等高以及局部開挖作業(yè)面較小增加了均勻開挖的難度。此時沉井沒有井壁外土摩擦阻力作用，井體易發(fā)生較大傾斜和滑移。具體測量方法是：在下沉前做好引測工作，在進行下沉測量時，若發(fā)現(xiàn)測控點高程偏差>10cm則應及時進行軸線的偏位測量。對每次的測量結果進行及時計算并用于指導糾偏，使糾偏工作做到有的放矢。
隨著沉井下沉深度的加大則由泵房區(qū)與格柵間區(qū)井壁入土深度不等所引起的井壁外摩阻力分布不均作用逐漸顯現(xiàn)出來，為此將格柵間區(qū)挖土較泵房區(qū)挖土深約50cm逐漸過渡到挖土面基本一致。在此期間，隨時估算井體重心與井壁外摩擦阻力合力點的偏差值，以確定各區(qū)的開挖量。異形沉井下沉時，因刃腳高度不等而使得各邊刃腳不能同時在同一性質的土層上，也易產生偏斜。為此須根據(jù)井下土層變化情況及時調整挖土位置和挖土量，使開挖遵循先硬后軟的順序進行。
結論
隨著施工措施、技術的不斷發(fā)展，沉井技術也日益成熟，不同類形的異形沉井必將會更多地出現(xiàn)。本文中的凸字形沉井的下沉控制是一項比較復雜的施工技術，不可預見因素很多。盡管當前關于凸字形沉井設計施工的資料較少，現(xiàn)有規(guī)范、規(guī)程對此亦少有規(guī)定，但在近年來的工程實踐中已有相當數(shù)量凸字形沉井施工的成功經(jīng)驗，若地質條件較好，施工單位又有較豐富的沉井施工經(jīng)驗，能根據(jù)不同下沉深度的地質變化及時調整開挖量，則設計采用凸字形高低腳異形沉井結構是完全可行的，無疑也是經(jīng)濟的。
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