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软土地基处理的沉井结构探讨

更新时间:2009-03-28

0 引言

我国沿海和内陆地区分布广泛的软弱粘性土层。其特点是含水量高、压缩性高、强度低、透水性差并且大多地区地下水位埋深较浅,容易发生塌陷或涌流,此时可选择沉井结构形式。沉井施工是建设地下构筑物的一种常用办法。位于地下一定深度的构筑物、建筑物基础,可先在地表制作成沉井,然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土,使沉井在自重作用下逐渐下沉到预定设计标高后,浇筑封底混凝土、构筑内部结构。沉井技术上已十分成熟,挖土量少,对邻近建筑物的影响比较小。既能很好地满足工艺要求,又可以取得很好的经济效果。作为一种特殊的构筑物,沉井的设计计算不但需考虑使用阶段的工况,还需考虑施工阶段的工况。软土地基上的沉井结构又区别于一般情况,本文结合笔者的工程经验讨论了经软土地基处理的沉井结构工程地质勘查的要求、方案选择、设计计算以及结构施工与监测等内容。

1 沉井工程地质勘查要求

在进行沉井工程的地质勘查工作时,应着重查明地层均匀性,地基内有无较大障碍物、有害气体,各土层的极限承载力、结构外壁与土层的摩阻力以及沉井施工对邻近建筑物的影响,在软弱土层中可能产生突沉、下沉幅度过大或沉井自重较大时,应提供进行稳定计算和变形验算所需参数。此外,在工程土特性指标要求中应注意其特殊性,如一般建筑物地基土抗剪强度取不固结不排水的标准值,在沉井设计中则采用直接剪切实验固结快剪总应力抗剪指标c,Φ值。

2 方案选择

沉井施工方法对沉井设计计算有直接的关系,应根据场地的工程地质及水文地质资料,结合施工条件决定。具体分为a.排水下沉、b.不排水下沉、c.分次下沉。由于软土地基的压缩性高、透水性差,在建筑荷载作用下会产生较大的沉降和沉降差,同时由于强度低地基承载力和稳定性往往不能满足工程要求,地基常采取加固处理措施。软土地基的软弱粘性土层厚度较大,有些沉井底部不能到达稳定土层。为满足地基承载力和地基变形的要求,沉井设计应结合建筑物地基处理选择合适的方案,考虑相应施工阶段工况。根据不同地质情况对沉井下地基采取不同的加固方案。下面结合两个工程实例,阐述沉井方案的选取。

包括荷载计算、井体受力分析、最不利工况下的强度计算和裂缝宽度验算,按下沉阶段和使用阶段两种工况进行计算。下沉阶段井壁在垂直方向上截取单位高度的井壁段按照封闭刚架进行计算。在沉井的使用阶段,结构根据底板及隔墙浇筑完成后的结构体系和实际作用整体建模计算。确定使用阶段不同工况基底反力,按荷载设计值计算基底反力、底板内力,确定底板配筋,验算框架底梁的安全适用性以及结构的地基承载力是否满足规范要求。本沉井前后两面水平作用基本相同,不需进行沉井滑移和倾覆的稳定性验算。

2.1 工程案例之一

某现浇钢混凝沉井结构平面尺寸为25mx15m,下沉12m,沉井封底底标高下有12m左右的淤泥质土、粉土夹粉砂层,是较软弱的地基。对软弱地基进行旋喷桩加固处理,以达到加固土体、减小结构沉降的目的。沉井下沉到设计标高,保持下沉稳定后进行封底。封底施工时,预留进行地基处理的旋喷桩喷射管的贯入通道。沉井封底前,先在沉井内回填500mm厚砂夹石,然后浇筑封底混凝土。旋喷桩在沉井封底混凝土完全达到设计强度后进行,旋喷桩喷射管贯入土体深26m,成桩长14m,成桩直径600mm,桩孔间距约为1.6m,矩形布置。施工过程中采用一次排水下沉方式,排水方式采用井外排水(井点排水)。沉井下采用旋喷桩地基处理,解决了地基承载力不足、沉降过大和沉降不均匀的问题。

财务会计与管理会计有着紧密的联系,工作中也存在相似性,推动转型并不是对财务会计进行否定,而是将财务会计以及管理会计的优点进行融合。在保证企业会计信息公开、透明的同时,为企业战略的制定提供强有力的科学依据。因此应当对使用的财务资料格式进行适当的设计和调整。

2.2 工程案例之二

某现浇钢混凝沉井结构平面尺寸为40mx25m,下沉15m,沉井封底底标高下有35m左右较软弱的地层才到良好的持力层。为消除沉降及沉降差,满足地基承载力要求,沉井采用灌注桩方案。先进行灌注桩的施工,随后进行沉井的施工。沉井地基处理,也可采用管桩基础,为保证桩基础的安全,施工顺序亦需要改变,首先进行沉井的施工,待其下沉到设计标高,保持下沉稳定后在沉井上设置临时管桩施工作业平台、施工管桩,随后浇筑封底混凝土、施工底板。这样避免了沉井下沉时对桩基的影响。

3 结构设计

3.1.1 工程地质特征

3.1 方案设计

建筑物的设计首先应满足其使用功能要求,结构设计应根据其工艺条件进行。本泵站根据项目平面布置、场地条件、工艺条件以及常规经验选定沉井结构作为结构施工方案。

沉井计算应按施工和使用2个阶段进行。笔者以某工程提升泵站沉井为例,介绍沉井的设计计算及一些注意事项。

拟建场地位于广东省汕头市某区内,地貌单元属滨海淤积平原,原始地形开阔平坦,原为农用稻田,后经人工填置整平。岩土层的地质成因及形成时代可划分如下:

(a)素填土(Q4ml):主要由粉质粘土及少量碎块石组成,局部含较多块石,为新近平整场地填置而成。

(b)浅海~海湾相沉积土(Q4m):主要由深灰色淤泥、浅灰色粘土组成,形成于第四纪全新世。

Ffk-井壁总摩阻力标准值;

(d)残积土(Qel):由砖红、黄白、灰白色花岗岩残积土组成,形成于第四纪。根据地勘资料,第①②层土略;第③、⑥层淤泥,流塑,高压缩性,工程力学性质极差,为场地软弱土层;第④层细砂,松散~稍密,工程力学性质较差;第⑤层中粗砂,稍密~中密,工程力学性质较好(见表 1)。

2.3 不同性别婴儿常见的睡眠问题及发生率 在578名婴儿中有36.5%(211例)出现睡眠问题,其中常见睡眠问题发生率由高到低为入睡困难17.0%(98例)、睡眠昼夜节律紊乱12.3%(71例)、肢体抽动4.7%(27例)、打鼾2.6%(15例)。不同性别婴儿上述各睡眠问题的发生率比较差异无统计学意义(P>0.05),见表2。

 

表1 岩土层主要设计参数建议表

  

层序号 岩土性 状态地基承载力特征值f a k(k P a)1 素填土 松散(软)2 粘土 软~可塑 4.0 1 8.4 2 2.5 1 2.5 1 2 0 3 淤泥 流塑 1.4 1 5.0 7.6 0.9 4 0 4 细砂 松散~稍密 / 1 9.0 4.0 3 2.0 1 1 0 5 中、粗砂稍密~中密 / 1 9.5 / 4 0.0 1 8 0 6 淤泥 流塑 2.0 1 5.4 1 5.3 4.6 4 5压缩模量E s(M P a)天然重度γ(k N/m 3)粘聚力c(k P a)内摩擦角Φ(度)

All the data were represented as means ± SEM of three independent experiments. Comparisons were made by one- way analysis of variance (ANOVA). P values < 0.05 were considered statistically significant.

勘察查明,场址地下水主要为孔隙潜水和孔隙承压水二种类型。孔隙潜水赋存于上部第①、②土层中,动态不稳定。孔隙承压水主要蕴藏在第④层细砂、第⑤层中粗砂层中,含水介质为细砂及中粗砂。其中第④、⑤层为同一含水层,其厚度较大,含水性较好,透水性强,含水量较丰富。场地地下水位埋藏浅,同时又是台风多发地区,雨量充沛,易出现积水内涝;抗浮设防水位取场地外地坪标高。

3.1.3 方案选定

F’fk-井壁总摩阻力标准值;

唐以前的饮茶,可以说是煎茶引用方式,或者说是祛湿去寒的药饮方式,也可以是解渴式饮茶。慢慢到了唐代时期,开始细煎慢啜式的品茶,就这月从唐代晚期开始形成了我国几千年的饮茶方式。

水泥土搅拌桩复合地基、旋喷桩复合地基均适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土等土体,本工程待处理土体不含大孤石且障碍物较少,综合工程当地经验以及经济指标,选用水泥土搅拌桩处理待加固土体。

由于沉井底板设计标高位于第⑤层中粗砂层,土体力学性质较好,地基承载力特征值fak=180kpa,泵站的地基强度满足地基承载力的要求。用于加固的水泥土搅拌桩只需加固第③层淤泥,不需加固第⑤层中粗砂层(见图1)。

  

图1

3.2 下沉计算

按公式(3-1)计算,Kst=1.7.如下沉系数小于1.05(软弱土层)或小于1.15(其他一般土层),说明沉井自重小于沉井周围摩阻力,应配重或加大结构尺寸或调整外壁形状,并在施工时采用的水幕、气幕等方案助沉。如计算所得下沉系数过大、不能满足下沉稳定要求时(可能会发生超沉、突沉),应采取减小结构尺寸或加大刃脚踏面宽度,或增加底梁等措施。本沉井下沉系数过大,采用水泥土搅拌桩复合地基预先处理的方案,保证沉井下沉稳定。

 

Gk-沉井自重标准值;

Ffw,k-下沉过程中水的浮拖力标准值;

(c)海陆交互相沉积土(Q3mc):主要由浅灰~浅黄~黄白~灰白粉细砂、中粗砂和浅灰~灰黄~灰白色粉质粘土、粘土及深灰色淤泥或淤质土组成,形成于第四纪晚更新世。

要求下沉系数Kst≥1.05;

水泥搅拌桩直径500mm平面布置按图3-2,桩长自刃脚下砂垫层开始至完全进入第⑤层中粗砂层2m为止,约15.5m。按公式(3-2)估算所得fspk=75kPa。

 

λ-单桩承载力发挥系数,可按地区经验取值(0.8~0.9);

3.1.2 水文地质特征

Ra-单桩竖向承载力特征值(kN);

Ap-桩的截面积;

β-桩间土承载力发挥系数,可按地区经验取值(0.1~0.4);

橡胶内胎慢撒气,应将内胎空气尽量放尽,用硬纸做个漏斗插入气门嘴,取两汤勺滑石粉灌入内胎,完毕后装上气门蕊按标准充好气。滑石粉在胎内散开后呈弥漫状粘附在胎壁上,可有效阻止微小气孔缓慢撒气,效果很好。

按公式(3-3)验算下沉稳定系数Kst,s时,Rb取沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载力之和。本沉井取2倍fspk。150kPa。计算所得Kst,s=0.81,满足下沉稳定性要求。

 

Kst,s-下沉稳定系数,0.8~0.9;

近日,勃艮第葡萄酒行业协会(BIVB)在北京、上海和广州三地组织了三场关于夏布利风土气候(Chablis Climats)的研讨会。近百名葡萄酒业内人士参与了这场探索夏布利2014、2015、2016年份风味的深度之旅。在勃艮第葡萄酒的专业讲师齐绍仁、徐伟和蔡颖姬的带领下,与会的业内人士品鉴了来自夏布利一级园、特级园的7款佳酿。此次活动是讲师和各位与会者畅意交流的盛会,也使得业内人士更加深入地了解夏布利的风土气候。

F’fw,k-水的浮拖力标准值;

本提升泵站为现浇钢筋混凝土结构,矩形(9.8mx5.9m),埋深10.55m。与地质结构剖面相结合的沉井结构剖面如图1。由于该沉井从地表开始下沉,一直到设计标高,刃脚及井壁基本处于第③层淤泥中,工程难点重点就是对于软土中沉井下沉过程的速度、偏位纠正等指标控制。综合考虑地形条件、水文地质情况及泵站的布置要求,并参考淤泥的单位摩阻力标准值fk,初步判断如按常规做法,软土不做处理则沉井下沉系数大于1.5,不满足规范要求,有可能发生突沉等情况。所以拟先采用水泥土搅拌桩布置在井壁刃脚及底梁范围,加固处理第③层淤泥,减少下沉系数Kst,保证沉井下沉稳定。同时沉井采用不排水下沉、水下封底的施工方式,施工中应保持沉井内外水位的平衡,一方面增大沉井浮力控制下沉速度,另一方面防止由于地下水的渗流作用造成井壁外侧土体的流失或破坏,从而引起沉井下沉过快或失稳导致水泥土搅拌桩提前破坏。

Rb-沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载力之和;

第⑥层土为软土,经软弱下卧层验算可以满足要求。

  

图2

3.3 井体结构计算

3.3.1 井壁纵向弯曲和竖向拉断计算

本沉井采用混凝土垫层,可不考虑纵向弯曲计算,根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS 137-2002之1.9条,土质均匀的软土地区可不进行井壁的拉断计算。

3.3.2 水平竖向框架及底板计算

孙子认为:“寡者,备人者也。众者,使人备己者也。”在篮球场上,优势往往掌握在拥有主动权的一方。想要战胜对手,就应当让对方跟着自己的节奏和打法走。他认为“进而不可御者,冲其虚也;退而不可追者,速而不可及也。故我欲战,敌虽高垒深沟,不得不与我战者,攻其所必救也;我不欲战,画地而守之,乖其所之也。”在篮球场上,也应当善于通过隐藏实力和技战术的变化来迷惑对手,调动对手。使对方疏于设防,疲于奔命并暴露弱点,从而“以利动之,以卒待之”。

3.3.3 刃脚计算

刃脚受力大且复杂,截面大且配筋密集。刃脚形成一封闭的水平框架时,水平外力应进行分配。当不计刃脚水平框架作用时,取单位宽度作为悬臂梁,分别按刃脚向外弯曲(计算刃脚的内侧竖向钢筋和水平钢筋)和刃脚向内弯曲(计算外侧竖向钢筋和水平钢筋)。上述计算为人工计算方法,还可以用SAP200等软件进行沉井的空间结构计算。

3.4 封底厚度计算

结构下沉至设计标高,用素混凝土进行封底,封底素混凝土上留插筋与泵站底板相连起抗浮作用。经计算封底混凝土厚度满足抗浮稳定要求和封底混凝土的强度要求。强度作用取施工期间可能承受的最大荷载:

(a)最大浮力;

(b)低水位沉井自重引起的基底净反力两者的较大值计算。

“舞蹈的意境可以分为实境和虚境,意境的生成是由实境与虚境相结合而产生的。”②实境是舞蹈作品中展现的,可被观众直接接收的形象。虚境则是通过演员的表演所传递给观众的真实情感,是需要观众通过接受到实境,而产生的联想。实境需要靠演员的专业水平去表现,虚境则需要情态的引导。“意境是“情”与“景”的结晶体。意与境相互交融,完美结合,浑然一体,景中有情,情中有景方是上品。”③舞蹈意境是舞蹈形象和虚拟现实形象中所构建的审美空间。在舞蹈表演中,景物是虚构的、想象的外部环境,主要表现为舞蹈的造型和动作。情感是舞蹈创作的源泉,是舞蹈表演的中心环节。舞蹈表演是通过逼真的身体动作来传达人物的情感和灵魂。

3.5 抗浮验算

根据施工过程控制水位和可能出现的最高水位,沉井抗浮验算按施工期封底后和正常使用两个阶段进行计算。按GB50069-2002《给水排水构筑物结构设计规范》中4.3.3条验算,本沉井施工期封底后水位应控制在-5.0m以下,才能满足抗浮要求。

4 结构施工与监测

4.1 水泥土搅拌桩施工

现场自然地表面为素填土,成份不均且地基承载力低,不利桩基就位、施打以及沉井制作,故先挖出于泵站位置自然地坪以下第①层素填土层,换填平均800mm厚的中粗砂,兼做水泥土搅拌桩褥垫层且方便桩基就位,完成水泥土搅拌桩施工。

4.2 沉井制作

为加快进度,节省工程投入,在水泥土搅拌桩强度达到要求且监测合格后,沉井制作采用分段制作,一次下沉的方法(不排水自重下沉)。考虑到刃脚范围是已经加固的土体,故直接在沿刃脚踏面做C15素混凝土垫层支撑井壁,宽1 000mm,厚600mm。分两段制做,第一段高度8.05m,第二段高度4.50m。泵站上部结构在沉井下沉至设计标高、浇筑封底混凝土后进行。

4.3 沉井下沉及封底

沉井混凝土达到设计强度、做好沉降观测点安装及其他准备工作后,可开始沉井下沉。对称挖除刃脚下垫层,再采用人工逐层对称挖除碎石砂层下沉。施工中采用降水井控制井外水位。采用不排水法下沉,水下封底混凝土浇筑。封底前由专业潜水员对坑底浮泥进行清理,达到要求后再进行封底施工。封底时保证井内水位不低于于井外水位。抽出水井内积水,并重点控制井外水位不超过-5.0米以免沉井上浮。施工沉井底板及上部结构。

4.4 过程监测

4.4.1 监测内容

(a)刃脚高差;

(b)下沉速度层;

(c)平面位移控制。

4.4.2 监测方法

在沉井下沉前,将每个沉井各个角点处的高程及沉井轴线放样并做好可靠标记,测量记录原始数据,绘制测量监控平面图,计算下沉具体高度。下沉分三个阶段,即首沉2m(每30分钟观测记录),中间阶段(每2h测量记录),终沉2.0m(每30分钟观测记录)。终沉阶段最后2m范围内要减小开挖深度放慢开挖速度,防止突沉和超沉事故发生,以纠偏为主,下沉为辅。当沉速8h不超过1cm时即认为沉井已趋稳定。

4.4.3 监测结果

沉井自开始下沉至下沉结束共20天。由于用水泥土搅拌桩复合地基处理后的土体均匀,增大了沉井下沉阻力,所以整个下沉过程速度可控并未发生大的尺寸偏斜及位移。整个过程安全,顺利,收到了比较好的效果。刃脚高程与设计高程的偏差不超过10cm;沉井四角中的任何两井顶面中心的水平位移不超过下沉总深度的1%。

5 结语

沉井作为一种特殊的建筑物结构,是解决软土地基地下建构筑物的主要办法之一。一般结构构件截面设计,由使用阶段要求决定,沉井结构因其施工方式的特殊性增加了施工阶段的内力设计。针对软土地基,一部分沉井埋深较浅,软弱黏性土层厚度较大,底部不能到达稳定土层;而另外一部分沉井需要解决下沉过程中的软土问题。为保证结构自施工开始到竣工结束使用阶段各方面都满足规范要求,沉井在设计时,需要结合地质情况不同地基采用适宜的地基处理方案。另外沉井的设计应根据现场条件和施工方案进行,设计时不仅要考虑保证沉井本身的强度和安全,还要考虑施工时可能发生各种的险情。要按照既定方案进行,更要充分考虑不利情况,做好应急预案,一旦发生危险情况,及时采取措施,做到有备无患。设计单位应随时了解施工情况,及时发现问题、解决问题,做到设计施工紧密结合,才能保证沉井设计施工的顺利进行。

参考文献:

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[1]中国标准化协会标准[S].给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程CECS137:2002.北京:中国建筑工业出版社,2003.

[2]葛春晖.钢筋混凝土沉井结构设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[3]中国标准化协会标准[S].建筑地基处理技术规范JGJ 79-2012.北京:中国建筑工业出版社,2013.

 
马涛
《建材发展导向》 2018年第08期
《建材发展导向》2018年第08期文献

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