軟土地基防治沉井制作過程沉降的研究

李猛

摘要:由于沉井在深基礎施工中占地面積小，不需支護，適用土質范圍廣，節約投資等獨特的優點，目前已廣泛得到應用和發展。但根據地質條件和施工環境的不同，沉井在制作過程中，常出現地基承載力不夠導致沉井突然沉降或傾斜，給工程安全及質量帶來極大的隱患。本文以長江邊鋼鐵廠建造的漩流沉淀池為例，根據多年施工經驗，研究在軟土地基條件下，沉井制作過程中如何進行防治突然沉降或傾斜的問題。

關鍵詞：沉井，軟土地基，突然沉降，傾斜

中圖分類號：TU74文獻標識碼： A

引言

沉井是在地面上或地坑中，用鋼筋混凝土制成上、下開口而四周封閉的井筒狀結構作為基坑坑壁的支撐，待井筒混凝土達到一定強度后，用機械和人工分層挖土，隨著井內土面逐漸降低，借助于其自重克服與土壁之間的摩阻力而下沉入土中的結構物。在沉井制作過程中，當沉井自重較大，地基承載力不夠時沉井將發生突然下沉或傾斜，嚴重影響安全及施工質量，處理費用也較大。這樣自重大的沉井在軟土地基上制作的穩定性、經濟性成為了沉井施工的一個重要環節。

一、沉井制作穩定性分析及控制目的

在軟土地基中引起沉井制作過程沉降的主要原因是地基承載力不足。在施工沉井過程中，由于荷載不斷加大，超過了地基承載力，沉井在制作過程中可能發生突然沉降或傾斜。一旦沉井在制作過程中發生突然沉降或傾斜將給工程帶來很大的安全隱患，處理費用也很高，對沉井施工質量也得不到保證。那么如何保證在軟土地基上制作自重較大沉井不發生突然沉降和傾斜呢？

本文以長江流域沙鋼鋼鐵集團榮盛煉鋼廠東區建造的漩流沉淀池為例，通過研究解決了在軟土地基中制作自重較大沉井時發生突然沉降和傾斜的問題。沉井在制作過程中發生突然沉降或傾斜，可采取增大地基承載力、增大沉井底面積、減輕沉井自重等技術措施達到沉井在軟土地基上制作的穩定問題。但沉井的關鍵工序是下沉過程，我們在采取措施保證沉井制作穩定的同時還應考慮后期沉井在下沉過程的種種條件，因此本文通過工程實例研究解決較大自重沉井在軟土地基上制作的穩定問題，使工程總造價做到最低，同時保證了沉井下沉過程的順利及后期的質量。

二、案例工程概況：

本工程為沙鋼榮盛煉鋼東區1#漩流沉淀池工程，工程坐落于張家港市錦豐鎮沙鋼集團廠區內，位于長江下游南岸，地跨長江三角洲平原的兩個地貌副區，即長江南岸古代沙嘴區和靖江常陰古沙洲區。擬建場地屬于新長江三角洲沖積、洪積地貌單元。漩流沉淀池為圓形鋼筋混凝土結構,池底外徑18m，池頂外徑17.4m，外筒壁厚800mm，刃腳底標高-2200m，頂板標高為±0.000m，原始地面高程為圖紙設計的絕對標高±0.000m。在漩流沉淀池外壁-6.7m處有0.9*2.2m的洞口2個，在-8.7m處有0.9*0.9的洞口2個。漩流沉淀池施工計算簡圖如附圖1

三、方案驗證

根據施工方案，漩流沉淀池采用外筒壁沉井施工方法，待沉至設計標高后，進行池底封底，最后施工內筒。外筒壁高22m需制作完畢后一次下沉到設計標高。通常沉井的制作一般是在沉井下部鋪設墊木，在墊木下鋪設砂墊層增加地基承載力。而本工程沉井外壁自重為2159t，采用一般做法可根據公式h=(G/f-L)/2tanβ判斷一般做法是否可行，根據公式求得砂墊層厚度為3.6m。

h─砂墊層厚度(m)

G─沉井單位長度的自重（kN/m）

f─砂墊層底部土層承載力特征值(kN/m2)

L─墊木長度(m)，取1m長

β─砂墊層的壓力擴散角，取22.5°

換填鋪設3.6m的砂墊層既不經濟，可操作性也很低，因此按一般做法制作漩流沉淀池外壁不可行，那么就要考慮其他方案解決漩流沉淀池外筒壁的制作的穩定問題。

首先分析一下能夠影響沉井在制作過程發生傾斜或突然下沉的影響因素：

1、軟土地基的地基承載力不足

2、沉井的底面積太小

3、沉井的自重及上部荷載太大

4、沉井井壁的摩擦阻力

根據以上四條影響因素，本案例工程分別針對2、3、4條采取了解決方案，按影響因素第2條增加了沉井的底面積，按影響因素第3條減輕了沉井的自重，按影響因素第4條設置增加沉井井壁的摩擦阻力。本工程案例未針對影響因素1進行技術處理，主要由于通過2、3、4條影響因素，已達到了沉井在制作過程中不發生突然下沉或傾斜的問題。如需考慮影響因素第1條，需要勘察工程實際的地質情況，根據真實的地質情況參考地勘報告可采取地基土置換、砂土層降水等等技術措施進行增大地基承載力。下面我們通過工程實體案例詳細分析大自重沉井在軟土地基中制作的穩定性。

首先通過地勘報告得到漩流沉淀池所在區域的土層分布及承載力。如下表

層號 巖土名稱 土層分布深度

m 承載力特征值

fak（kpa） 壓縮模量

Es1-2（Mpa）

② 粉土 -2.8~-6.5 95 6.0

③ 淤泥質粉質粘土 -6.5~13 60 3.0

④ 粉土夾粉砂 -13~-20 130 7.0

⑤ 粉質粘土夾粉土 -20~-25 110 6.5

根據漩流沉淀池簡圖計算得出外壁重量G=2159t，底面積A=22m2。再根據沉井地基承載力驗算公式：F+G≤fak*A+T

公式中：F─沉井上部結構自重力（KN）

G─沉井自重力（KN）

fak─沉井底面下持力層承載力特征值（KN/m2）

A─沉井底面積（m2）

T─沉井壁總摩阻力（KN）

沉井的摩擦阻力暫不考慮，計算得出能夠滿足沉井穩定性的地基承載力為f=980kpa,根據各土層的承載力特征值可知沉井的制作無論是在哪個土層中都是不穩定的，需要采取措施，才能滿足漩流沉淀池的筒壁制作。

措施一：按照影響因素第四條可采取增加沉井井壁的摩擦阻力的技術措施，在制作時為了增加沉井井壁的摩擦阻力可以將土方開挖至-5m后，開始制作沉井，待沉井井壁高度超過5m后將沉井外側進行土方分層回填壓實，這樣可以通過技術手段增加井壁的摩擦阻力。

根據沉井與土間的摩阻力計算公式：T=πDhf

T─沉井與土間的摩阻力

π─圓周率

D─沉井底部外徑

h─沉井入土高度

f─井壁與土的摩擦系數，軟土可取9.8~11.8KN/m2

可計算得出沉井入土5m的摩阻力T=1413kN

措施二：漩流沉淀池建成后坐落在煉鋼廠房內，下沉后的頂標高對周邊生產環境影響很大，因此對沉井下沉的標高控制要求很高，為了滿足標高控制的要求，同時達到減輕自重的目的，可以將漩流沉淀池外壁上部3m范圍不予施工，這樣能夠減輕筒體自重G1=264t。待筒體下沉穩定后，施工漩流沉淀池內筒頂板時，根據實測標高一同將漩流沉淀池上部外筒壁施工完成，這樣既減輕筒體自重，又能有效的控制最終頂面的標高。

措施三：在采取了措施一和措施二的基礎上，再研究如何能夠通過增大漩流沉淀池底面積而不影響下沉又能保證整體穩定的方法，此措施是決定漩流沉淀池制作穩定性最重要的技術措施。漩流沉淀池在-5m的地坑中施工，地基承載力特征值可按第②層土fak =95 KN/m2計算。通過沉井地基承載力驗算公式：F+G≤fak*A+T計算得出能夠保證穩定的沉井底面積A1:

A1=(G-G1-T)/fak=(2159*10-264*10-1413)/95=185 m2

因此漩流沉淀池底面積大于185m2就可以滿足制作時的穩定性。根據多年施工經驗，為了防止沉井在下沉時刃腳受力不均而破壞，通常在沉井底部增加十字梁或井字梁。本工程漩流沉淀池內部筒體直徑16m，可以采用十字梁，梁截面尺寸暫定為高1.5m，寬2m。這樣十字梁既可以撐住刃腳底口，又可以座在地基土上承擔漩流沉淀池外筒自重，十字梁可為漩流沉淀池增加底面積65 m2。其余120 m2的底面積就需要增大環形刃腳的寬度。根據環形圓公式可計算得出刃腳寬度為2.4m。對于2.4m寬的刃腳，沉井下沉時阻力會很大，整體下沉會很困難。為了減輕沉井下沉時的底部阻力，讓沉井能夠按原設計圖紙順利下沉，本工程設計了階梯型刃腳構造，改造后的刃腳斷面圖如附圖2。新設計的刃腳構造既滿足了筒體制作的安全穩定性，又滿足了漩流沉淀池下沉過程刃腳的切土作用。

施工完畢的刃腳及十字梁如下圖

在漩流沉淀池外筒壁在制作過程中，在筒壁外側平均設置6處標高觀測點，每天進行筒體的沉降觀測，直至漩流沉淀池外筒壁制作完畢，6處沉降觀測點觀測的沉降數據全部在20mm之內。因此，通過以上技術措施理論計算得出方案是可行的。

結論：

通過三種技術措施在實體工程中的計算得出如下結論：

1、增加井壁摩阻力分擔地基承載力：1413kN;

2、減輕沉井自重分擔地基承載力：2640 kN;

3、增大沉井底面積分擔地基承載力：15485kN；

通過理論計算和實際工程印證，在沉井下部增加十字梁及設計階梯形刃腳是滿足自重較大沉井在軟土地基上的制作控制突然沉降或傾斜最有效的方案措施。