沉井设计详解、验算详解

第四节 水、土压力标准值计算
1．水压力 Fw=γwzw 2. 土压力 Fep,k=Kaγsz-2c √Ka Ka=tg2(45°-φ/2) φ—土的内摩擦角，取固结快剪峰值强度指标
3．水、土压力合算与分算 合算、分算尚属学术界存在争议的问题，各地有各自的工 程经验。 工程界较为能接受的算法如下： 无粘性土，水土分算 粘性土，水土合算，不固结不排水抗剪强度指标；水土分 算，固结不排水抗剪强度指标。
第一节 概述
一．定义 把不同截面形状的井筒或箱体，按边排土边 下沉的方式使其沉入地下，即沉井或沉箱。
也有人把沉井称为开口沉箱，把沉箱称为闭口沉井。 二．沉井的特点 1．施工场地占地面积小、出土量少、成本低、 可靠性好; 2．适用土质范围广，淤泥土、砂土、粘土、砾 砂等均可施工； 3．施工深度大，最大深度可达100m； 4．施工给周围地层中造成的位移小，对临近建 筑物的影响小。 三．用途 适用于地下构筑物及深基础，如地下泵房、地 下沉淀池、地下车库、地下料坑等。
第五节 沉井的下沉计算
1．井壁与土的摩阻力计算 1）单位面积摩阻力选用 我们在岩土工程勘察技术委托时，若可能存在沉井， 通常要求勘察单位提供各土层的单位面积摩阻力。 若报告中未提出，则参见沉井结构设计规程取值。
在取值时，粘性土根据液性指数IL的高、低取其下、 上限；砂、石土根据其标准贯入锤击数N或重型动力触 探锤击数N63.5的高、低取其上、下限。 2）摩阻力沿井壁外侧的分布
2．下沉系数的计算 kst=(Gk-Ffw,k)/Ffk Gk—沉井自重标准值 Ffw,k—下沉过程中水的浮托力标准值 Ffk—井壁总摩阻力标准值 要求下沉系数kst≥1.05 上海地基规范中，下沉系数1.05~1.25，位于淤泥质土 层中取小值，其他土层中取大值。 天津地基规范中，下沉系数1.05~1.15，位于软弱土层 中1.05，其他土层中1.15。 浙江地基规范中，下沉系数1.05~1.25，位于淤泥质土 层中取小值，土质条件较好时取大值。 其他地区参考上述取值，土质条件差（淤泥、淤泥质 土）时1.05，其他1.25。
建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002）中，砂 性土宜按水土分算，粘性土宜按水土合算，也可按地区 经验确定。 建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-99）中，碎石土、 砂土水土分算，粉土、粘性土水土合算。 上海基坑工程设计规程(DBJ 08-61-97)中，宜按水土 分算原则计算水、土压力，有工程经验时，也可按水土 合算的原则计算。 天津岩土工程技术规范（DB 29-20-2000）中，宜按 水土分算的原则计算，当有可靠经验时也可按水土合算 的原则计算。 浙江建筑地基基础设计规范（DB 33/1001-2003）中， 淤泥、淤泥质土，采用不排水强度指标和饱和重度水土 合算；砂土，采用有效应力强度指标和有效重度水
土分算，有工程经验时也可采用三轴固结不排水总应力 强度指标水土合算。 广东建筑地基基础设计规范（DBJ 15-31-2003）中， 对砂性土宜按水土分算，粘性土、淤泥质土宜按水土合 算。 夏明耀·地下工程设计施工手册中，对于砂土、粉 性土和粉质粘土等渗透性较好的土层应采用水土分算； 对于粘性土，分算、合算应具体对待，沉井、多道支撑 的挡土结构宜水土分算。 合算、分算，从理论上讲应按土的渗透性来确定， 不透水的土层才可用水土压力合算。 土力学中，土的渗透系数≤10-7cm/s定为实际上的不 透水。 我们的工程中，通常采用水土压力分算的原则，若 需合算，应有充分的经验并经技术会议讨论。
沉井的设计
重庆钢铁设计研究总院
前言
在我们的工程中经常遇到沉井，大多用于炼钢及 轧钢的一次沉淀池中。从前的设计一般是根据某些参 考书及前人的设计实例进行的 ，统一性不够完善。中 国标准化协会标准《给水排水工程钢筋混凝土沉井结 构设计规程》（CECS 137:2002）已于2003年出版发行， 为了让设计人员对此有所了解，更好地进行沉井设计 及方案选择，特举办本次技术讲座。
考虑支座宽度的因素，支座弯矩可进行折减： M支=M1-∆M M支—支座边缘处弯矩 M1—支座中心处的计算弯炬 ∆M—弯炬折减值，∆M=1/3Vb，∆M＞0.3M1时，取 0.3M1 V—支座边缘处的剪力 b—支座宽度 矩形沉井亦可用SAP 2000通用计算软件进行沉井的 空间结构计算，可发现沿高度方向内力的变化，从而进 行配筋优化。 三．裂缝宽度及配筋计算 以不包括地面活荷载的弯矩标准值计算裂缝宽度， 注意用沉井结构设计规程中的公式，裂缝宽度不超过 0.25mm。
三．承载力极限状态强度计算的基本组合荷载分项 系数 结构自重 1.20，对结构有利时1.00，仅自重时1.27 沉井内水压 1.27，对结构有利时1.00 沉井外土压 1.27，对结构有利时1.00 地面活荷载 1.40 地下水压力 1.27 四．正常使用极限状态裂缝宽度的计算准永久组合准永久 值系数 地面堆载及车辆荷载 0 水、土压力 1.0 注意裂缝宽度计算公式按《给水排水工程构筑物结 构设计规范》（GB 50069—2002），不按混凝土结构设 计规范。 还应注意计算裂缝宽度使用的弯矩为准永久 准永久组合值 准永久 ，而非标准 标准组合值，与混凝土设计规范不同。 标准
4．c、φ指标的选用 建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-99）中，c、φ采用 三轴试验固结不排水抗剪强度指标，有可靠经验时可采用 直接剪切试验的固结不排水抗剪强度指标。 上海基坑工程设计规程中，采用总应力抗剪强度指标， 按三轴或直剪固结不排水峰值强度指标取用。 水、土压力分算时，从理论上应采用有效应力抗剪强 度指标c’、φ’计算土压力，但岩土工程勘察报告中一般不 提供此参数。 上海规程中通过对总应力参数c、φ及有效应力参数c’、 φ’计算的土压力比较，两者基本相当，水、土分算时亦可 采用总应力抗剪强度指标。 在我们的工程中，一般采用直接剪切试验固结快剪总 应力抗剪强度指标c、φ，若需采用三轴试验指标或有效应 力指标，应进行讨论。 5．重度 水土分算时取土的浮重度，合算时取土的天然重度。
四．沉井的组成
井壁—挡土、挡水，一般情况下作为永久结构 刃脚—切土，保证沉井下沉 隔墙—以永久结构的隔墙作为沉井的支撑，用以 减小计算跨度
底梁—在软土土层中下沉，为防止下沉不稳定， 起 到增加阻力的作用 沉井的形状有矩形、圆形及椭圆形 五．沉井的施工简介
1．施工工序 清理场地 →测量放线→开挖基坑→铺设砂垫 层、垫木→ 制作井筒→设置降水井点或挖排水沟、 集水井→抽取垫木→挖土、下沉→封底→浇筑底 板砼 2．开挖方式 水挖法、干挖法、中心岛法 水挖法即不排水开挖法，这种方法的特点是沉 水挖法 井内、外的水位基本一致。该法适用于渗水量大的 砂层等不稳定地层，可避免排水造成的涌砂等不良 现象。 1）抓斗法，该种方法因抓不到刃脚下方的土体， 是利用沉井自重使刃脚下方的土体崩塌而下沉。该法
1．封底阶段 当沉井沉至设计标高并浇筑封底砼后应进行抗浮验算， Gk包括井壁及封底砼自重标准值;若在底板施工后停止降水， 则Gk包括井壁、封底砼及底板砼自重标准值，此时要求封底 砼与底板砼间以插筋连接。 若抗浮不能满足要求，则应延长降水时间，再增加其他 结构自重来加大抗浮系数。若仍不能满足要求，则应考虑拉 锚等措施。 2．使用阶段 Gk除井壁、封底砼及底板砼自重外，再增加其他结构自 重，如内筒、顶板、抹坡砼等。
3．封底 分为干封底、湿封底两种方式。 干封底即通过干挖法施、井底无水的情况下进行的 干封底 封底。又分为施工底板前停止降水和施工底板后停止降水 两种。若施工底板前停止降水则应通过计算确定封底砼厚 度（稍后介绍）。 湿封底即通过水挖法施工、井内有水的情况下进行的 湿封底 封底。因施工底板前需将井内的水抽干，封底砼要承受水 浮托力的作用，其厚度需经计算确定。湿封底是通过导管 进行水下砼浇筑，类似于泥浆护壁钻孔灌注桩或地下连续 墙。
下沉系数大时，应设置底梁以增加阻力，降低下沉系 数。 沉井在软弱土层中下沉，当下沉系数较大时（一般大 于1.5），或在下沉过程中遇有特别软弱土层时，需进行 下沉稳定验算，以防止突沉或下沉标高难以控制。 kst,s=(Gk-F’fw,k)/(F’fk+Rb) kst,s—下沉稳定系数，0.8~0.9 F’fw,k—水的浮托力标准值 F’fk—井壁总摩阻力标准值 Rb—沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载 力之合 地基土极限承载力在岩土工程勘察报告中查取，未提 供时按沉井结构设计规程查取，见下表：
对每一种土是取上限还是下限，根据液性指数、标贯 值等来判别，还可以用土的地基承载力特征值的2倍来比较。
第六节 抗浮验算
抗浮问题常被忽略，沉井结构因其埋深大，承受的地下 水浮托力大，设计中必须进行抗浮验算。 抗浮验算分为封底阶段和使用阶段，按可能出现的最高 水位验算。 kfw=Gk/Fbfw,k≥1.0 kfw—抗浮系数，计入侧壁摩阻力时，kfw≥1.25 Fbfw,k—水浮托力标准值 —
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第三节 沉井结构上的作用及荷载分项系数
一．永久作用 1．结构自重标准值 钢筋混凝土重度取25kN/m3，素混凝土重度取 23kN/m3 2．侧向主动土压力标准值 二．可变作用 1．地面活荷载，分为地面堆载及车辆荷载，地面堆 载一般按10kN/m2，车辆荷载根据车辆类型及及其轮压换 算成均布荷载。 2．地下水 侧壁上的水压力标准值按静水压力计算，根据岩土工 程勘察报告取最高水位进行计算。
第七节 沉井井壁计算
一．圆形沉井 沉井结构是个空间体系，实际中简化为平面体系计算 其内力及配筋，而以构造措施来保证其空间整体工作。 按平面结构内力计算的方法是沿沉井竖向切取1m高 的井壁，在水、土压力作用下，如同一个水平框架。 沉井沿深度方向荷载逐渐加大，截面也可能变化，应 截取若干段进行计算，以降低钢筋用量。在井筒稳定下沉 条件下，井壁所承受的荷载为均布荷载，计算的弯矩不大， 一般只需构造配筋。但由于井壁外土质及扰动程度并不均 匀，且在下沉过程中总要发生偏斜，从而使井壁在同一水 平圆环上的土压力呈不均匀分布，导致井壁弯矩加大。 目前采用的方法是将井体视作不均匀压力作用下的封 闭圆环，取其1/4进行计算，假定90°圆环两端土的内摩 擦角差值为5°~10°，我们的工程中所遇到的旋流池采用 10°。