給排水沉井結構下沉階段受力分析

黃 丁 徐 偉 李耀良

(1. 同濟大學建筑工程系，上海 200092； 2. 上海市基礎工程有限公司，上海 200092)

1 引 言

隨著施工技術及施工機具的不斷發展，沉井這一由古老的掘井作業發展而來的技術，在現代工程中得到越來越多的應用[1]。沉井結構因其占地面積小、承載力大、施工快捷、便于預留孔洞等特點，而廣泛應用于給排水工程、橋梁工程和頂管工程中。南京長江四橋北錨碇沉井平面尺寸為69 m×58 m，高52.8 m，平面尺寸居世界之最[2]。上海市污水治理二期工程SB泵站沉井外徑52.4 m，下沉總高度15.9 m，為同類市政項目中最大直徑的圓形沉井[3]。

目前，對于沉井結構施工過程的研究，更多的集中于橋梁中的各類沉井[4-6]。楊燦文對某橋梁錨碇沉井基礎的關鍵施工過程進行了實體有限元計算，分析得出了不同于平面計算的結論[4]。穆保崗、朱建民等通過現場監測南京長江四橋北錨碇沉井結構下沉階段的應力應變、刃腳和隔墻底部土壓力以及側壁土壓力，對大型沉井下沉階段的內力變化進行了系統的分析[2]，并依托馬鞍山長江大橋南錨碇的現場實測及有限元計算結果，總結了沉井接高工況的受力、變形規律以及土體支撐剛度對沉井內力的影響[5-6]。

現階段對于給排水及頂管工程中沉井的研究成果較少，且此類沉井與橋梁中的沉井存在差異，難以完全借鑒橋梁工程的經驗。諸如：①沉井內部結構不同，橋梁中的沉井平面尺寸大、下沉深度深，需加設多道縱橫向隔墻以保證結構的整體剛度和承載力。而給排水和頂管工程中的沉井則需利用井內空間，且下沉深度淺，通常僅加設一道隔墻或在下部設置底梁，即可滿足要求。②豎向彎曲驗算不同，橋梁中首節沉井多采用鋼殼結構，抗拉承載力高，且底部為均勻支撐，豎向彎曲應力小。而在陸地上制作的沉井多采用素混凝土墊層法施工，初始下沉時支撐條件發生變化，需驗算井壁的豎向彎曲應力。本文對某給排水工程中兩座沉井進行了現場監測和實體有限元分析，探討給排水工程中沉井下沉階段的內力變化規律。

2 概 況

2.1 工程概況

本文分析的兩座沉井為某污水處理廠頂管工程工作井。矩形沉井長×寬×高為18.2 m×11.2 m×18.52 m，刃腳頂寬1.8 m，側壁厚0.85 m，隔墻厚0.5 m，底梁截面尺寸為2.3 m×0.8 m。圓形沉井外徑為24 m，高18.83 m，刃腳頂寬1.25 m，側壁厚1.0 m，底梁截面尺寸為3.6 m×1.2 m。兩沉井均為外臺階結構，臺階寬度50 mm，具體結構形式見圖1、圖2。

兩沉井均采用排水下沉，圓形井為“一次制作、一次下沉”，矩形井為“兩次制作、兩次下沉”，第一次下沉時，沉井總高度為12.52 m。

2.2 工程地質概況

兩座沉井所處區域地勢平坦，地層分布及土層力學參數見表1。地面標高3.95～4.28 m，圓形沉井刃腳底標高為-14.18 m，矩形沉井刃腳底標高為-13.62 m。表層填土采用換填墊層法進行加固，圓形沉井砂墊層厚1.8 m，矩形沉井砂墊層厚1.5 m，地下水位穩定標高為1.3 m。

圖1 矩形沉井結構Fig.1 Structure of rectangular caisson

圖2 圓形沉井結構Fig.2 Structure of circular caisson

表1沉井穿越土層物理力學性質參數

Table1Physicalandmechanicalparametersofpenetratedsoil

土層名稱層底埋深/m層厚/m重度/(kN·m-3)黏聚力/kPa內摩擦角/(°)地基承載力/kPa巖土特性描述砂墊層2.281.8(1.5)18.0030.0140中粗砂、中密粉質黏土0.781.518.42716.380可塑-軟塑狀、中壓縮性淤泥質粉質黏土-3.724.517.4816.956流塑狀、高壓縮性、高靈敏度淤泥質黏土-16.7213.016.81111.852流塑狀、高壓縮性、高靈敏度

3 計算工況及模型

3.1 計算工況選取

受施工現場諸多不確定因素影響，沉井實際下沉是一種以垂直向下運動為主的復雜空間運動。目前，我國規范[7-8]通過計算沉井初始下沉和下沉到位兩種工況來設計沉井，而下沉階段則通過施工控制措施來防止沉井結構破壞。初始下沉階段，下沉系數較大，且支撐條件發生變化，刃腳向外彎曲，側壁豎向彎曲應力最大，該工況控制刃腳及側壁內側的豎向配筋。下沉到位階段，側壁水土壓力達到最大，刃腳向內彎曲，側壁橫向彎曲應力最大，該工況控制沉井刃腳和側壁外側的豎向配筋及橫向配筋。現行規范對以上兩種工況均采用平面模型計算，忽略沉井的空間整體性。已有研究表明，平面模型與實體模型的計算結果有一定差別[4,9]。本文通過對這兩個關鍵工況進行建模分析，以更好地探究沉井下沉階段的受力狀況。

3.2 計算模型參數

沉井結構材料為C30混凝土，容重25 kN/m3，彈性模量3×104N/mm2，泊松比0.2，按線彈性理論進行計算分析。初始下沉階段，分為對刃腳踏面施加豎向及水平約束和僅對刃腳踏面局部施加豎向及水平約束兩種狀況，計算荷載均為自重。下沉到位階段，在刃腳踏面處施加豎向和水平約束，由于采用排水下沉，計算荷載為自重、土壓力和側摩阻力。計算土壓力時考慮地面堆積荷載為10 kN/m2，側壁土壓力采用等效土層法計算，側摩阻力按照規范[8]中的規定計算，荷載計算結果見圖3。

圖3 沉井下沉到位荷載計算簡圖Fig.3 Calculated load sketch of caisson sinking to design position

4 初始下沉工況驗算

陸地上制作沉井時，常因表層土承載力較弱，而采用換填墊層法進行地基處理。與此同時，為擴大沉井刃腳的支撐面積，降低砂墊層壓力，一般在砂墊層與底梁、刃腳之間鋪設一層15～20 cm厚的C15素混凝土墊層。當底梁高于刃腳時，在底梁下堆砌沙袋墊至與刃腳齊平(圖4)。下沉前先鑿除刃腳下素混凝土墊層和磚胎模，并用吊車抓斗將井內碎磚清理干凈。此時，沉井由均勻支撐于刃腳、底梁轉變為僅由刃腳局部四點支撐。

4.1 計算結果分析

1) 圓形沉井

由于圓形井為“一次制作、一次下沉”，初始自重荷載較大，導致初始下沉時井壁豎向彎曲應力較大。通過對比不同局部支撐面積的多個模型，來探究局部支撐面積對結構內力的影響，支撐面積為4 m×0.5 m×1.5 m時的計算結果見圖5-圖7。側壁及刃腳處的最大拉應力均保持在1.43 MPa以內，最大拉應力位于刃腳內側凹槽處。最大壓應力為-28.1 MPa，位于局部支撐邊緣。因此，沉井初始下沉階段除需驗算側壁及刃腳豎向彎曲外，尚應驗算局部支撐處的局壓應力，以防止刃腳局部壓壞。

圖5 圓形沉井墊層鑿除工況第一主應力(單位：Pa)Fig.5 First principal stress of circular caisson (Unit: Pa)

圖6 圓形沉井墊層鑿除工況第三主應力(單位：Pa)Fig.6 Third principal stress of circular caisson (Unit: Pa)

圖7 圓形沉井墊層鑿除工況徑向變形(單位：m)Fig.7 Radial deformation of circular caisson (Unit: m)

給排水工程對結構有較高的抗滲要求，故井壁較厚，截面拉應力低。因此在討論局部支撐面積對結構內力影響時，選取最大壓應力和最大徑向變形作為評判依據，對比結果見圖8。結果表明，局部支撐面積為4 m×1.5 m×0.5 m時的最大應力約為均勻支撐時的4倍，過小的支撐面積將造成刃腳局部處的受壓破壞，并導致側壁和刃腳開裂。對于本沉井當局部支撐面積占刃腳踏面總面積的8%(3 m2)以上時，結構內力較為合理，且滿足便于最后拆除的施工要求。

圖8 不同支撐面積對沉井應力的影響Fig.8 Influence of supporting area to caisson structure stress

2) 矩形沉井

矩形井為“兩次制作、兩次下沉”，與圓形井相比自重荷載大幅度降低，僅為圓形井的48.8%，且中部加設隔墻，側壁跨度顯著減小。故矩形井在初始下沉時，應力明顯小于圓形井。當局部支撐面積為4 m×0.6 m×1.0 m(為圓形井的80%)時，側壁及刃腳最大拉應力保持在0.715 MPa以下，刃腳局部支撐處的最大壓應力為-17.1 MPa，僅為圓形井的60.4%。說明自重荷載對井壁豎向彎曲影響較大。

圖9 矩形沉井第一主應力(單位：Pa)Fig.9 First principal stress of rectangular caisson (Unit: Pa)

4.2 施工控制措施

墊層拆除應嚴格遵循“先內后外，對稱同步”的原則，事先制定好墊層鑿除方案。拆除時先在井壁四周畫出測量標尺，并設立相應的水平指示尺，按規定的順序鑿除墊層。墊層拆除后，立即用砂填實其空位，防止沉井出現偏斜。當墊層敲拆后，井壁四周側摩阻力較小，沉井下沉系數過大，且重心偏高。此時，若掏挖刃腳下的磚土不均，極易使沉井產生傾斜。因此，應先按照“人工、同時、分段”的原則掏挖刃腳下磚土，挖除的土方先集中在各倉底中央，待刃腳埋入土中一定深度后，再改用機械挖土。沉井初始下沉時，宜采用擠土下沉(即不掏挖刃腳下土體，依靠自重強制切土下沉)，以保證沉井平穩、順利下沉。

5 下沉到位工況驗算

沉井下沉到位后，側壁承受最大的水平土壓力及豎向側摩阻力。與橋梁沉井結構不同，給排水沉井內隔墻較少，開間尺寸大。對于軟土地基的沉井，多在底部加設底梁，以防止突沉、超沉。但底梁的加設使沉井結構豎向剛度發生突變，底部剛度與上部相差較大。沉井在下沉到位的應力狀態如圖10-圖12所示。

圖10 首節矩形沉井下沉到位工況第一主應力(單位：Pa)Fig.10 Frist principal stress of the first part of rectangular

圖11 全部矩形沉井下沉到位工況第一主應力(單位：Pa)Fig.11 Firct principal stress of the whole part of rectangular

圖12 圓形沉井下沉到位工況第一主應力(單位：Pa)Fig.12 First principal stress of circular caisson (Unit: Pa)

由于沉井豎向剛度突變，在荷載作用下中部井壁出現“縮頸”現象，即沉井中部截面向內縮小。矩形井中此現象尤為明顯，側壁中部轉角區域、隔墻與側壁交接處和側壁中間板帶出現較大拉應力。且拉應力隨沉井深度的增加而增加，第二次下沉的最大拉應力為第一次的2.13倍。矩形井在設計時，如采取在垂直方向截取單位高度的井壁，按水平閉合結構進行設計，應尤其注意“縮頸”現象，加強沉井中間井壁轉角處、隔墻與側壁交接處和側壁中間板帶的配筋，防止沉井出現開裂。

圓形井雖也有“縮頸”現象，但由于側壁截面平滑過渡，如考慮均勻土壓力作用，則中部側壁截面拉應力較小，設計時可不考慮此問題。計算結果同時表明，下沉到位工況中刃腳向內彎曲所引起的拉應力影響范圍有限，僅在刃腳底部處有較大拉應力，而在側壁外側的拉應力較小，設計時可考慮在距側壁底部1/3高度以上，適當截斷部分外側豎向鋼筋或改用小直徑的鋼筋，以達到經濟合理的目的。

6 工程實測

沉井下沉階段的內力變化與施工中的控制措施密切相關，但現行規范對沉井下沉階段的規定尚不詳盡。因此，有必要針對典型的給排水沉井結構進行現場監測，收集必要的原始數據，為今后的工程提供借鑒。

6.1 監控內容及儀器布設

底梁是給排水沉井所特有的結構，其作用與內隔墻相似：①加強沉井剛度，尤其是沉井底部的剛度；②將沉井底部分隔成若干個井孔，下沉時依據偏斜量，調整不同井孔內的挖土量及速率，控制沉井下沉方向，避免出現傾斜；③增大與地面的接觸面積，防止突沉、超沉。本次試驗通過布設鋼筋應力計對底梁進行監控，測點布置見圖13。

圖13 兩座沉井鋼筋計布置圖Fig.13 Layout of steel bar strain gauges for two caissons

6.2 現場實測結果分析

1) 鋼筋計應力

兩沉井底梁典型截面的鋼筋應力曲線見圖14、圖15。由圖可知，給排水沉井的應力較低，底梁最大拉應力僅為6.52 MPa。隨著沉井的下沉，鋼筋壓應力不斷增大，當下沉深度達10 m(約占下沉總深度的50%)后，底梁轉為全截面受壓，最大壓應力為-16.88 MPa。底梁應力主要受以下兩方面控制：①下沉初期，刃腳向外彎曲，支座截面承受一定的拉應力；②沉井下沉時的挖土方案，“小鍋底”與“大鍋底”的開挖方式導致底梁的跨度不同。

圖14 沉井底梁支座截面鋼筋計應力曲線圖Fig.14 Curves of bearing section of steel bar strain gauges

圖15 沉井跨中截面鋼筋計應力曲線圖Fig.15 Curves of mid-span section of steel bar strain gauges

監測結果表明，支座截面受刃腳向外彎曲影響較大，初期甚至為全截面受拉，但由于自重荷載的不同，圓形井的最大拉應力約為矩形井的3倍。當下沉深度達2 m(約占總下沉深度的10%)后，側向土體約束增強，底梁應力轉為由開挖方式控制。跨中截面由于距刃腳較遠，截面應力基本由開挖方案控制。監測結果同時表明，實測拉應力僅為有限元計算結果的1/6，說明施工中采取的控制措施可有效降低結構的拉應力。

2) 截面內力

鋼筋應力監測結果表明，底梁基本處于線彈性狀態，故按照平截面假定反推截面內力，規定軸力以受拉為正，彎矩以下側受拉為正。由于在施工中部分儀器受損，故僅計算出部分截面的內力(圖16、圖17)。

下沉初期，底梁支座截面為偏心受拉，設計時應尤其注意加強支座截面的配筋。與此同時，也應注重強調施工中的控制措施。諸如，通過井壁外土體的密實回填，增強土體對側壁的約束；避免在下沉初期形成“大鍋底”的大跨情況；控制沉井在下沉初期的偏斜量等。由圖可知，規范法計算得到的底梁軸力與實測值相近，但受沉井下沉姿態及不均勻土壓力作用的影響，底梁軸力的離散性較大，相同深度下的不同截面軸力最大可相差一倍，但均未超過規范設計值。

圖17 兩沉井底梁截面彎矩曲線圖Fig.17 Curves of bending moment of bottom beam section

底梁彎矩受開挖方式的影響較大，沉井初期下沉系數較大，底梁受自重荷載控制向下彎曲。隨著下沉深度的增加，地反力逐漸增大，底梁彎矩改為由開挖方式控制，可向上反拱或向下彎曲。矩形井底梁支座截面彎矩設計值為919 kN·m，跨中截面為796 kN·m，圓形井支座截面彎矩設計值為2 230 kN·m，跨中截面為3 680 kN·m，均大于實測值，最大偏差接近實測值的2倍。說明在實際下沉中，底梁的跨度、土體對底梁的反力以及側壁對底梁的約束狀況較為復雜，設計工況與實際施工狀況存在差異。因此在設計底梁時，可結合沉井挖土方案，合理選用地反力數值，以達到安全經濟的目的。

7 結 論

(1) 自重荷載及局部支撐面積是控制井壁豎向彎曲應力的重要因素。適當減小沉井初次下沉高度、增大局部承壓面積以及下沉初期回填砂土等控制措施，可顯著減小井壁的豎向彎曲應力。

(2) 下沉初期除需驗算井壁豎向彎曲外，尚應驗算刃腳踏面局部支撐處的局壓應力，鑿除墊層后應立即回填密實砂土，防止刃腳局部壓壞。

(3) 對于豎向剛度突變的矩形沉井，下沉時易出現“縮頸”現象，在“縮頸”處的側壁轉角區域、隔墻與側壁交接處以及側壁中間板帶產生較大的拉應力。

(4) 受刃腳向外彎曲影響，底梁支座截面在下沉初期拉應力較大，但該工況持續時間較短，實際工程中可適當加強支座截面配筋并注重施工控制措施，以降低此部分拉應力。

(5) 實際下沉中，影響底梁彎矩的因素較多且相互耦合，較少出現設計中的最不利工況。設計時可結合施工控制措施適當減小地反力數值。

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