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基坑沉井围护结构

356 2021-11-04 10:56:07

概述

沉井是用钢筋混凝土等材料制成的带有刃脚的箱形或筒形结构物。施工时就地逐节浇筑井身,同时在井内连续挖土,依靠自重克服井侧摩阻力不断下沉。直至预定位置。

沉井可用作深基础和地下建(构)筑物的施工围护结构,如桩承台基础型的高层建筑地下室和各类设备基础,深基础型的水泵房基础等。沉井在建成后常常成为深基础和地下建(构)筑物的一部分。

沉井的平面形状有圆形、椭圆形和矩形等。主要由井壁和刃脚组成。根据基坑的尺寸、地下建(构)筑物的结构以及工程地质、水文地质条件,考虑内隔墙、凹槽、底板和顶板的设置。沉井的构造和作用力系见图9.4-1。

沉井的适用条件为∶

(1)地层比较均匀平整,无影响沉井下沉的大块石、漂石及障碍物。

(2)土层的透水性较小,如软粘土,采用一般的排水措施可进行开挖。若在砂土中下沉,则要采取降水措施或水中下沉。

(3)因沉井下沉造成的井周土体破坏、沉陷和因抽水造成的井周地面下沉对周围建筑物和市政设施的影响在容许程度内。

(4)基坑面积不宜太大,且形状较规则,一般控制在边长和直径不大于 50m。但根据施工条件和施工经验,也可适当增大。

(5)要有准确、完整的工程地质及水文地质勘察资料。

沉井围护结构能同时起到挡土、挡水、防渗和承力的作用。具有占地面积小,整体刚度大,可在地面上施工等优点,而且还可以作为地下建(构)筑物的一部分,如井壁作为地下室外墙。内隔墙作为结构核心墙。但沉井作围护结构宜用于面积不太大目形状比较规则的基坑,对地层的均匀性和平整度要求较高,且控制沉井平稳下沉需要一定的措施和经验。

作用机理

钢筋混凝土沉井,由井壁、刃脚、内隔墙、凹槽等组成,用于挡土、截水、防渗和承力。刃脚能减小下沉阻力,使沉井依靠自重切土下沉。根据土质软硬程度和沉井下沉深度来决定刃脚的高度、角度、踏面宽度和强度,在土层坚硬的情况下,刃脚或踏面常用型钢加强。

井壁用于承受井外水、土压力和自重,同时起防渗作用。根据下沉系数和地质条件决定

井壁厚度和阶梯宽度等。

设置内隔墙能增大沉井刚度,缩小外壁计算跨度,同时又将沉井分成若干个取土井,便于掌握挖土顺序,控制下沉方向。

沉井视高度不同,可一次浇筑,也可分节浇筑,应保证在各施工阶段都能克服侧壁摩阻力顺利下沉,同时保证沉井结构强度和下沉稳定。

9.4.3 设计计算

沉井的设计计算主要是验算各施工阶段的井身强度,一般不需考虑地基的强度和变形问题。设计内容主要包括以下三个方面∶

(1)确定外形尺寸;

(2)计算下沉系数和稳定系数;

(3)各施工阶段的刃脚、井壁以及封底混凝土的强度计算。

1.尺寸确定

(1)平面尺寸

沉井下沉过程中会发生不同程度的倾斜和位移,因此沉井的平面尺寸应大于基础尺寸,即要在四周留有襟边,一般规定襟边宽度不小于沉井总高的1/50,同时也不小于20cm,如果施工条件差,蒸边宽度还要加大。

沉井的平面形状以圆形为佳,矩形和椭圆形沉井的长短边之比一般不宜大于3,以保证下沉时的稳定性。作为围护结构的沉井尺寸不宜太大,从我国较成功的工程实例来看,直径或边长在 50m 左右。

(2)高度

沉井围护结构的入土深度。主要取决于地下建(构)筑物的基础埋深.例如,对于高层建筑的桩承台基础地下室,沉井刃脚底面位于承台底面标高处,对于循环水泵房,刃脚根部位于底板底面处。此外。还应根据场地工程地质和水文地质条件。针对以下各方面的要求进行验算∶

1)沉井稳定性要求;

2)基坑底抗隆起、管涌及控制渗水量要求;

3)施工影响范围内建筑物(包括市政工程设施)的安全防护要求。

沉井的顶面标高主要根据地下建(构)筑物的结构要求设定,一般设在地面下0.2m 或在地下水位以上0.5m。实际施工时,常在沉井顶面设置环墙,墙顶高出地面,作为安全护栏。

(3)壁厚

井壁和内隔墙的厚度主要根据下沉系数和沉井本身的强度和刚度要求确定,井壁厚度一般为0.6~1.5m。对一些小沉井,井壁也可用0.3~0.4m;内隔墙厚度为0.5m左右。在并侧摩阻力较大的情况下,井壁可制成台阶形,台阶宽度一般取0.1~0.2m。

此外。刃脚踏面宽度和角度应根据沉井自重和地基土强度确定。在土层较坚硬的情况下,刃脚可作成尖角,并常以型钢加强。刃脚踏面宽度一般取0.2~0.4m,刃脚斜面与水平面交角一般取 40°~60°。

内隔墙一般布置在刃脚斜面上,刃脚高度一般取1.5~2.0m。可以通过调整内隔墙底和刃脚底面的高差来控制沉井下沉。

沉井的尺寸要根据施工和使用的要求,经过多次验算,才能最后确定。

2.下沉系数和稳定系数的计算

(1)下沉系数k1

当初步设定沉井尺寸后,应对各施工阶段,沉井能否克服土的阻力顺利下沉进行验算。建议下沉系数k1应满足下式要求∶

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砂垫层宽度以满足抽垫木要求为主,在沉井每侧增加 2.5~3.0m。

(2)砂垫层施工

1)开挖基槽

按砂垫层宽度要求开挖基槽,在槽底设置排水沟和集水井。集水井要比排水沟底深60cm以上。

2)铺设砂垫层

砂垫层宜采用颗粒级配良好的中砂、粗砂或砾砂。在刃脚下可掺人一定数量的卵石或碎石。

砂垫层的每层铺设厚度以 40cm 为宜,可采用平板震捣器或碾压法使之密实,其干密度应大于1.5t/m3。

2.铺设垫木和制作第一节沉井

刃脚下应满铺垫木。垫木的作用是支承第一节沉井的重量并按垫木定位立模板以绑扎钢筋。垫木一般用枕木或方木,使用长短两种垫木相间布置。在直线部分垂直铺设,圆弧部分向圆心铺设,如图9.4-9所示。

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3.拆除垫木

抽拆垫木需在沉井混凝土达到设计强度的100%(有的要求 70%以上)时方可进行。为防止井壁产生纵向破裂,需按一定顺序对称均匀拆除,尤其在拆除几个定位垫木时更需谨慎,力求平稳。拆除垫木的一般顺序是∶对矩形沉井,先拆内隔墙下的,再拆短边井壁下的,最后拆长边下的;长边下垫木应隔根抽除,然后以四角处的定位垫木为中心。自远及近地对称抽除,最后抽定位垫木。对圆形及其他形状的沉井,同样按上述原则进行。

拆除垫木后应及时在刃脚底部垫碎石或卵石,在内、外侧填砂,如图9.4-10所示,以控制不均匀沉降。

4.混凝土垫层

近年来,国内已成功地推广了混凝土垫层,其优点是可以扩大沉井刃脚支承面积和省去刃脚下的底模板,在木材紧张的情况下,其优越性就更为突出。

混凝土垫层厚度一般取5~10cm。混凝土垫层宽度一般取1.0~1.5m。

为了固定沉井刃脚钢木模板,可在混凝土垫层内埋入小方木。5.挖土下沉

根据地质条件。沉井下沉方法有排水下沉和不排水下沉两种;(1)排水下沉

当沉井下沉所穿过的土层透水性较低,地下水涌水量不大,不会因排水而产生流砂,或因排水造成井周地面过大沉降时,可采用排水挖土下沉施工。排水下沉可以在干燥的条件下施工,挖土方便均匀,下沉也均衡,土层中的孤石等障碍物易于发现和清除,下沉时一旦发生倾斜也容易纠正。

排水下沉时的挖土要求;

1)刃脚下土层较软时,分层开挖,稳步下沉,先中间挖深 40~50cm,逐渐向四周均匀扩挖到离刃脚1m处。

2)刃脚下土层较坚硬,沉井不易下沉时,可向刃脚扩挖,甚至掏空刃脚或采取其他撒施。

(2)不排水下沉

当土层不稳定、涌水量很大时,在井内排水挖土很容易产生流砂,此时可在水下挖土下沉。井内水位应始终保持高出井外水位1~2m。井内出土视土质情况可用机械抓斗水下挖土,也可用高压水泵破土,再用吸泥机排出泥浆。

6.接高井壁

当沉井下沉到高出地面 1m左右时,应停止下沉,浇筑下一--节井壁。接筑高度一般不超过5m。

7.沉井封底

沉井下沉到设计标高后,停止挖土,准备封底。封底有干封底和水下封底两种。

当基底涌水量不大,地基稳定时,可采用干封底。封底时,应对基底进行清理,洗净刃脚上的泥土。待沉井下沉稳定(8h 内不大于1mm)后,沿周边逐渐向中心灌注混凝土。为了减少水头压力对封底混凝土的作用,封底混凝土中要设置集水井,并不断抽水,待混凝土达到设计强度后,方可封住集水井。采用干封底成本低,工期短,质量能保证。

当土层不稳定、干封底易出现大量流土或沉井下沉过速易歪斜时,以及在河床中下沉的沉井则应采用水下封底。水下封底混凝土的质量要求可参见《地基与基础施工及验收规范》(GBJ 202—86)。

8.施工中的常见问题及处理(1)流土现象

当排水下沉时,沉井穿过地下水位以下的粉、细砂层时,常会出现流土现象。大量砂土浦人沉井内,使施工发生困难,沉井容易倾斜。并使井周地面沉陷.影响周围建筑物和市政工程设施。处理流土的方法有∶

1)预计施工中粉细砂层会出现流土时。下沉前在沉井外围设置井点降水系统。排除产生流土的条件;

2)遇到薄层流土时,加快沉井下沉速度以穿越流土层;3)流土现象严重,将造成不利影响时,应改为不排水下沉。(2)突沉

沉井在软粘土层中下沉时。常因井壁侧阻力和刃脚踏面端阻力小而会发生突然下沉.有时一次突沉可大约 3m 多。突沉容易使沉井倾斜或超沉。防止突沉的措施有∶

1)注意均匀挖土,刃脚下挖土不宜过深;

2)加大沉井的下沉系数,使刃脚始终埋在土中下沉;

3)加宽刃脚踏面宽度,使隔墙底面接近刃脚底面或设置横框架横梁以增大阻力。

(3)偏斜

由于土质不均匀或挖土不均匀,沉井下沉时会发生偏斜,,若不及时纠正,沉井可能会偏离设计位置而不符合使用要求,因此。在沉井下沉过程中应随时进行测量。若有偏斜.应在沉得少的部位多挖土或用压重来纠偏。

(4)不沉或慢沉

分析不沉原因,采取相应措施;

1)由于侧阻力过大而造成不沉时,可在井壁外侧射水冲刷,同时压重强迫下沉;2)由于刃脚踏面过大时,应挖除刃脚下的土;3)遇有大石块等障碍物时,可进行小型爆破排除;

4)在不排水挖土施工时,可抽除部分井内水,以减小浮力、加重沉井,以利克服摩阻力。9.4.5 质量检验和测量

沉井是在地面上施工的。比较容易控制质量,只需严格按照设计要求加以检验。

沉井制造容许偏差值;长度和宽度不大于0.5%。曲线半径不大于0.5%。对角线不大于1%,厚度不大于15mm。

下沉完毕的沉井。其水平位移与倾斜的容许偏差值,按理应根据工程性质作出不同的规定,由于缺乏资料,下面介绍桥涵沉井的有关规定作为参考。

(1)原地面或筑岛下沉的沉井,无论是在井顶或刃脚,中央或边缘,其水平位移与下沉

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