控制軟土地基中沉井不均勻沉降的措施

袁新軍 姚亞歐

1 工程背景

在軟土地基中地基承載力差、距長江近,地下水、補給水均很充分的情況下施工沉井,沉井的下沉速度、垂直偏差等很難控制,如不選用恰當的方案,往往會造成超沉、傾斜、偏位等質量缺陷。本文介紹了一種采用干沉濕沉相結合的方案,使得上述問題迎刃而解。

揚州第二發電廠2號雨水泵房位于揚州市瓜洲鎮東北、長江大堤北側約100m,一部分位于原河塘位置,泵房所處地層為第四紀長江沖積物,自然地面標高1.50m。

泵房下部為箱形沉井結構,平面尺寸32.4 m×23.8 m,高15.8 m。沉井分三次制作,一次下沉,預留1.5 m高待沉井封底后與4.30m層平臺一起澆筑,設計刃腳標高-11.5 m。

根據上述情況,決定采用沉井設計時,必須考慮施工的可行性,充分考慮在軟土地基上如何控制異形沉井的突沉及不均勻下沉的問題,也必須考慮下沉過程中,沉井取土后淤泥上涌問題,即井壁外流塑狀淤泥因井內外土面高差涌入井內,使井內只出土,但土體標高不下降,而井外土體下沉,導致沉井傾斜失穩的問題。

2 技術措施

沉井施工分排水下沉和不排水下沉,即所謂干沉和濕沉。排水下沉,勞動條件較好,挖土準確,下沉速度易于控制,若土層中有障礙物,易于發現和清除,沉井發生傾斜也易于糾正,所以應盡量采取措施排水施工。但排水下沉要求較高,如下沉系數不能大于1.05,沉井穿過的土層透水性較差,滲水量不大,或者雖然透水性強、滲水量大,但采取人工降水措施不致產生流砂等等。

但該沉井位置地質條件較差,沉井持力層為淤泥質粉質粘土,承載力很差,地下水豐富,加之本沉井自重較大,平衡條件很難滿足。

若排水下沉,終沉系數:

1)沉井自重 G=9120 t。

2)考慮管井降水,地基反力按極限承載力10 t/m2,考慮沉井內涌土2.0m,刃腳和隔梁全部受力,R刃=1291 t,R梁=1530 t。

3)沉井內壁及隔梁與土的接觸高度2.0m,每次僅挖兩格,其余不挖,摩擦系數取1.0 t/m2,T梁=588 t,T井=1461 t。

所以排水下沉時,沉井不能平衡。

本工程3號,2號雨水泵房設計相同,3號雨水泵房先于2號雨水泵房施工,采用了排水下沉的方案,在接近設計標高1.7 m時,停止除土,沉井完全自沉到位,最快時1 h自沉20cm,后緊急采取井內灌水、拋石壓重、井外降水、覆土覆砂等各種阻沉措施,沉井才得到控制。

GB J202-83地基和基礎工程施工及驗收規范規定,在軟土層中以排水法下沉沉井,當沉井距設計標高2 m時,對下沉和挖土情況應加強觀測,如沉井仍不斷自沉時,應向井內灌水,改用不排水施工,或采用其他使沉井穩定的措施。

綜合3號雨水泵房沉井施工教訓,2號雨水泵房采用干沉濕沉相結合的方案。

下沉初期,由于沉井重心較高,重點控制偏位和不均勻下沉,因此拆除砂堤和井內取土應對稱進行。下沉至7 m～8 m時,淤泥質粘土在滲流作用下,涌進井內引起沉井下沉過快,這時應及時向井內灌水,保持沉井內外水位基本平衡,進入濕沉階段,這時采用空氣吸泥機逐層對稱吸除井內土層,但保持井內土層不低于刃腳踏面,沉井靠自重下沉,若此時沉井仍處于穩定狀態,則可以逐步排井內水迫使下沉。沉井下沉至距設計標高2 m時,進入終沉階段,應放慢速度,加強觀測,重點糾偏,確保沉井在到達設計標高0.15 m時各項誤差控制在允許范圍內。當沉井下沉至距設計標高0.10m時,應停止下沉。若沉井仍在下沉,應采取井內灌水、井外降水迫使下沉停止。當8 h內下沉量不大于0.01 m時,沉井穩定,下沉結束,進入封底階段。

3 各階段下沉系數分析

3.1 刃腳穿過砂墊層入土

刃腳穿過砂墊層入土時,砂墊層選在②-1土層。

1)摩擦系數取2.0 t/m2,T=450 t。

2)地基承載力取5 t/m2,R刃=645 t,R梁=765 t。初沉時,下沉系數太大,排土要特別謹慎。

3.2 終沉階段

沉井進入③-1土層,井內土與隔梁底平,支撐住刃腳和隔梁。

1)井內灌水,水位穩定在1.5 m,沉井受浮力 B=3393 t。

2)井外降水,地基承載力 10 t/m2,R刃=1291 t,R梁=1530 t。

3)摩擦系數取1.0 t/m2,T井=1461 t。

k＞1.05,這說明濕沉時,井內要求土體壓重。

3.3 除土高度的確定

假定k=1.05沉井穩定平衡,考慮取2格土封底,如圖1所示。

在灌滿水的情況下,隔梁需埋入土內3.1 m高,即當沉井除土至-7.8 m時,應停止除土,讓沉井自沉至設計標高穩定后,開始清除土體,每次2格,進行水下封底。

4 阻沉措施

4.1 人工降低地下水位

人工降低地下水位是固結地基提高地基承載力和摩擦力的有效辦法,考慮到沉井穩定條件不夠安全,擬打6口直徑60cm的深井,井深30m,距沉井壁 10m,沿沉井放射狀布置。同時考慮到砂墊層選在②-1土層,該土層承載力差,地下水豐富,為保證沉井制作安全,降水宜早進行。為觀測降水效果,布置3眼觀測井,井深20m。

4.2 側面增阻

沉井下沉過程中,周圍土體受到影響,由近及遠產生裂縫和下坍,此時應及時在井外補土,并沿沉井外壁填充砂石料跟沉,增加土體與井外壁的摩擦力。同時在井外設明溝,排除井外地表水,防止地表水滲入減小土體與井外壁的摩擦力。

5 結語

通過本泵站沉井設計和施工的成功經驗,給在軟土地基上施作沉井的設計總結出了新的思路。今后在不同的軟土地基上做沉井設計可以通過計算,變化刃腳面積等諸多手段調整承載力,此方法工藝簡便,造價低廉,安全可靠。

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