沉井基础应用及试验模拟

2020-08-25于文杰丁新张安静窦国涛

河南科技 2020年19期

于文杰丁新张安静窦国涛

摘要：沉井因埋深大、整体性强、稳定性好和施工工艺简单等优势被广泛应用于基础建设项目中。但是，随着建设项目的扩展，沉井深度越来越深，尺寸越来越大，下沉过程对沉井刃脚要求越来越高。本文介绍了沉井刃脚下沉过程中刃脚处扰动土压力的变化规律，介绍了相关试验模拟方法，以期得到扰动土压力作用下沉井刃脚受力机理，为沉井刃脚的设计提供理论依据。

关键词：沉井基础;刃脚;试验模拟;扰动土压力

中图分类号：U445.6文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）19-0116-03

Abstract： Sunk shaft foundation is widely used in infrastructure projects because of its deep buried depth， strong integrity， good stability and simple construction technology. However， with the expansion of construction projects， the depth and size of sunk shaft foundation are getting deeper and larger， and the requirements for the edge of sunk shaft foundation are higher and higher. This paper introduced the variation law of disturbed earth pressure at the edge of sunk shaft foundation in the process of sinking， and introduced the relevant experimental simulation methods， in order to obtain the force mechanism of sunk shaft foundation under the action of disturbed earth pressure， and provide theoretical basis for the design of sunk shaft foundation edge foot.

Keywords： sunk shaft foundation; cutting edge;experimental simulation;disturbed earth pressure

1 沉井基礎

沉井基础是先在地表制作成一个井筒状的结构物（沉井），然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后再经混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其他结构物的基础[1-2]。与其他基础相比，沉井基础有更大的埋深、更加良好的完整性和结构稳定性，具有较大的底面支撑面积，能承受较大的垂直和水平荷载。此外，沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水围堰结构物。沉井施工工艺简单安全，有稳妥可靠的技术，不需要特殊的专业设备，在深基础或地下结构中应用较为广泛，如桥梁墩台基础、地下泵房、水池、油库、矿用竖井以及大型设备基础、高层和超高层建筑物基础等。

但是，沉井基础施工周期较长，对粉砂、细砂类土在井内抽水时易发生流砂现象，造成沉井倾斜;沉井下沉过程中遇到的大孤石、树干或井底岩层表面倾斜过大，也将给施工带来一定的困难。沉井施工示意图如图1所示。

2 沉井刃脚

沉井下沉过程中面临难沉、倾斜、翻砂和突沉等问题，刃脚下土体极限承载力是研究沉井正常下沉、解决上述问题的关键。刃脚是沉井构造中井壁最下面的斜形尖利部分，主要作用是方便切入土层，利于井壁下沉，刃脚斜面与水平面之间的夹角不宜小于45°，此外，还需要满足规定的强度要求，防止下沉期间受力挠曲或损坏。刃脚最下面的水平部分称为踏面，根据井壁重量、厚度和土质的软硬综合确定踏面宽度。沉井基础的刃脚和井壁整体浇筑为一体，为确保沉井顺利下沉，减少沉井底面的正面土抗力，井壁和隔墙底部一般设计成有利于切入土层的有斜面的楔形。刃脚的长度和踏面的宽度根据地质条件确定，即综合考虑地基承载力和沉井下沉高度、封底混凝土的厚度进行确定。刃脚所承受的荷载是非常集中的，必须有足够的强度，以免挠曲与受损。考虑到井壁受力，刃脚做成楔形，但仍保留一定宽度;同时，为保证沉井下沉中翻砂，造成外部土体向井内大量涌入，影响结构安全及姿态稳定，需要保证刃脚插入土中一定深度。刃脚构造示意图图图2所示。

3 沉井施工流程

3.1 沉井制作

沉井制作流程如下：①对开挖的沉井基坑测量定位、平整场地、抄平放线验线，铺设沉井刃脚的砂垫层，安设刃脚铁件、钢筋绑扎，并支设刃脚和井壁模板;②第一节沉井的钢筋绑扎和模板支护，同时穿插进行预埋预留的配合工作;③第一节沉井的混凝土浇筑和振捣、拆模和养护，同时完成沉井第二节和第三节沉井的制作工作。在第二和第三节沉井混凝土浇捣、拆模与养护的同时，完成沉井下沉的准备工作。

3.2 沉井下沉

沉井下沉遵照“定位准确、先中后边、对称分层取土、深度适当”的原则进行[3]。沉井下沉过程中必须实时进行测量复核，直至沉降到设计要求的底标高，以保证其稳定性满足设计与规范要求。该阶段的施工内容主要如下。

①设置垂直运输机械、排水泵、挖排水沟、集水井;②沉井逐步下沉至设计要求的底标高过程中，在井筒内采用机械挖挖土，并配合人工挖土，从中间开始均衡对称地向四周进行挖土，并清淤下沉及井筒外的深井降水，保证沉井均匀平稳地下沉;③沉井过程中的轴线与标高复核，严格控制沉井的位置与垂直度，发现问题及时采取纠偏措施;④沉井下沉至设计要求的底标高后，对沉井底部的进行整平和夯实，并浇筑混凝土垫层，同时完成井壁与施工缝的清理工作;⑤做好底板钢筋绑扎和底板混凝土浇捣、养护;⑥做好测量弹线，落实井筒内的墙、柱、板及辅助设施等结构施工的准备工作，为机电安装作业创造条件。⑦做好沉井工程的质量检查与验收工作。

沉井的施工程序见图3。

4 沉井下沉试验模拟

沉井在下沉过程中，沉井刃脚有时切入土中，有时悬空（刃脚下土被挖空），是沉井受力最大、最复杂的部分。沉井斜侧面与外侧面的扰动土压力及基础反力对其稳定性起着至关重要的作用，尤其对于超深沉井刃脚，因此，开展沉井下沉过程中刃脚部位在扰动土压力作用下的受力性能和结构稳定机理分析研究，在工程实践和设计理论研究方面具有重要的参考价值。

4.1 试验方案

目前，主要的沉井刃脚土压力测试方法如下：在刃脚钢筋笼制作好后，将土压力盒预埋进刃脚内，将土压力盒受力面与即将浇筑的刃脚底面平齐，将导线接引至刃脚外面，连接数据采集装置;在下沉过程中，实时监测刃脚处土压力的变化，整理分析刃脚下沉过程的试验数据，得到刃脚土压力与下沉深度的曲线。

沉井的截面形状有圆形和方形，在超大直径的圆形沉井中，截取1 m的截面。由于弧度很小，因此，可以忽略不计。同时，研究刃脚的受力性能。此试验目的是研究刃脚切入土中时，刃脚斜侧面扰动土压力随深度分布形式及大小，试验设置如图4所示，具体试验方案如下：①制作模型箱，模型箱尺寸为4 m×1 m×2 m（长×宽×高），采用壁厚为1 cm的钢板拼接而成;②制作单位宽度沉井刃脚缩尺模型;③填土，并放置刃脚缩尺模型;④测取土体的重度，含水率，摩擦角和粘聚力;⑤安装位移计进行加载试验，同时记录试验数据，用液压千斤顶加载，使沉井刃脚向下移动，同时记录土压力动态变化。

4.2 试验步骤

试验前，测试填入土的密度、摩擦角、孔隙比等物理参数，同时还要进行筛分试验，绘制颗粒级配曲线。刃脚部分混凝土强度达到设计强度100%后方可开始下沉。勤测、勤纠，小角度纠偏是沉井下沉过程中的最佳倾斜纠偏措施，当沉井偏斜达到容许值的1/4时便要纠偏。

下沉试验模拟主要试验步骤如下。

①组装模型箱，并在外围支设模型箱的支撑系统，防止刃脚下沉过程外侧土体挤压外翻。

②填入试验所需的土体，并逐层进行均匀夯实。

③沉井模型预先埋入土中约0.3 m，填土完成后，支设刃脚并安装加载装置，调节仪器仪表，并检测数据是否能正常传输及是否合理。

④从刃脚斜面一侧开始向刃脚处均衡对称地进行挖土，然后千斤顶加载并记录加载力值大小和土压力盒记录的应力。刃脚处挖土要逐步扩大，一次挖土量不可过多，若发现刃脚轻微倾斜，不要通过大量挖土来纠偏。

⑤结合扰动理论、非极限土压力理论的分析方法，综合分析沉井在下沉过程中刃脚踏面和斜面应力在空间上的分布规律。

5 结论

本文介绍了沉井施工方法的概况及沉井基础的主要使用范围，并对沉井的施工工艺流程和下层中的主要倾斜纠偏措施进行介绍，可供相关专业学生及同行参考学习。

参考文献：

[1]赵勇.頂管工程工作井及接收井施工方案技术经济分析[J].山西建筑，2015（21）：209-211.