(7.2.1)-7-2沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算與沉箱結(jié)構(gòu)

地下建筑結(jié)構(gòu)

第7章沉井與沉箱結(jié)構(gòu)

知識點(diǎn)2沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算與沉箱結(jié)構(gòu)

沉井結(jié)構(gòu)在施工階段必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證沉井能穩(wěn)定、可靠地下沉到擬定的設(shè)計(jì)標(biāo)高。待下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，全部結(jié)構(gòu)澆筑完畢并正式交付使用后，結(jié)構(gòu)的傳力體系、荷載和受力狀態(tài)均與沉井在施工下沉階段很不相同。因此，應(yīng)保證沉井結(jié)構(gòu)在這兩階段中均有足夠的安全度。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算沉井建筑平面布置的確定；沉井主要尺寸的確定和下沉系數(shù)的驗(yàn)算。(1)參考已建類似的沉井結(jié)構(gòu)，初定沉井的幾個主要尺寸，如沉井平面尺寸、沉井高度、井孔尺寸及井壁厚度等，并估算下沉系數(shù)，以控制沉速；(2)估算沉井的抗浮系數(shù)，以控制底板的厚度等。施工階段強(qiáng)度計(jì)算(1)井壁板的內(nèi)力計(jì)算；(2)刃腳的撓曲計(jì)算；(3)底橫梁、頂橫梁的內(nèi)力計(jì)算;(4)其它。使用階段的強(qiáng)度計(jì)算(包括承受動載)(1)按封閉框架(水平或垂直方向的)或圓形結(jié)構(gòu)來計(jì)算井壁內(nèi)力并配筋；(2)頂板及底板的內(nèi)力計(jì)算及配筋。沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)可大致歸納如下沉井結(jié)構(gòu)計(jì)算的主要內(nèi)容沉井尺寸的估算下沉系數(shù)的計(jì)算抗浮系數(shù)的計(jì)算荷載計(jì)算施工階段的強(qiáng)度計(jì)算使用階段的強(qiáng)度計(jì)算7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算一、沉井下沉系數(shù)的確定下沉系數(shù)7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算（7-1）（7-2）（7-3）一、沉井下沉系數(shù)的確定

表7-1井壁摩擦力及刃腳踏面阻力7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算土壤類型土對單位井壁的面積摩擦力（kN/m2）刃腳下土壤單位面積阻力（kN/m2）土壤密度小含水量多土壤密度大含水量小土壤軟弱含水量多土壤緊實(shí)含水量少砂性土1225粘性土12.5~2550100~200350~500泥漿套3~5一、沉井下沉系數(shù)的確定在實(shí)際工作中，井壁摩擦力的分布形式，有許多不同的假定。假定在深度0~5m范圍內(nèi)單位面積摩擦力按三角形分布，5m以下為常數(shù)，總摩阻力取入土全深范圍內(nèi)為常數(shù)的假定。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算

一、沉井下沉系數(shù)的確定在實(shí)際工作中，井壁摩擦力的分布形式，有許多不同的假定。假定認(rèn)為摩擦力不僅與土的種類有關(guān)，還與土的埋藏深度有關(guān)。采用了摩擦力等于朗金主動土壓力與土和井壁間的摩擦系數(shù)之乘積(一般取極限摩擦系數(shù)為0.4~0.5)。側(cè)面摩擦力將是隨著深度而增加的梯形分布，或近似于三角形分布。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算一、沉井下沉系數(shù)的確定實(shí)際上沉井的沉降系數(shù)K1在整個下沉過程中，不會是常數(shù)，有時可能大于1.0，有時接近于1.0，有時會等于1.0。開始下沉?xí)rK1必大于1.0，在下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高時K1應(yīng)近于1.0，一般保持在K1＝1.10~1.25左右。在分節(jié)澆筑分節(jié)下沉?xí)r，應(yīng)在下一節(jié)沉井混凝土澆筑完畢而還未開始下沉?xí)r，保持K1＜l，并具有一定的安全系數(shù)。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算二、沉井抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算沉井沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，即著手進(jìn)行封底工作，鋪設(shè)墊層并澆筑鋼筋混凝土底板，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)和頂蓋等還未施工，此時整個沉井自重為最小。待到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)備安裝及頂蓋施工完畢，所需時間可能很長，而底板下的水壓力能逐漸增長到靜力水頭，會對沉井發(fā)生最大的浮力作用。抗浮系數(shù)抗浮系數(shù)的大小可由底板的厚度來調(diào)整。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算（7-4）二、沉井抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算對于浮力的取值，歷來是有爭論的問題之一。實(shí)踐證明，在江河之中或沿岸施工的沉井，或是埋置于滲透性很大的砂土內(nèi)的沉井，其水浮力即等于靜力水頭。在黏性土中，尚缺乏較好的驗(yàn)證。關(guān)于井壁側(cè)面摩擦力在抗浮時能否發(fā)揮作用，有的認(rèn)為抗浮計(jì)算時該摩擦力不能計(jì)入，只能作為附加的安全度來考慮。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算（7-4）二、沉井抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算通過大量調(diào)查，已建的各種沉井一般都沒有上浮現(xiàn)象。說明：沉井上浮時土的極限摩擦力很大，而一般設(shè)計(jì)估用的數(shù)值往往偏小，因此在驗(yàn)算上浮穩(wěn)定時計(jì)入井壁摩擦力為合理；在黏性土中，因它的滲透系數(shù)很小，地下水補(bǔ)給非常緩慢，沉井的浮升也必然極為緩慢，在發(fā)生明顯浮升之前，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、設(shè)備、頂蓋等重量已經(jīng)作用上去，故不再存在浮升問題。措施：①在施工階段設(shè)置臨時倒濾層和集水井，抽去地下水，以消除地下水的浮托力；②在施工階段降低地下水位。一般要求使用期間的抗浮系數(shù)≥1.20。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算三、刃腳計(jì)算井壁刃腳部分在下沉過程中經(jīng)常切入土內(nèi)，形成一懸臂作用，因此必須驗(yàn)算刃腳部分向外和向內(nèi)撓曲的懸臂狀態(tài)受力情況，并據(jù)此進(jìn)行刃腳內(nèi)側(cè)和外側(cè)豎向鋼筋和水平鋼筋的配筋計(jì)算。第一種情況，刃腳向外撓曲的計(jì)算（配置內(nèi)側(cè)豎直鋼筋）-首次下沉的沉井7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算三、刃腳計(jì)算第一種情況，刃腳向外撓曲的計(jì)算(配置內(nèi)側(cè)豎直鋼筋)沿井壁周邊取1.0m寬的截條作為計(jì)算單元計(jì)算井壁自重G——沿井壁周長單位寬度上的沉井自重(按全井高度計(jì)算)，不排水挖土?xí)r應(yīng)扣除浸入水中部分的浮力；計(jì)算刃腳自重g——按右式計(jì)算計(jì)算刃腳上的水、土壓力E——主動土壓力可按朗肯理論計(jì)算在計(jì)算刃腳向外撓曲時，作用在刃腳外側(cè)的計(jì)算土壓力和水壓力的總和應(yīng)不超過靜水壓力的70％，否則就按70％的靜水壓力計(jì)算。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算三、刃腳計(jì)算第一種情況，刃腳向外撓曲的計(jì)算計(jì)算刃腳上的土對井壁的摩擦力計(jì)算刃腳下土的反力Rj，即踏面上土反力V1和斜面上土反力R，假定其作用方向與斜面法線成β角(即摩擦角，按β＝10°~20°估算，有時也可取到30°)。并將R分解成豎直的和水平的兩個分力V2和U(均假定為三角形分布)。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，在刃腳向外撓曲時，起主要因素作用的是刃腳下土壤的正面阻力，即V1、V2

和U的大小，而土壓力、側(cè)面摩擦力和刃腳自重g三者在計(jì)算中所占的比重很小，實(shí)用上可忽略不計(jì)，其結(jié)果則稍偏安全。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算三、刃腳計(jì)算第一種情況，刃腳向外撓曲的計(jì)算確定刃腳內(nèi)側(cè)豎直鋼筋按以上所求得作用在刃腳上的各個外力的大小、方向和作用點(diǎn)后，即可求對刃腳根部m-n截面上的軸向力N、剪力Q以及對截面中心O點(diǎn)的力矩M。然后根據(jù)M、Q、N的大小計(jì)算刃腳內(nèi)側(cè)的豎直鋼筋。鋼筋面積不得小于根部總截面的0.1～0.15％，并伸入懸臂根部以上足夠的錨固長度。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算三、刃腳計(jì)算第二種情況，刃腳向內(nèi)撓曲，配置外側(cè)豎直鋼筋。當(dāng)沉井沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，為利于下沉，刃腳下的土常被掏空或部分掏空，井壁傳遞的自重全部由壁外土壤摩擦力承擔(dān)，而此時井壁外側(cè)作用最大的水、土壓力，使刃腳產(chǎn)生最大的向內(nèi)撓曲。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算三、刃腳計(jì)算第二種情況，刃腳向內(nèi)撓曲，配置外側(cè)豎直鋼筋。刃腳自重g和刃腳外側(cè)摩擦力可忽略不計(jì)。起決定性作用的是刃腳外側(cè)的水土壓力W及E。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算三、刃腳計(jì)算第二種情況，刃腳向內(nèi)撓曲，配置外側(cè)豎直鋼筋。水壓力W可按下列情況計(jì)算不排水下沉?xí)r，井壁外側(cè)水壓力值按100％計(jì)算，內(nèi)側(cè)水壓力值一般按50％計(jì)算，但也可按施工中可能出現(xiàn)的水頭差計(jì)算；排水下沉?xí)r，在不透水的土中，可按靜水壓力的70％計(jì)算，在透水土中，可按靜水壓力的100％計(jì)算。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算四、施工階段井壁計(jì)算須按沉井在施工過程中的傳力體系合理確定其計(jì)算圖式，隨后配置水平和豎直方向的兩種鋼筋。由于沉井形狀各異，施工的具體技術(shù)措施亦不盡相同，因此應(yīng)按其具體情況作出分析與判斷。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算四、施工階段井壁計(jì)算沉井在豎直平面內(nèi)的受彎計(jì)算——沉井抽承墊木計(jì)算根據(jù)不同的支承情況，對井壁作抗裂和強(qiáng)度驗(yàn)算。⑴沉井支承在兩點(diǎn)“定位墊木”上時井壁的高度和長度比較，相差不多，按簡支梁近似計(jì)算。圖7-11沉井抽承墊木的計(jì)算圖式四、施工階段井壁計(jì)算沉井在豎直平面內(nèi)的受彎計(jì)算——沉井抽承墊木計(jì)算⑵沉井支承在三支點(diǎn)上時中間回填的砂子起到支撐作用。四個支點(diǎn)計(jì)算內(nèi)力可以直接查表。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算圖7-12三支點(diǎn)兩跨連續(xù)梁圖7-13多支點(diǎn)圓形沉井四、施工階段井壁計(jì)算井壁垂直受拉計(jì)算——井壁豎直鋼筋驗(yàn)算沉井偏斜之后，必須及時糾偏，此時產(chǎn)生了縱向彎曲并使井壁受到垂直方向拉力，在設(shè)計(jì)時一般假定沉井下沉將達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高時，上部井壁被土夾住，而刃腳下的土已全部掏空，形成“吊空”現(xiàn)象，并按此“吊空”現(xiàn)象來驗(yàn)算井壁的抗裂性或受拉強(qiáng)度。按經(jīng)驗(yàn)取值，如《上海地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算四、施工階段井壁計(jì)算在水土壓力作用下的井壁計(jì)算——井壁水平鋼筋計(jì)算水土壓力求得后，應(yīng)沿井的高度方向分段進(jìn)行井壁計(jì)算。當(dāng)沉井沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，刃腳下的土已掏空，此時井壁承受最大的水土壓力。一般砂性土采用水、土分算，黏性土采用水土合算，并采用三角形直線分布。在日本土壓力按靜止土壓力計(jì)算，假定在深度15m以上按三角形直線分布，15m以下土壓作為常量，不隨深度增加。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算四、施工階段井壁計(jì)算在水土壓力作用下的井壁計(jì)算——井壁水平鋼筋計(jì)算（1）對于在施工階段井內(nèi)設(shè)有幾道橫隔墻的沉井結(jié)構(gòu)，因?yàn)闄M隔墻的支撐作用，其井壁計(jì)算可按水平框架分析。刃腳斜面以上，高度等于井壁厚度的一段井壁（如圖7-14）受力最大。當(dāng)橫隔墻抗彎剛度比井壁小得多時，可將橫隔墻與井壁的連接節(jié)點(diǎn)做鉸接來分析，如圖7-15。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算圖7-14沉井刃腳懸臂梁圖7-15兩端膠結(jié)橫隔墻四、施工階段井壁計(jì)算在水土壓力作用下的井壁計(jì)算——井壁水平鋼筋計(jì)算7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算（2）對于不能設(shè)橫隔墻的地下建筑沉井，如圖8-16所示的沉井和隧道連續(xù)沉井，或因建筑布置上不允許設(shè)置立柱時，側(cè)向井壁在施工下沉過程中僅靠縱橫梁來支撐，因此只能用近似方法，根據(jù)沉井結(jié)構(gòu)的形式及長、寬、高的相對尺寸大小，將井壁簡化為“框架+平板”的形式計(jì)算，而不能一律按水平框架計(jì)算。圖7-16無橫隔墻的沉井結(jié)構(gòu)五、沉井底板及底梁的設(shè)計(jì)計(jì)算（一）沉井底板計(jì)算作用在沉井的底板上荷載

q＝P-g式中P——底板下的地基反力和最大的靜水壓力較大者(kN/m2)；

g——底板自重(kN/m2)。底板的計(jì)算圖式可根據(jù)底板兩側(cè)井壁和底橫梁上的支承情況確定：可按單向板或雙向板計(jì)算內(nèi)力并配筋。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算沉井底板荷載圖五、沉井底板及底梁的設(shè)計(jì)計(jì)算（二）沉井底梁計(jì)算作用在底橫梁上的反力可按下式計(jì)算底橫梁與井壁的聯(lián)結(jié)介于固端與鉸支之間，此時底橫梁跨中的彎矩系數(shù)可取用－1/16，支點(diǎn)處的彎矩系數(shù)取用+1/16。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算（7-8）六、水下封底混凝土厚度的確定如果排水下沉的沉井，其基底處于不透水的黏土層中或基底雖有涌水、翻砂，但數(shù)量不大時，應(yīng)力爭采用干封底，保證封底混凝土的質(zhì)量，并減小封底混凝土的厚度。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)一般可取0.6～1.2m不等。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算六、水下封底混凝土厚度的確定只有水文地質(zhì)條件極為不利時才采用水下混凝土封底，又稱濕封底。如位于江中、江邊的沉井工程，在下沉過程中常要采取不排水下沉；在地層極不穩(wěn)定時，為防止流沙，涌泥、突沉、超沉以及傾側(cè)歪斜，也需要采用灌水下沉。有時即使沉井停在不透水黏土層，但其厚度不足以抵抗地下水的“頂破”(涌水)作用，即由底層含水砂層中的地下水壓力所引起的破壞，以致產(chǎn)生沉井施工中非常嚴(yán)重的事故，則亦須采用水下封底的辦法。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算五、水下封底混凝土厚度的確定水下封底混凝土的厚度，應(yīng)根據(jù)抗浮和強(qiáng)度兩個條件確定

(1)按抗浮條件。沉井封底抽水后，在底面最大水浮力的作用下，沉井結(jié)構(gòu)是否會上浮，用抗浮系數(shù)來衡量沉井的穩(wěn)定性，并進(jìn)行最小封底混凝土厚度計(jì)算，此時井內(nèi)水已抽干，井內(nèi)水重不能再計(jì)入，且要保證足夠的抗浮系數(shù)。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算五、水下封底混凝土厚度的確定水下封底混凝土的厚度，應(yīng)根據(jù)抗浮和強(qiáng)度兩個條件確定

(2)按封底素混凝土的強(qiáng)度條件。將井內(nèi)水抽干，在尚未做鋼筋混凝土底板以前，封底混凝土將受到可能產(chǎn)生的最大水壓作用，其向上荷載值即為地下水頭高度(浮力)減去封底混凝土重量。封底混凝土作為一塊素混凝土板除驗(yàn)算承受水浮力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力外，還應(yīng)驗(yàn)算沿刃腳斜面高度截面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力。7.2.3沉井的結(jié)構(gòu)計(jì)算壓氣沉箱結(jié)構(gòu)8.3沉箱結(jié)構(gòu)壓氣沉箱工法是在沉箱結(jié)構(gòu)的最下部設(shè)置一個高剛度、高強(qiáng)度的氣密性工作室。為了防止地下水滲入工作室，保證施工能夠在無水環(huán)境下進(jìn)行，通過氣壓自動調(diào)