沉井结构设计计算

沉井结构设计计算第一章概述第一节沉井的涵义及应用范围沉井是一种在地面上制作、通过取除井内土体的方法使之沉到地下某一深度的井体结构。利用沉井作为挡土的支护结构，可以建造各种类型或各种用途的地下工程构筑物。沉并施工方法是修筑地下构筑物或深基础工程特殊而重要的施工方法，而沉井结构则是与这种施工方法相适应的工程结构。与沉井相类似，沉箱也是通过取除箱内土体使之沉到地下的一种工程结构，所不同的是沉箱在取除箱内土体的过程中，箱内必须保持一定的气压，使箱外的土和水不致渗入箱内，人员可在箱内进行取土作业。沉井则因可在水下取土而无需在井内加压，这是两者主要的区别之处。沉井的应用范围一般有以下几方面：一、当构筑物埋置较深，采用沉井方式较经济时；二、当构筑物埋置很深(如矿山的竖井)时，采用其他施工方式有困难，采用沉井最合适；三、新建构筑物附近存在已有建筑物，开挖施工可能对已有建筑物产生不利影响，就应考虑使用沉井；四、江心和岸边的井式构筑物，排水施工有困难时，采用沉井是最佳选择；五、建筑物的地下室、拱管桥的支墩及大型桥梁的桥墩采用沉井结构都有成功实例。第二节沉井的特点沉井作为建造地下工程构筑物或深基础的一种方法，与其他方法相比，具有十分明显的特点。一、沉井与广泛应用的大开挖方法相比，特点如下：(一)如果大开挖不设支护，则不但土方工程量大，而且往往由于需留出开挖边坡，使场地面积大大增加；沉井的土方工程量则可以限制在沉井的体积范围内，而且因为无需留出边坡，场地面积也可大大减少。(二)沉井不但可以作为地下结构的外壳部分，而月在挖土下沉的过程中可作开挖支护。与设支护的大开挖方法相比，省去了开挖支护的费用。(三)在地下水丰富的地区，大开挖方法的降水措施是必不可少的。这一措施需花费大量的人力与物力，而沉井施工方法则因町以采用水下挖十及水下封底等技术而节省了降水或排水的费用。(四)对于一些深度较大的地下构筑物或深基础，大开挖法往往是不可能的或是费用巨大，此时，沉井的优点则是无法比拟的。深度越大，则沉井的优点就越为突出。二、沉井与沉箱相比，特点如下：(一)一般情况下，沉箱法所需的专用设备多，而沉井法则因所需的专用设备比较简单而易于满足，所需费用也比沉箱法为小。(二)沉箱法在作业过程中，箱内人员需在高于大气压力的条件下操作，其操作条件不如沉井法；而如下沉的深度较深，则需进——步增加箱内的气压而使箱内的操作条件大大劣化。所以，沉箱的下沉深度是受到一定程度的限制的，一般不超过35-40in，而沉井的下沉深度则无此限制。三、沉井法虽然具有一定优点，但在一些情况下，其应用也是受到一定程度的限制的,这表现在：(一)沉井在下沉的过程中，对周围一定范围内的土体将产生扰动，在一些土层中，这种扰动还相当严重，如果周边环境对这种扰动的反应敏感，则还必需采取环境保护措施。(二)在下沉深度范围内，沉井刃脚下必须无大块孤石、坚硬的土层或其他障碍物，否则沉井的下沉将受到严重的妨碍。一旦遇到上述障碍，无论是排水下沉与不排水下沉，在下沉过程中要处理这些障碍物是非常田难的。对于深度较深的沉井，要完全摸清刃脚下的情况也十分费力。第三节沉井技术的发展状况沉井，这一由古老的掘井作业发展而来的技术，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。从20世纪50年代借鉴国外的设计理论和经验开始至今，我国建造的沉井不下1000座。其体积从直径2m的集水井到巨大的江阴长江大桥的主索平衡墩(体积达60mx58mx50m)；沉井形状包括方形、矩形、多边形、圆形和椭圆形；构造方面有单壁沉井、双壁沉井、独立沉井和连续沉井；施工方法方面，则有陆地沉井、筑岛沉井和浮运沉井等。无论是设计理论方面或是实践技术方面均积累了十分丰富的经验。现在我国已有了自己的设计规程和施丁验收规范。在沉井技术的发展过程中，为使沉井能下沉到更深的深度，减少井壁与土层间的摩阻力这一课题受到了国内外的普遍关注。为达到这一日的，在井壁外喷射压缩空气和压注触变泥浆两种技术应用最为广泛，早在1946～1963年间，国外就采用喷射高压空气减阻的方法，使沉井的下沉深度达到130m以上。到20世纪70年代，采用此法的下沉深度达到了200m。应用触变泥浆套减阻的方法首先在欧洲推广，至1961年，已经用这一方法下沉了450座沉井，深度为20~30m，个别的达到45m，而由于减少了摩阻力，其井壁厚一般不超过O．4m。1975年间，国外某公司建造了36座用此法下沉的沉井，其井壁厚一般也仅为0．4-o．5m。上述我国江阴长江大桥主索平衡墩的沉井，也采用了喷射高压空气的减阻技术，此外，还有采用振动法减阻下沉的沉井，上述这些技术措施均获得了良好的效果。可以预料，随着工程应用范围的不断扩大，沉井的设计技术和施工技术必将得到更为迅速的发展。第四节沉井的分类及用途沉井的类型较多，其用途也不相同，设计沉井时应根据沉井的用途和具体条件选用合适第2页第二章材料第一节材料选用1．干式沉井主体结构采用的混凝土强度等级不宜低于C20，受水浸泡的沉井主体结构的混凝土强度等级不低于C25，在严寒和寒冷地区混凝土强度等级不低于C30；水下封底混凝土强度等级不宜低于(220。海水环境和有侵蚀性物质影响环境的沉井，材料选用应符合有关标准的规定。2．凡有抗渗要求的沉井，壁板和底板混凝土抗渗等级按表2-1—1选用。3，最冷月平均气温低于—3℃的地区，外露的钢筋混凝土沉井的混凝土应具有良好的抗冻性能，并应按表2-1-2的要求采用。混凝土的抗冻等级应进行试验确定。4．沉井混凝土满足抗渗要求时，一般可不作外加的抗渗处理；当地下水和井内贮水对混凝土和钢筋具有腐蚀性时，按现行的有关规范或进行专门试验确定防腐措施。5．沉井混凝土碱含量最大限值应符合《混凝土碱含量标准》(CECs53)的规定。当采用碱活性骨料时，混凝土中的最大碱含量为3．Okg／m3，采用非碱活性骨料时，对混凝土中的硷第6页含量可不作限制。6．沉井结构的混凝土根据需要可适当采用外加剂，采用外加剂时，应符合《混凝土外加剂应用技术规范》(GB500119)的规定。7．普通钢筋可选用HPB235、HRB335及HRB400、RRIM00等热轧钢筋，对必须控制裂缝宽度的构件宜优先选用带肋钢筋。第二节材料强度和弹性模量1．混凝土标准强度、设计强度和弹性模量按表2-2-1-表2-2-3采用。第三章沉井结构上的作用第一节作用分类和作用代表值一、作用分类沉井结构上的作用可分为永久作用和可变作用两类。永久作用包括结构自重、上部建筑荷重、土的侧向压力、沉井内的静水压力；可变作用包括沉井顶板和平台上的活荷载、地面活荷载、助沉加载、地下水压力(侧压力、浮托力)、顶管的顶力、流水压力、融流冰块压力等。二、作用代表值对永久作用，应采用标准值作为代表值；对可变作用，应根据设计要求采用标准值、组合值或准永久值作为代表值。三、效应组合当结构承受两种或两种以上可变作用时，承载能力极限状态设计或正常使用极限状态验算按短期效应组合设计，采用组合值为可变作用代表值。可变作用组合值为可变作用的标准值乘以作用组合系数。当正常使用极限状态验算按长期效应组合设计时，采用准永久值作为可变作用代表值。可变作用准永久值为可变作用的标准值乘以准永久值系数。第二节永久作用标准值一、自重标准值选用结构自重的标准值，可按结构构件的设计尺寸与相应材料的重度计算确定，钢筋混凝土重度一般取25kN／m，，素混凝土重度一般取23kN／m3。上部建筑自重的标准值按实际情况计算。永久设备的自重标准值，可按设备样本提供的数据采用，在构件上的设备转动部分自重及轴流泵的轴向力应乘以动力系数作为标准值，动力系数可取2．o。二、作用在沉井壁上的侧向主动土压力强度标准值主动土压力计算公式详见本手册第五章的第三节。第三节可变作用标准值和准永久值系数一、地面活荷载作用在沉井壁上的侧压力标准值1．地面活荷载呵分为地面堆积荷载和地面车辆荷载；2．地面堆积荷载作用在沉井壁上的侧压力强度标准值，可将该荷载标准值折算为等效第10页的土层厚度进行计算。当无明确要求时，地面堆积荷载标准值一般取10kN／m2；3．地面车辆荷载作用在沉井壁上的侧压力强度标准值，为该荷载标准值传递到计算深度处的竖向压力标准值乘以计算深度处土层的主动土压力系数进行计算；4．地面堆积荷载和地面车辆荷载作用在沉井井壁卜的侧压力标准值取二者中的大值，准永久值系数可取o。二、地下水(包括上层滞水)对沉井作用的标准值和准永久值系数1．沉井侧壁上的水压力标准值应按静水压力计算；2，计算地下水压力标准值的没计水位，应按施工阶段和使用阶段当地可能出现的最高和最低水位采用；3．水压力标准值的相应设计水位，应根据对结构的作用效应确定取最低水位或最高水位。当取最低水位时，相应的准永久值系数应取1．o；当取最高水位时，相应的准永久值系数可取平均水位与最高水位的比值。三、流水压力标准值当沉井位于江心时，作用在沉并上的流水压力标准值，应根据设计水位按(3—3—1)式计算确定，流水压力分布如图3—3—1。流水压力的准永久值系数，参照本章第三节第二款确定。第四章基本设计第一节沉井设计原则一、各类沉井结构构件均按承载能力极限状态计算。二、除刃脚外其他沉井结构构件在使用阶段均应进行正常使用极限状态验算。对轴心受拉或小偏心受拉的构件按短期效应组合进行抗裂度验算，对受弯构件和大偏心受拉构件按长期效应组合进行裂缝宽度验算，对需要控制变形的结构构件按长期效应组合进行变形验算。三、各种型式的沉井都要进行沉井下沉、下沉稳定性及抗浮稳定性验算，对于埋深不均的顶管井在必要时还要进行沉井结构的倾覆和滑移验算。不同的稳定特性采用不同的设计系数，验算时，抵抗力应只计入永久作用(可变作用不应计入)，所有组合作用力均采用标准值。沉井设计特征系数见表个1—10第14页Qlk—第一个可变荷载的标准值，该荷载的效应yQ，CQlQ1k大于其他任意第／个可变荷载的效应YOjCjOjk；Qjk--厂其他第j个可变荷载的标准值；Cgi、cQl、cQi；——分别为第i个永久荷载、第一个可变荷载、第／个可变荷载的荷载效应系数；＆e——可变荷载的组合值系数，一般情况下取o．9。2．永久荷载分项系数，应按表4-2-1采用。第五章沉井结构设计计算沉井在下沉时，是一种工具性的围护结构，在终沉封底或填充后又常成为深埋基础或地下构筑物的组成部分。因此，在各个不同阶段，从制作、下沉直到建成投产使用，沉井各部位的传力体系、所承受的外力及作用情况都在不断变化。所以，沉井结构的设计计算应按从施工到使用的各个阶段分别依序进行，以保证沉井结构能满足在施工、运行等各个阶段的强度、刚度和稳定性的要求。沉井施工阶段的训—算，与所选定的施工方法有关，对于不同的施工方案，它在施工阶段的设计计算内容也不相同。例如，相同的沉井，当采用排水取土下沉时，井壁所受到的水、土压力等外荷载就比采用不排水取土下沉时的情况要大。又如，当沉井采用触变泥浆润滑套助沉时，土壁对沉井的摩阻力将大大减少。由于沉井在下沉施工阶段是无底无盖的筒状结构，当进行井壁结构计算时，通常在竖向截取单位高度(可选取数个不同深度)的一段，作为平面框架结构进行计算。如果沉井平面尺寸较大，难以满足强度和刚度要求，而在工艺、构造条件允许时，可加设内部支撑予以分隔，做成纵、横隔墙或撑梁，以及竖向框架等形式。此时，沉井结构先经过平面计算再作竖向计算。沉井使用阶段的计算，是指构筑物全部建成，沉井已经封底、填充或加盖，做好了内部隔墙及上部结构等，这时候结构传力体系及受力状态相对于施工阶段又有了变化，应再作为整体深基础或地下构筑物进行验算。沉井各部位的截面及配筋，应综合各阶段最不利的受力状态进行设计。第一节设计计算的内容和步骤一般的沉井结构设计计算的内容和步骤如下：1．根据水文、地质资料及工艺使用要求和施工条件，确定沉井的平面形状、尺寸、埋置(下沉)深度，布置结构体系，选定施工方案。2，确定截面尺寸计算外荷载，并绘出水、土压力计算图形。根据结构布置，估算封底混凝土厚度。初步确定沉井井壁厚