T形沉井的基础及下沉稳定性施工设计

　　1、工程概况及特点
　　某污水处理厂粗格栅及进水泵房采用现浇钢筋混凝土结构、沉井法施工。
　　进水泵房、粗格栅平面均为矩形，两者组合形成平面“T”形。进水泵房钢筋砼结构外部平面尺寸为13.9×7.4m，内有六道梁；粗格栅钢筋砼结构外部平面尺寸为13.25×8.8m，内有两道隔墙，隔墙厚0.4m.沉井在刃脚位置被梁和隔墙分成六格。沉井刃脚处宽1.2m，刃脚底宽0.4m，高1.6m；井壁厚0.7m；沉井高12.63m.根据设计及以往施工经验，沉井施工拟分两次浇筑、两次下沉；沉井采用不排水法下沉。
　　该沉井基础施工具有以下特点：
　　（1）混凝土一次性浇筑高度高（每节高约6.5m），即重心高，稳定性差；
　　（2）仅靠第一节下沉后形成的支撑力不能满足第二节制作时的稳定要求；
　　（3）形状特殊，为“T”形，重心与形心不重合，增加了沉井基础施工难度。
　　2、地质情况
　　拟建场区原为水田，淤积着大量的淤泥，已提前予以挖除。该工程的地质勘察报告显示，沉井设计刃脚底标高-3.35m位于5-1含圆砾细砂层。
　　3、沉井基础设计及施工
　　3.1 沉井第一节自重
　　经计算，沉井第一节自重G1=8759kN；
　　即沿刃脚每延米沉井重q1=8759kN/70.7m=124kN/m；
　　考虑施工荷载，取沿刃脚每延米沉井重Q1=1.15q1=124×1.15=143kN/m.
　　3.2 沉井基槽开挖
　　为了减少沉井立模支架的高度、下沉深度和便于施工，淤泥挖除后再开挖深约0.7米的基槽（基础座落于2-1层），以方便垫层基础施工，开挖边坡1：1，四周设排水沟，通过水泵排水，保证施工需要。
　　3.3 砂垫层厚度计算及铺设
　　根据砂垫层允许承载力的计算公式：
　　[P]=[σ]×（1+2Htgφ）-γH
　　其中：[σ]—地基承载力，现基础位于2-1层，取[σ]=100kPa；
　　φ —砂垫层扩散角，取φ=40°；
　　γ —粗砂容重，取γ=16.5kN/m3；
　　H —粗砂垫层厚度；
　　[P]—砂垫层允许承载力，取设计值[P]=160 kPa.
　　经计算，H=0.4m.
　　考虑砂垫层采用小型平板式振动机械压实，其压实系数取0.96，故取砂垫层设计厚度H=0.5m.基坑排水后，在井壁外2m范围内整个基槽铺设中粗砂垫层，
　　3.4 承垫木间距计算
　　承垫木采用标准枕木，标准枕木截面尺寸25cm×16cm，长度2.5m.
　　每延米所需枕木数：
　　n=Q1/（F×[P]）
　　其中： Q1—每延米沉井重143kN/m；
　　F—枕木接触面积，标准枕木F=2.5×0.22=0.55m2；
　　[P]—砂垫层允许承载力，取设计值[P]=160kPa.
　　计算得n=1.63，所以承垫木间距1/1.63=0.61m，取设计承垫木间距0.5m.
　　在砂垫层上的沉井墙壁转角处分别设八组定位支架，定位支架为每五根枕木密排；再沿刃脚轴线的垂直方向，铺设枕木，枕木中心间距50cm.枕木铺设要求平整，其高差不宜大于10mm，以利受力均匀。
　　枕木间的间隙用中粗砂找平、平板振捣器振平、密实，中粗砂铺设宽度、位置同枕木长度。然后沿刃脚底面位置再浇筑5cm厚C10素混凝土（其下先设置一层宽50cm的塑料薄膜，以与枕木隔离），素混凝土基础的水平投影面控制在刃脚两侧模板范围内，宽度同刃脚底面宽，为40cm，作为沉井浇筑前的基础。
　　4、第二节沉井混凝土浇筑时的稳定性验算及技术处理
　　第一节沉井下沉到标高（露出地面50cm）时，浇筑第二节沉井的稳定性计算如下：
　　4.1 第二节沉井自重及总重
　　第二节沉井自重G2‘=8216kN，考虑施工荷载取G2=1.15G2=9448kN.即第一节和第二节沉井总重ΣG=8759+9448=18207kN.
　　4.2 由于采用不排水法下沉，此时井内（地下）水位在第一节沉井下50cm（即5.5m标高）位置，浮力F=rWV=10×337.4=3374KN
　　其中水的重度rW=10KN/m3，水位5.5m标高下钢筋砼沉井体积V=337.4m3
　　4.3 外露50cm时，井周摩阻力T1=S×fk =380×17=6460kN
　　其中井周与土接触面积S=380m2；fk为井周摩阻系数，取fk=17kPa.
　　4.4 刃脚踏面阻力及横隔梁下阻力
　　T2= ΣS×[σ]=（70.7×0.7+6.4×0.4）×120=6553kN
　　其中刃脚踏面积、横隔梁踏面积之和ΣS为（70.7×0.7）m2+（6.4×0.4）m2，土基承载力在4-2砂质粉土层，取[σ]=120 kPa.
　　4.5 总向上的力为 ΣT=F+ T1+ T2=3374+6460+6553=16387kN
　　4.6 总向下的力（自重和施工荷载）为ΣG =18207kN
　　4.7 稳定系数kst，s=ΣG/ΣT=18207/16387 =1.11≥1.05，由于稳定系数较大，可能产生自沉，需进行止沉处理。
　　4.8 防止自沉的处理措施
　　在以往干沉法（即排水法）施工中，通常采用加设“帽沿”或在井外壁换填塘渣的方法，来增加侧壁摩阻力。本次施工在保持井内水位高度维持在与基槽水平（此时浮力最大）的同时，将在井内回填材料，来增加侧壁的摩阻力。
　　由于采用的是不排水法下沉，井内土体通过冲水已稀释成泥浆，再用泥浆泵排至沉淀池，显然沉淀池的沉淀物不可以作为回填材料。而根据地质报告，在厂区内4.5m深度范围内土质为耕植土、粉质粘土、粘质粉土混砂，若取土回填在井内，无疑将会被稀释成泥浆，并且小颗粒材料的摩阻系数相对较小；若改用塘渣，塘渣粒径太大，无法采用不排水法用泥浆泵排出；最后确定采用中粗砂作为回填材料，来增加对侧壁的摩阻力。
　　已知井内周长167.2m，中粗砂对侧壁的摩阻系数fk砂=20kPa.取回填中粗砂高为1.6m，即所增加对侧壁的摩阻力Δf=167.2×20×1.6=5350kN
　　ΣT=ΣT+Δf=16387+5350=21737kN
　　下沉稳定系数kst，s=ΣG/ΣT‘=18207/21737=0.84，满足《给水排水钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS137：2002的稳定系数0.8~0.9的要求。
　　回填中粗砂在第二节沉井制作前进行，以方便材料的运输和施工，由于中粗砂是在水下，可用插入式振捣器振捣密实。之后再进行钢筋、模板安装，有足够的自密实时间。
　　5、超沉验算
　　G总= G1+ G2=8759+8216=16975kN
　　沉到位刃脚踏面处于5-1层，fk=135kPa.
　　经计算，不会产生超沉。
　　6、抗浮计算
　　在水下混凝土浇筑后，底板施工前，按照7.0m标高水位计算，刃脚底标高-3.35m.
　　水深h=7-（-3.35）=10.35m
　　在水中的体积V=2271m3
　　浮力F浮=10×2271=22710kN
　　沉井自重G总= G1+ G2=8759+8216=16975kN
　　侧壁所受的摩阻力T阻=69.1×9.35×17=10983kN，其中周长S=69.1m，沉井埋深h=9.35m，土对侧壁的摩阻系数fk=17kPa.
　　向下的力T总=16975+10983=27958kN
　　抗浮系数K=27958 KN/22710KN =1.23＞KfW=1.0，满足《给水排水钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS137：2002的抗浮要求。
　　7、结束语
　　根据以上的计算设计，在实际施工中予以了实践，并作了观测监控。
　　第一节混凝土浇筑完成，基础沉降值最大为8mm，不均匀沉降最大为5mm；第二节混凝土浇筑完成，基础沉降值最大为10mm，不均匀沉降最大为4mm；观测结果验证了基础及下沉稳定性设计、验算的正确性。
　　封底混凝土灌筑完成14天后，把井内水打干，对封底混凝土检查，未发现渗漏现象；同时我们对沉井作了轴线、标高复测，与设计相比，轴线偏差为横向10mm、纵向18mm，标高最大偏差为8mm，相邻观测点不均匀高差为4mm，均很好的满足了设计和施工质量标准要求。
　　参考文献：
　　1、《给水排水钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS137：2002
　　2、《钢筋混凝土沉井结构设计施工手册》 中国建筑工业出版社 葛春辉主编