沉井结构裂缝宽度限值的选取分析与设计

1、江苏建筑2010年第2期（总第133期）沉井结构裂缝宽度限值的选取分析与设计唐玉宏，杨明（南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏南京210008）摘要沉井被用作地下构筑物时，截面配筋往往由裂缝宽度验算确定，按承载力极限状态计算所需配筋小于满足裂缝控制要求所需配筋，特别是刃脚根部以上1.5倍厚度的井壁。对于钢筋混凝土构件的裂缝，有各种不同的裂缝计算理论及包含各种不同变量的、各种不同形式的裂缝计算公式，保护层厚度也有不同的规定。结合具体工程，依据不同的现行规范选取裂缝宽度限值，进行裂缝宽度验算。通过分析表明：根据混凝土结构耐久性设计规范进行沉井设计，能在满足耐久性要求条件下减少配筋量多达25%，对

2、类似工程具有借鉴作用。关键词地下工程；沉井；耐久性；裂缝宽度；分析设计中图分类号TU473.2文献标识码A文章编号1005-6270（2010）02-0058-03Design and Analysis of Crack Width Limit Choice about Sinking WellTANG Yu-hong YANG Ming(NanjingMunicipal Design and Research Institute Co. Ltd ，Nanjing Jiangsu 210008ChinaAbstract:When the sinking well is used as unde

3、rground work ，reinforcement of structure member is usually controlled by crack analysis 。The amount of steel bar calculated by load-bearing capacity less than that con -trolled by crack width analysis ，especially on the wall above cutting curb 。There are various theories and for -mulas about crack a

4、nalysis of reinforced concrete member ，the number of cover to reinforcement is not same 。Joining with the actual work ,the paper choose crack width limit and check crack width according to various codes 。By contrast ，it is found sinking well design based on Code for durability design of concrete str

5、ucture will satisfy durability and reduce the amount of steel bar 。Key words:underground work ；sinking well ；durability ；crack width ；analysis引言沉井由于其在建造地下构筑物或深基础工程中显示的优越性，随着施工技术及施工机具的不断发展而获得越来越广泛的应用。特别是随着顶管等非开挖施工技术在电缆隧道、给排水管道等工程中的应用，沉井被大量应用于顶管工作井和接受井。沉井作为地下构筑物，除了满足强度和施工可行性外，还需要满足防水和耐久性要求，主要是保护层厚度和裂缝

6、控制要求。现行规范13由于出台时间有先后，相关规定不尽相同，主要的区别是环境作用等级、裂缝宽度限值及裂缝宽度验算时保护层厚度的取值。有的不区分环境作用等级1，在裂缝宽度验算时取实际保护层厚度；有的区分环境作用等级2，可以采用不同的裂缝宽度限值，并且规定在裂缝宽度验算时，当保护层设计厚度超过30mm 时可将厚度取为由裂缝宽度验算确定，承载力极限状态计算并不控制配筋结果，特别是刃角部分支座处壁板。本文结合具体工程对这些因素进行探讨，并对设计结果进行比较，希望在满足耐久性要求的基础上取得更好的经济性。1工程概述镇江220kV 五洲上党I 线环入南徐变送电线路隧道工程，起于位于镇江市润州区七里甸镇南徐

7、大道以北的镇江南徐220kV 变电站，止于南徐大道以南、长山灌渠以东的电缆终端塔，全长1115.718m 。本工程K1+006.084K1+100.463之间隧道穿越南徐大道，采用顶管法施工，顶管工作井和接受井采用沉井法施工。顶管工作井净尺寸5.5m 8.0m ，壁厚0.8m ，外围尺寸为7.1m 9.6m ，沉井入土深度为11.47m ，地面高程为6.42m 。顶管接受井净尺寸5.5m 7.0m ，壁厚0.8m ，外围尺寸为30mm 计算裂缝的最大宽度。沉井作为地下构筑物使用时，迎水面保护层厚度为m ，地面高程为9.27m 。50mm 3，裂缝宽度限值和裂缝宽度验算时保护层厚度的选取对裂缝宽

8、度验算有很大的影响。沉井井壁的配筋很多收稿日期2009-02-24作者简介唐玉宏，男（1968），南京市市政设计研究院有限责任公司，硕士，高级工程师，国家一级注册结构工程师，国家注册咨询工程师（投资）。江苏建筑表12010年第2期（总第133期）隧道工程地质分布情况土层名称土性特征性质不均匀中等压缩性中等压缩性高压缩性中等压缩性中等压缩性厚度/m工作井处接受井处承载力特征值/kPa杂填土粉质粘土粉土夹粉质粘土淤泥粉质粘土与粉土互层粉质粘土2工程地质条件根据220kV 五洲上党I 线环入南徐变送电线路岩土工程勘察报告，沉井工作井和接受井处的土层分布、土性特征、埋藏情况和地质特性如表1所示。电缆隧

9、道沿线地区地势略有起伏，地面高程一般为6.30m 11.80m ，地形由于人类活动的影响已遭破坏，地貌单元在1S9至1S16号孔的区域为丘陵，其他区域为冲积平原。沿线的地下水类型主要有孔隙潜水、上层滞水和基岩裂隙水。沿线地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋在长期浸水条件下无腐蚀性，在干湿交替条件下具弱腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。地下水位以上的场地土对混凝土结构及钢筋混凝土结构中钢筋无腐蚀性，对钢结构具强腐蚀性。沿线的抗浮设计水位在冲积平原区域可按0.5m 考虑，在丘陵区域可按1.0m 考虑。3沉井设计3.1选型本工程顶管选用内径为2400mm 、外径为2880mm的混凝土管，管径

10、和材质根据工艺要求确定。确定顶管埋深时，需结合覆盖层厚度、地下障碍物和土层分布等因素综合进行。工作井处顶管中心标高为-0.79m, 接受井处顶管中心标高为-1.29m ，既可以避开地下障碍物，满足管顶至路图1工作井平面图面2D 的覆土厚度，同时还可以保证顶管在层粉质粘土和粉土互层中进行，避免在顶管过程中遇到层淤泥。因为淤泥土的强度低，且为流塑状态，有震陷的可能性，不利于顶管施工。顶管的管径和埋深确定后就可以根据经验确定工作井、接受井的沉井尺寸。工作井的平面图和剖面图见图1、图2。图2 工作井剖面图3.2沉井计算沉井下沉采用不排水法施工，但施工期间应进行降水，保证工作井处水位不高于地表下2.50

11、m ，接受井处地下水位不高于地表下3.50m 。在沉井设计过程中，对沉井在正常使用状态下的稳定性、下沉可行性、下沉稳定性等内容进行了计算和验算。f=1.991, 刃脚在内外荷载作用下按悬臂计算。主要计算结果见表2。4耐久性设计指导混凝土耐久性设计的规范主要有两本1、2，根据文献2，混凝土结构的耐久性应根据结构的设计使用年限、结构所处的环境类别及作用等级进行设计，比文献1多了一个设计依据即环境作用等级，且两者的环境类别定义不同。混凝土结构的耐久性设计主要包括下列内容1、2：结构的设计使用年限、环境类别及作用等级；有利于减轻环境作用的结构形式、布置和构造；表2工作井和接受井的计算结果计算内容工作井

12、接受井沉井底部的平均压力值174kPa 213kPa 修正后的地基承载力特征值315kPa 241kPa 正常使用时抗浮系数1.17刃脚顶面以上角部1385kN m 1609kNm 1200mm 的井壁弯短跨中1216kN m 1265kN m长跨中51kN m-180kN m混凝土结构材料的耐久性质量要求；钢筋的混凝土保护层厚度；混凝土裂缝控制要求；防水、排水等构造措施；严重环境作用下合理采取防腐蚀附加措施或多重防护策略；耐久性所需的施工养护制度与保护层厚度的施工质量验算措施；结构使用阶段的维护、维修与检测要求。两本规范在、等方面的规定不尽相同，对沉井的设计会产生影响。按照文献1，本工程混凝

13、土结构的环境类别为二a 类，即室内潮湿环境，非严寒和非寒冷地区的与无侵蚀性的水和土壤直接接触的环境。最低混凝土强度等级为C25，纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度：板、墙为20mm ，梁为30mm ，钢筋混凝土结构构件的裂缝控制等级为3级，最大裂缝宽度限值为0.2mm 。另外根据文献3，沉井迎水面的保护层厚度为50mm 。按照文献2，本工程混凝土结构的环境类别为一般环境（类），仅有正常的大气（二氧化碳、氧气等）和温、湿度（水分）作用，不存在冻融、氯化物和其它化学腐蚀物质的影响。一般环境对混凝土结构的腐蚀主要是碳化引起的钢筋锈蚀。混凝土呈高度碱性，钢筋在高度碱性环境中会在表面生成一层致密的钝化膜

14、，使钢筋具有良好的稳定性。当空气中的二氧化碳扩散到混凝土内部，会通过化学反应降低混凝土的碱度（碳化），使钢筋表面失去稳定性并在氧气和水分的作用下发生锈蚀。沉井顶板、勘察资料提供的历史最低水位以上的沉井壁板外侧的环境作用等级为-C 级；勘察资料提供的历史最低水位以下的沉井壁板外侧混凝土饱水，钢筋不易锈蚀，环境作用等级为-B 级。沉井壁板内侧混凝土接触空气，容易碳化，又可能有水分从临水侧迁移供给，环境作用等级为-C 级。当设计使用年限为50年、环境作用等级为-C 级时，最低混凝土强度等级为C35，纵向受力钢筋的混凝土保护层最小厚度：板、墙为35mm ，梁为40mm 。钢筋混凝土结构构件的裂缝控制等

15、级为3级，当环境作用等级为B 时最大裂缝宽度限值为0.3mm ；当环境江苏建筑2010年第2期（总第133期）作用等级为C 时最大裂缝宽度限值为0.2mm 。5配筋计算和裂缝验算根据计算发现，大多数情况下截面配筋由裂缝宽度验算所控制，因此裂缝宽度的验算公式对工程配筋的影响比较大。对于钢筋混凝土构件的裂缝，有各种不同的裂缝计算理论及包含各种不同变量的、各种不同形式的裂缝计算公式，实质上可以概括为3种裂缝计算理论：粘结滑移理论、无滑移理论和综合裂缝理论。文献1的裂缝计算公式是依据综合裂缝理论建立的，按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度（mm ）可按下列公式计算：max =sk cr

16、 （1.9c+0.08deq ）（1）s te规范条文说明中同时指出，当混凝土保护层厚度较大时，虽然裂缝宽度计算值也较大，但较大的混凝土保护层厚度对防止钢筋锈蚀是有利的。因此，对混凝土保护层厚度较大的构件，当在外观的要求上允许时，可根据实践经验，对规范规定的裂缝宽度允许值做适当放宽。文献4按照数理统计的方法，分析影响裂缝宽度的各种因素，找出主要的因素，舍弃次要的因素，给出了简单适用而又有一定可靠度的裂缝计算公式（2）。尽管保护层厚度对裂缝间距和表面裂缝宽度均有一定影响，但容许裂缝宽度为设计使用年限内钢筋不致锈蚀的开展宽度，与保护层厚度密切有关，保护层愈厚，钢筋锈蚀的可能性愈小。因此，保护层厚度

17、对计算裂缝宽度和容许裂缝宽度的影响可大致取消，实际设计中，同类构件保护层厚度变化不大，故在裂缝计算公式中未显含保护层厚度的影响。W sk 30+dtk =C 1C 2C 3E （0.28+10（2）s 文献2和文献5也同样注意到了保护层厚度、裂缝开展宽度和钢筋锈蚀之间的相互关系，规定当设计采用的最大裂缝宽度的计算式中保护层的实际厚度超过30mm 时，可将保护层厚度的计算值取为30mm 。根据文献1，刃脚处壁板的环境类别为二a 类，裂缝宽度限值为0.2mm ，裂缝计算时保护层厚度按实际取，角部为50mm ，跨中为35mm 。根据文献2，刃脚处壁板，外侧的环境作用等级为-B 级，裂缝宽度限值为0.

18、3mm ；内侧的环境作用等级为-C 级，裂缝宽度限值为0.2mm ；裂缝计算时保护层厚度取30mm 。刃脚顶面以上1200mm 的井壁配筋计算见表3。从表3可以看出，刃角顶面以上1200mm 的井壁配筋都是由裂缝宽度验算所需的配筋确定，按承载力极限状态计算所需的配筋小于上述配筋。按文献2进行设计，可以减少配筋量，工作井刃脚顶面以上1200mm 的井壁角部配筋量减少达25%，跨中也能减少部分配筋。（下转第85页）江苏建筑2010年第2期（总第133期）匀，平均下沉58.26mm, 2#住宅楼平均仅下沉了6.04mm,土、换撑, 减少工期。转角处的灌注桩所受的土压力较小，该处少布桩甚至不布桩，以节

19、省造价。3#住宅楼平均下沉了11.11mm, 江海路最大沉降7.18mm,人民路最大沉降20.23mm, 而与建筑业大厦之间的道路最大下沉了51.66mm 。在整个基坑开挖过程中，由于设计合理，施工得当，监控到位，未发生大的险情，地下室部分施工进展顺利，基坑支护达到了预期目的。支撑系统平面布置形式恰当。根据基坑的变形特点,在基坑的端部布置桁架式斜撑, 而在变形较大的中部布置受力和传力明确的桁架式对撑, 有效减小基坑中部的位移。支撑梁的宽度在800mm 以上, 可作为施工便道。挖土顺序对基坑位移的影响较大。本工程挖土顺序由西南向东北推进，基坑南侧及西侧压顶梁、支撑梁均向坑内方向位移，即基坑南侧及

20、西侧均向东北方向位移，由于支撑刚度好，基坑北侧及东侧也均向东北方向位移，而且基坑南侧及西侧坑外沉降大于北侧及东侧坑外沉降，即先挖土侧坑外沉降大于后挖土侧坑外沉降。6结论与建议本工程场地地质条件差, 基坑开挖深度大, 其基坑围护设计与施工都有一定的难度, 实践表明：采用钻孔灌注桩加两道内支撑挡土，三轴搅拌桩止水的方案是合理有效的，通过本工程的成功实践，结合监测资料有如下几点结论与建议：支撑系统的实测轴力大于计算轴力。说明支撑系统钻孔灌注桩嵌入深度通常为基坑开挖深度的11.2计算工况复杂，难以精确计算，建议设计时要留有一定的安全储备。倍，但本工程灌注桩的嵌入深度达25m ，相当于基坑开挖深度的1.

21、8倍, 方能满足整体稳定性验算要求，比一般情况要大得多, 主要是坑底土性太差，特别是第层淤泥质粉质粘土层层厚达18.3m 。因此灌注桩嵌入深度不能一概而论。三轴水泥搅拌桩的挡水效果较好, 在整个地下室施工过程中未发生渗漏现象。参考文献围护结构系统布置比较合理。14m 深的基坑仅布置两道支撑, 充分利用钻孔灌注桩的悬臂受力作用, 将第1道支撑适当下移, 并在钻孔灌注桩顶设置一道压顶梁, , 加强整体性, 使钻孔灌注桩的受力趋于合理，这样还方便了挖（上接第60页）表3计算内容弯矩设计值按承载力极限状态计算所需配筋量弯矩标准值裂缝宽度验算所需配筋量按文献1按文献21JGJ120-99建筑基坑支护技术规程S.中国建筑工业出版社，1999.2赵锡宏, 等. 高层建筑深基坑围护工程实践与分析M.同济大学出版社，1996.!刃脚顶面以上1200mm 的井壁配筋计算结果工作井角部1870kN m长跨中1642kN m角部2172kN m接受井长跨中1707kN m9327mm 21385kN m7694mm 21216kN m10723mm 21609kN m8204m