浅析某工程中的沉井设计

张 顺 杨媛媛

1 工程概况

天津市西青区某工业园区内需建设一条酸洗生产线,该生产线长120 m,在该生产线内需设置一个长5 m,宽 3 m,深10 m的深坑,由于天津地区的地下水位偏高,地质情况复杂,因而深坑的基础设计成为该生产线设备基础设计的难点。

2 工程地质资料

经过勘察部门的勘察,该生产线所处地段的场地地貌属第四系滨海相冲积、海积地貌单元,经历了漫长的水动力条件,沉积了巨厚的第四系沉积层。按沉积时代、成因类型划分为4个工程地质层,进而划分为7个工程地质亚层,其各土质岩性特征、分布规律如下:①人工填土层:灰褐色,松散状态,上部为杂填土,以粉质黏土为主,该层厚0.60 m～2.30 m。②1粉质黏土:黄褐色,可塑状态,切面粗糙,中等干强度,中等韧性,局部夹黏土薄层,土质不均,该层厚0.70 m～1.80 m。②2粉土:灰黄色,湿,稍密状态,无光泽反应,低强度,低韧性,具层理,夹粉质黏土薄层,土质不均,该层厚2.00 m～3.20 m。③1粉质黏土:灰色,软塑状态,具层理,土质不均,夹黏土薄层,该层厚1.60 m～2.80m。③2淤泥质黏土:灰色,流塑状态,具层理,土质不均,夹淤泥质粉质黏土薄层,该层厚 3.10 m～4.90 m。④1粉质黏土:浅灰色,可塑状态,切面粗糙,中等干强度,中等韧性,局部夹黏土薄层,土质不均,该层最大揭露3.90 m。④2粉质黏土:浅黄色,可塑状态,切面粗糙,中等干强度,中等韧性,局部夹黏土薄层,土质不均,该层最大揭露5.50 m。该场地勘察深度范围内地下水类型为潜水类型,潜水位年变化幅度的多年平均值约为0.8 m,勘察期间,测得场地稳定水位埋深在0.95 m～1.54 m左右。

3 沉井的设计

从以上地质资料来看,该场地土质较差,存在淤泥质黏土,呈流塑状态,且地下水位较高,综合考虑在对生产线中长5 m,宽3 m,深10 m的坑进行基础设计时采用沉井基础最为合适。

1)沉井井壁的设计。因沉井需依靠自重克服土层摩擦力而下沉到设计标高,因而对沉井进行设计时井壁的厚度至关重要,既要满足沉井的下沉系数,还要考虑地基的承载力,同时由于该工程井位处于地下水位以下,沉井还须满足抗浮的要求。综合上述设计原则,对沉井井壁进行设计时分别考虑施工阶段和使用阶段的情况,在施工阶段,考虑到沉井下沉到位时只承受外侧水土荷载,根据水土荷载随深度增加而增大的特点,将沉井井壁竖向分为三段,第一段刃脚以上长度2 800 mm,沉井壁厚1 000mm。第二段长度3 500 mm,沉井壁厚800 mm。第三段长度3 700 mm,沉井壁厚600 mm。当沉井下沉到位未封底时,沉井刃脚以上井壁按水平框架进行计算,第一段刃脚以上井壁不仅承受外侧水土荷载,而且还要承受刃脚传来的荷载,因而该段井壁为受力最大的一段构件。同理,可将第二段和第三段水平框架的弯矩图画出来,根据弯矩图算出施工阶段的池壁配筋;同时在使用阶段时,封底混凝土及底板均已做好,此时排水措施也已经取消,地下水位按设计最高水位0.8 m进行核算,井壁按四边支撑的双向板进行计算,最后根据两种工况综合比较得出井壁实际所需的配筋量(见图1)。

2)沉井刃脚的设计。在进行沉井刃脚设计时不仅需要考虑沉井下沉时作用在刃脚四周的水、土压力,还需要考虑沉井自重在刃脚踏面和斜面上产生的垂直反力和水平推力,同时对刃脚上部井壁上留有连接底板的企口凹槽,也需对凹槽处的截面进行竖向挠曲受力验算。通过对刃脚竖向向外挠曲受力的计算以及刃脚竖向向内挠曲弯矩计算,得出具体刃脚的尺寸及配筋(见图2)。

3)底板的计算。钢筋混凝土底板视其周边与井壁所设凹槽或水平插筋的构造情况,确定支座条件,根据该工程刃脚与井壁的连接情况以及底板的长宽比,沉井的底板按四边铰支的双向板计算,并考虑整个沉井(构)筑物的最大自重荷载计算,确定该沉井底板厚度为900 mm。

4 沉井的倾斜控制措施

沉井在施工当中极其容易出现倾斜,因而在施工时需采用因地制宜的下沉方式,尤其应注意初沉阶段的控制,这是沉井下沉位置正确与否及倾斜控制的关键,应控制下沉速度慢一些。当遇难下沉土层时,宜采用在沉井的外壁随下沉随填砂的方法,以减少下沉的摩阻力和以后的清淤工作,也有利于均匀下沉,同时在沉井开始下沉和将沉至设计标高时,按锅底形分层挖土,周边开挖深度应小于30 cm或更薄一些,距离设计标高20 cm～30 cm左右应停止取土,依自重惯性下沉至设计标高。

5 结语

沉井是修建深基础的主要基础类型,在工业生产线中经常采用。本工程生产线中的深坑在地下水位较高、场地土质存在淤泥质黏土的情况下,采用沉井这种基础形式最为合理。综合考虑多方面因素,为本工程生产线中的深坑设计出合适的沉井壁厚、刃脚以及底板的厚度,同时为施工中容易出现倾斜的情况提出了相应的控制措施。实践也证明该工程生产线完成后经过一段时间的使用,情况良好。

[1] 郭云鹏.沉井结构设计与施工方法探讨[J].山西建筑,2009,35(28):139-140.