沉井结构设计浅析

1、沉井结构设计浅析曹霞 金凌志 顾艳阳摘要: 由于深基础中的沉井设计的相关影响因素较多，而目前又没有统一的设计标准进行规范本文通过对某上海轮胎橡胶（集团）公司项目中的沉井设计分析,对该方面在今后的完善和发展提供一些参考。关键词:沉井 ；结构设计深基础Analysis Of Sunk Well Structures DesignCao xia Jin linzhi Gu yanyangAbstracts: There are some factors concerning about sunk well design from deep foundations ,but we have not u

2、nite structures design laws or codes now ;The article poses some advises on its next developing design or constructor through analysis of sunk well structures design from projects in Shang Hai Rubber Tyre Company. Key words: sunk well ; structures design ; deep foundations1 引言在建筑结构中，常有许多半地下式建（构）筑物，如

3、消防水池、污水泵房、旋流沉淀池、大型设备基础、地下仓库等，当其地下部分较深，与周围建（构）筑物相距很近而不能进行大开挖；或场地地下水位较高，易使地基产生涌流或塌陷1；或地基土为砂土、粘性土时，采用沉井这种结构形式是一种很好的选择，既能很好地满足工艺要求，又可以取得很好的经济效果。作为深基础的一种形式，沉井具有占地面积小，不需要板桩围护，不需要特殊的施工设备，施工简便，对周围建（构）筑物影响小等优点。当沉井面积较大时，中间可以考虑加肋板，沉井壁可作为基础的一部分，又可作为地下结构的围护结构，使内部空间得到充分利用；但由于沉井的设计的相关影响因素太多，目前没有统一的标准与规范，而且其设计与沉井的施

4、工有着直接的关系，设计时还应考虑到工程地质，水文地质等因素与施工条件等，所以沉井设计一直是结构设计中的难点之一，现通过上海某轮胎橡胶（集团）的项目中的沉井设计对该方面进行一些探讨。2 工程概况工程中常用的沉井主要由刃脚、井壁、隔墙或竖向框架、底板等组成。(1)刃脚：是沉井井壁最下端部位,下面有一水平支承面,称为刃脚踏面。踏面宽度通常在1560厘米左右,根据地层的软硬程度作调整。刃脚的侧面呈直角梯形,斜度45°。其作用主要是减少土的阻力。(2)井壁：是沉井的主要部分,其厚度应根据沉井的结构强度、刚度的需要以及沉井能够在足够的自重条件下下沉等确定。(3)隔墙：根据使用和结构上的需要,在沉

5、井内可设置隔墙,大型沉井还可能设置多道纵横隔墙，隔墙可减少外井壁的计算跨度,同时可增加沉井的刚度,避免沉井变形。(4)横、竖向框架：包括壁柱及上下横梁。因隔墙设计过多而影响使用或施工操作时,一般都设计壁柱和上下横梁来代替,同样可以减少井壁、底板的计算跨度,增加沉井的整体刚度,还有利于分隔封底和操作。(5)底板。由钢筋混凝土浇筑而成,对沉井的使用和防水有重要作用2。工程中常用的沉井种类很多,常用的主要是圆形、方形、椭圆形3。当沉井作为上部结构的深基础时，还应有隔墙及顶板。其中井壁是沉井的主要部分，承受侧面土压力作用，又是深基础的护壁和上部的基础，同时在自重下克服阻力下沉，故应有足够的强度和重量。

6、沉井井壁可分为直壁式和阶梯式两种。当土质松软，下沉深度小时，为减小其下沉时对周围土体和其它建（构）筑物的影响，可采用直壁式；而当土质密实、下沉系数小时，为减小土与井壁的摩擦力以便于下沉，外壁宜做成阶梯式。刃脚则是在沉井下沉时起初入土的作用，其迎土面应用角钢或钢板加固4。设置凹槽是供后浇底板之用，防水要求不高时可不设，而当防水要求很高或底板很厚时，可采用双凹槽；其中圆形沉井结构受力好，下沉阻力小，对土体扰动少；在本项目中，雨水泵房就采用了大型的圆形沉井结构，由于上海地区系软土地基，地下水位又高，根据这一情况，在设计该沉井时，采用内径为11米，埋深为9.1米中间设置两道隔墙，底板与井壁之间为铰接的

7、设计方案，如图（一）所示。3 结构的设计3.1下沉分析 为便于控制沉井最终标高和沉井封底，并使沉井在施工时能顺利下沉，需对沉井进行下沉计算：按现行上海地区规范要求下沉系数必须大于1.05；井壁总摩阻力：T=3450KN井壁自重：G=3260KN；采用排水下沉，地下水浮力B=0；其下沉系数K值计算如下： 计算可知：由于沉井埋置较深，摩阻力较大，无法满足下沉系数，沉井在施工过程中必须配重下沉。3.2 抗浮计算 沉井下沉到设计标高并浇筑封底混凝土底板后，应进行竣工空载抗浮验算：（地下水位按1.000米标高计）3.2.1 井体自重抗浮井体自重：G =6780KN；浮力：B =7760KN；G<B

8、；不满足抗浮要求；3.2.2 井体自重十上部结构重抗浮上部结构重：G1=1520KN抗浮系数： ；满足抗浮要求；由此可见，根据上海地区的地基情况，一般大型沉井靠自身重量无法满足抗浮要求；为解决这题，我们采用在沉井壁上悬挑板，靠悬挑板来支托上部结构，这样既解决了沉井的抗浮问题，又解决了上部结构的沉降问题。 3. 3 沉井井壁计算 3. 3.1 水平内力计算 作用在圆形沉井井壁上的土压力，在下沉过程中可能发生倾斜，或土质不均匀及井外土体塌陷等原因，使沉井在同一水平圆环上的土压力呈不均匀分布。现将井体视作受对称不均匀压力作用的封闭圆环，如图（二）所示。取其1/4圆环为计算简图；其上承受均布线荷载，在

9、该受力体两端分别作用有轴向力和弯矩，其实际受力类似于偏压构件，而该圆环上任一点的土压力应按照如下公式计算为： q=s h tg2（45°2）s土的天然容重 ； h土压力计算点至地面的距离 土的内摩擦角 ； 计算时应考虑同一截面的M、N最不利组合计算环向钢筋。由于线荷载的作用并非在确定位置，故以此作为里外双层配筋计算。3. 3.2 纵向弯曲计算 沉井下沉之前，逐渐抽出承力垫木，最后支撑于相互垂直的四个定位垫木；由于沉 井的自重作用，井壁产生纵向弯矩和扭矩；此时，井壁可以按承受均布荷载的连续水平圆弧梁计算。例如需要考虑计算沉井单位周长自重、最大剪力、跨中弯矩、支座弯矩、最大扭矩等等，所有

10、这些内力均可以按深梁计算配筋。3. 3.3 竖向拉断计算：沉井下沉接近设计标高，刃脚下的土壤已被掏空，由于井壁周围土壤的挤压或粘着作用，可能会使井体上部被土夹住，下部脱空，这时应计算井壁内由于沉井自重产生的垂直拉力。假定井体的0.5H高度被土挤住，下部一半处于悬吊状态，则悬吊重量的最大数值为：Smax=0.5G；G为井体自重；用此力来计算井壁竖向钢筋。33.4 沉井刃脚的内力计算刃脚是指井壁下端的楔形部分，其作用是便于沉井的下沉和切人土中。由于其受力较为复杂。沉井在下沉过程的计算中，应考虑选择最不利的情况，分别计算沉井的刃脚的竖向内力和水平内力。3.4 井壁的形式沉井井壁形式一般有直壁式和阶梯

11、式，为了便于沉井下沉，我们采用了直壁式（及井壁外侧无台阶）。为了便于后浇地板，增强防水，需要在井壁上设置凹槽，但一般的凹槽是图（三）型，这种形式削弱了井壁的刚度。为克服这一缺点，我们采用了图（四）型，这样受力明确且加强了井壁刚度 。 3.5 沉井底部构造沉井底部构造有以下两种作法： 图三 图四排水下沉的沉井：可以在没有地下水的条件下浇灌钢筋混凝土底板。其底部构造作法为：由水泵通过泸鼓将封底垫层上的渗水抽干，然后浇灌钢筋混凝土底板，待其达到设计强度后停止抽水，并用混凝土将法兰短管填满，再焊封钢板。不排水下沉的沉井：一般在水下封底，封底垫层受全部水压力，为沉井底的刚性防水板，其厚度按水压力计算确定

12、。作法为：当封底完毕，混凝土达到设计强度80%后，即抽干积水，清净泥土残渣，然后在封底垫层上铺设排水用的砂砾层或防水层，再在上面浇灌钢筋混凝土底版。根据上海地区的地基情况，地下水位高，如果采用第二种作法，则需要很厚的封底垫层（大约1.8米左右）。为了便于施工，使结构设计更为合理，我们采用了第一种作法。4、结论1、 本文通过对沉井的设计总结，并结合上海软土地基的条件，将沉井进行了内力分析，对其构造作了一些简化，并力求使其分析与工程的实际状态相吻合。2、 地下水位较高地区，沉井的抗浮计算十分重要。上海地区工程实践证明，因设计施工时不够注意而不乏被浮起的事例。因此抗浮计算和施工中对抗浮采取的措施是应该引以为注的。3、 随着生产的进步发展。沉井的应用也将越来越广泛，本文通过对沉井的结构设计和施工方法的总结，对同类工程起到抛砖引玉的作用。参考文献：1 刘建航等. 基础工程手册. 北京.中国建筑工业出版社. 1997. 23223 卢伟清. 沉井的