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产品知识

T形沉井的基础及下沉稳定性施工设计

发布时间:2021-03-03 10:00 人气:

  1、工程概况及特点

  某污水处理厂粗格栅及进水泵房采用现浇钢筋混凝土结构、沉井法施工。

  进水泵房、粗格栅平面均为矩形,两者组合形成平面“T”形。进水泵房钢筋砼结构外部平面尺寸为13.9×7.4m,内有六道梁;粗格栅钢筋砼结构外部平面尺寸为13.25×8.8m,内有两道隔墙,隔墙厚0.4m.沉井在刃脚位置被梁和隔墙分成六格。沉井刃脚处宽1.2m,刃脚底宽0.4m,高1.6m;井壁厚0.7m;沉井高12.63m.根据设计及以往施工经验,沉井施工拟分两次浇筑、两次下沉;沉井采用不排水法下沉。

  该沉井基础施工具有以下特点:

  (1)混凝土一次性浇筑高度高(每节高约6.5m),即重心高,稳定性差;

  (2)仅靠第一节下沉后形成的支撑力不能满足第二节制作时的稳定要求;

  (3)形状特殊,为“T”形,重心与形心不重合,增加了沉井基础施工难度。

  2、地质情况

  拟建场区原为水田,淤积着大量的淤泥,已提前予以挖除。该工程的地质勘察报告显示,沉井设计刃脚底标高-3.35m位于5-1含圆砾细砂层。

  3、沉井基础设计及施工

  3.1 沉井第一节自重

  经计算,沉井第一节自重G1=8759kN;

  即沿刃脚每延米沉井重q1=8759kN/70.7m=124kN/m;

  考虑施工荷载,取沿刃脚每延米沉井重Q1=1.15q1=124×1.15=143kN/m.

  3.2 沉井基槽开挖

  为了减少沉井立模支架的高度、下沉深度和便于施工,淤泥挖除后再开挖深约0.7米的基槽(基础座落于2-1层),以方便垫层基础施工,开挖边坡1:1,四周设排水沟,通过水泵排水,保证施工需要。

  3.3 砂垫层厚度计算及铺设

  根据砂垫层允许承载力的计算公式:

  [P]=[σ]×(1 2Htgφ)-γH

  其中:[σ]―地基承载力,现基础位于2-1层,取[σ]=100kPa;

  φ ―砂垫层扩散角,取φ=40°;

  γ ―粗砂容重,取γ=16.5kN/m3;

  H ―粗砂垫层厚度;

  [P]―砂垫层允许承载力,取设计值[P]=160 kPa.

  经计算,H=0.4m.

  考虑砂垫层采用小型平板式振动机械压实,其压实系数取0.96,故取砂垫层设计厚度H=0.5m.基坑排水后,在井壁外2m范围内整个基槽铺设中粗砂垫层,

  3.4 承垫木间距计算

  承垫木采用标准枕木,标准枕木截面尺寸25cm×16cm,长度2.5m.

  每延米所需枕木数:

  n=Q1/(F×[P])

  其中: Q1―每延米沉井重143kN/m;

  F―枕木接触面积,标准枕木F=2.5×0.22=0.55m2;

  [P]―砂垫层允许承载力,取设计值[P]=160kPa.

  计算得n=1.63,所以承垫木间距1/1.63=0.61m,取设计承垫木间距0.5m.

  在砂垫层上的沉井墙壁转角处分别设八组定位支架,定位支架为每五根枕木密排;再沿刃脚轴线的垂直方向,铺设枕木,枕木中心间距50cm.枕木铺设要求平整,其高差不宜大于10mm,以利受力均匀。

  枕木间的间隙用中粗砂找平、平板振捣器振平、密实,中粗砂铺设宽度、位置同枕木长度。然后沿刃脚底面位置再浇筑5cm厚C10素混凝土(其下先设置一层宽50cm的塑料薄膜,以与枕木隔离),素混凝土基础的水平投影面控制在刃脚两侧模板范围内,宽度同刃脚底面宽,为40cm,作为沉井浇筑前的基础。

  4、第二节沉井混凝土浇筑时的稳定性验算及技术处理

  第一节沉井下沉到标高(露出地面50cm)时,浇筑第二节沉井的稳定性计算如下:

  4.1 第二节沉井自重及总重

  第二节沉井自重G2‘=8216kN,考虑施工荷载取G2=1.15G2=9448kN.即第一节和第二节沉井总重ΣG=8759 9448=18207kN.

  4.2 由于采用不排水法下沉,此时井内(地下)水位在第一节沉井下50cm(即5.5m标高)位置,浮力F=rWV=10×337.4=3374KN

  其中水的重度rW=10KN/m3,水位5.5m标高下钢筋砼沉井体积V=337.4m3

  4.3 外露50cm时,井周摩阻力T1=S×fk =380×17=6460kN

  其中井周与土接触面积S=380m2;fk为井周摩阻系数,取fk=17kPa.

  4.4 刃脚踏面阻力及横隔梁下阻力

  T2= ΣS×[σ]=(70.7×0.7 6.4×0.4)×120=6553kN

  其中刃脚踏面积、横隔梁踏面积之和ΣS为(70.7×0.7)m2 (6.4×0.4)m2,土基承载力在4-2砂质粉土层,取[σ]=120 kPa.

  4.5 总向上的力为 ΣT=F T1 T2=3374 6460 6553=16387kN

  4.6 总向下的力(自重和施工荷载)为ΣG =18207kN

  4.7 稳定系数kst,s=ΣG/ΣT=18207/16387 =1.11≥1.05,由于稳定系数较大,可能产生自沉,需进行止沉处理。

  4.8 防止自沉的处理措施

  在以往干沉法(即排水法)施工中,通常采用加设“帽沿”或在井外壁换填塘渣的方法,来增加侧壁摩阻力。本次施工在保持井内水位高度维持在与基槽水平(此时浮力最大)的同时,将在井内回填材料,来增加侧壁的摩阻力。

  由于采用的是不排水法下沉,井内土体通过冲水已稀释成泥浆,再用泥浆泵排至沉淀池,显然沉淀池的沉淀物不可以作为回填材料。而根据地质报告,在厂区内4.5m深度范围内土质为耕植土、粉质粘土、粘质粉土混砂,若取土回填在井内,无疑将会被稀释成泥浆,并且小颗粒材料的摩阻系数相对较小;若改用塘渣,塘渣粒径太大,无法采用不排水法用泥浆泵排出;最后确定采用中粗砂作为回填材料,来增加对侧壁的摩阻力。

  已知井内周长167.2m,中粗砂对侧壁的摩阻系数fk砂=20kPa.取回填中粗砂高为1.6m,即所增加对侧壁的摩阻力Δf=167.2×20×1.6=5350kN

  ΣT=ΣT Δf=16387 5350=21737kN

  下沉稳定系数kst,s=ΣG/ΣT‘=18207/21737=0.84,满足《给水排水钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS137:2002的稳定系数0.8~0.9的要求。

  回填中粗砂在第二节沉井制作前进行,以方便材料的运输和施工,由于中粗砂是在水下,可用插入式振捣器振捣密实。之后再进行钢筋、模板安装,有足够的自密实时间。

  5、超沉验算

  G总= G1 G2=8759 8216=16975kN

  沉到位刃脚踏面处于5-1层,fk=135kPa.

  经计算,不会产生超沉。

  6、抗浮计算

  在水下混凝土浇筑后,底板施工前,按照7.0m标高水位计算,刃脚底标高-3.35m.

  水深h=7-(-3.35)=10.35m

  在水中的体积V=2271m3

  浮力F浮=10×2271=22710kN

  沉井自重G总= G1 G2=8759 8216=16975kN

  侧壁所受的摩阻力T阻=69.1×9.35×17=10983kN,其中周长S=69.1m,沉井埋深h=9.35m,土对侧壁的摩阻系数fk=17kPa.

  向下的力T总=16975 10983=27958kN

  抗浮系数K=27958 KN/22710KN =1.23>KfW=1.0,满足《给水排水钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS137:2002的抗浮要求。

  7、结束语

  根据以上的计算设计,在实际施工中予以了实践,并作了观测监控。

  第一节混凝土浇筑完成,基础沉降值最大为8mm,不均匀沉降最大为5mm;第二节混凝土浇筑完成,基础沉降值最大为10mm,不均匀沉降最大为4mm;观测结果验证了基础及下沉稳定性设计、验算的正确性。

  封底混凝土灌筑完成14天后,把井内水打干,对封底混凝土检查,未发现渗漏现象;同时我们对沉井作了轴线、标高复测,与设计相比,轴线偏差为横向10mm、纵向18mm,标高最大偏差为8mm,相邻观测点不均匀高差为4mm,均很好的满足了设计和施工质量标准要求。

  参考文献:

  1、《给水排水钢筋混凝土沉井结构设计规程》CECS137:2002

  2、《钢筋混凝土沉井结构设计施工手册》 中国建筑工业出版社 葛春辉主编

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