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软土地基防治沉井制作过程沉降的研究

2014-12-25李猛

城市建设理论研究 2014年37期
关键词:沉井软土地基

李猛

摘要:由于沉井在深基础施工中占地面积小,不需支护,适用土质范围广,节约投资等独特的优点,目前已广泛得到应用和发展。但根据地质条件和施工环境的不同,沉井在制作过程中,常出现地基承载力不够导致沉井突然沉降或倾斜,给工程安全及质量带来极大的隐患。本文以长江边钢铁厂建造的漩流沉淀池为例,根据多年施工经验,研究在软土地基条件下,沉井制作过程中如何进行防治突然沉降或倾斜的问题。

关键词:沉井,软土地基,突然沉降,倾斜

中图分类号:TU74文献标识码: A

引言

沉井是在地面上或地坑中,用钢筋混凝土制成上、下开口而四周封闭的井筒状结构作为基坑坑壁的支撑,待井筒混凝土达到一定强度后,用机械和人工分层挖土,随着井内土面逐渐降低,借助于其自重克服与土壁之间的摩阻力而下沉入土中的结构物。在沉井制作过程中,当沉井自重较大,地基承载力不够时沉井将发生突然下沉或倾斜,严重影响安全及施工质量,处理费用也较大。这样自重大的沉井在软土地基上制作的稳定性、经济性成为了沉井施工的一个重要环节。

一、沉井制作稳定性分析及控制目的

在软土地基中引起沉井制作过程沉降的主要原因是地基承载力不足。在施工沉井过程中,由于荷载不断加大,超过了地基承载力,沉井在制作过程中可能发生突然沉降或倾斜。一旦沉井在制作过程中发生突然沉降或倾斜将给工程带来很大的安全隐患,处理费用也很高,对沉井施工质量也得不到保证。那么如何保证在软土地基上制作自重较大沉井不发生突然沉降和倾斜呢?

本文以长江流域沙钢钢铁集团荣盛炼钢厂东区建造的漩流沉淀池为例,通过研究解决了在软土地基中制作自重较大沉井时发生突然沉降和倾斜的问题。沉井在制作过程中发生突然沉降或倾斜,可采取增大地基承载力、增大沉井底面积、减轻沉井自重等技术措施达到沉井在软土地基上制作的稳定问题。但沉井的关键工序是下沉过程,我们在采取措施保证沉井制作稳定的同时还应考虑后期沉井在下沉过程的种种条件,因此本文通过工程实例研究解决较大自重沉井在软土地基上制作的稳定问题,使工程总造价做到最低,同时保证了沉井下沉过程的顺利及后期的质量。

二、案例工程概况:

本工程为沙钢荣盛炼钢东区1#漩流沉淀池工程,工程坐落于张家港市锦丰镇沙钢集团厂区内,位于长江下游南岸,地跨长江三角洲平原的两个地貌副区,即长江南岸古代沙嘴区和靖江常阴古沙洲区。拟建场地属于新长江三角洲冲积、洪积地貌单元。漩流沉淀池为圆形钢筋混凝土结构,池底外径18m,池顶外径17.4m,外筒壁厚800mm,刃脚底标高-2200m,顶板标高为±0.000m,原始地面高程为图纸设计的绝对标高±0.000m。在漩流沉淀池外壁-6.7m处有0.9*2.2m的洞口2个,在-8.7m处有0.9*0.9的洞口2个。漩流沉淀池施工计算简图如附图1

三、方案验证

根据施工方案,漩流沉淀池采用外筒壁沉井施工方法,待沉至设计标高后,进行池底封底,最后施工内筒。外筒壁高22m需制作完毕后一次下沉到设计标高。通常沉井的制作一般是在沉井下部铺设垫木,在垫木下铺设砂垫层增加地基承载力。而本工程沉井外壁自重为2159t,采用一般做法可根据公式h=(G/f-L)/2tanβ判断一般做法是否可行,根据公式求得砂垫层厚度为3.6m。

h─砂垫层厚度(m)

G─沉井单位长度的自重(kN/m)

f─砂垫层底部土层承载力特征值(kN/m2)

L─垫木长度(m),取1m长

β─砂垫层的压力扩散角,取22.5°

换填铺设3.6m的砂垫层既不经济,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,那么就要考虑其他方案解决漩流沉淀池外筒壁的制作的稳定问题。

首先分析一下能够影响沉井在制作过程发生倾斜或突然下沉的影响因素:

1、软土地基的地基承载力不足

2、沉井的底面积太小

3、沉井的自重及上部荷载太大

4、沉井井壁的摩擦阻力

根据以上四条影响因素,本案例工程分别针对2、3、4条采取了解决方案,按影响因素第2条增加了沉井的底面积,按影响因素第3条减轻了沉井的自重,按影响因素第4条设置增加沉井井壁的摩擦阻力。本工程案例未针对影响因素1进行技术处理,主要由于通过2、3、4条影响因素,已达到了沉井在制作过程中不发生突然下沉或倾斜的问题。如需考虑影响因素第1条,需要勘察工程实际的地质情况,根据真实的地质情况参考地勘报告可采取地基土置换、砂土层降水等等技术措施进行增大地基承载力。下面我们通过工程实体案例详细分析大自重沉井在软土地基中制作的稳定性。

首先通过地勘报告得到漩流沉淀池所在区域的土层分布及承载力。如下表

层号 岩土名称 土层分布深度

m 承载力特征值

fak(kpa) 压缩模量

Es1-2(Mpa)

② 粉土 -2.8~-6.5 95 6.0

③ 淤泥质粉质粘土 -6.5~13 60 3.0

④ 粉土夹粉砂 -13~-20 130 7.0

⑤ 粉质粘土夹粉土 -20~-25 110 6.5

根据漩流沉淀池简图计算得出外壁重量G=2159t,底面积A=22m2。再根据沉井地基承载力验算公式:F+G≤fak*A+T

公式中:F─沉井上部结构自重力(KN)

G─沉井自重力(KN)

fak─沉井底面下持力层承载力特征值(KN/m2)

A─沉井底面积(m2)

T─沉井壁总摩阻力(KN)

沉井的摩擦阻力暂不考虑,计算得出能够满足沉井稳定性的地基承载力为f=980kpa,根据各土层的承载力特征值可知沉井的制作无论是在哪个土层中都是不稳定的,需要采取措施,才能满足漩流沉淀池的筒壁制作。

措施一:按照影响因素第四条可采取增加沉井井壁的摩擦阻力的技术措施,在制作时为了增加沉井井壁的摩擦阻力可以将土方开挖至-5m后,开始制作沉井,待沉井井壁高度超过5m后将沉井外侧进行土方分层回填压实,这样可以通过技术手段增加井壁的摩擦阻力。

根据沉井与土间的摩阻力计算公式:T=πDhf

T─沉井与土间的摩阻力

π─圆周率

D─沉井底部外径

h─沉井入土高度

f─井壁与土的摩擦系数,软土可取9.8~11.8KN/m2

可计算得出沉井入土5m的摩阻力T=1413kN

措施二:漩流沉淀池建成后坐落在炼钢厂房内,下沉后的顶标高对周边生产环境影响很大,因此对沉井下沉的标高控制要求很高,为了满足标高控制的要求,同时达到减轻自重的目的,可以将漩流沉淀池外壁上部3m范围不予施工,这样能够减轻筒体自重G1=264t。待筒体下沉稳定后,施工漩流沉淀池内筒顶板时,根据实测标高一同将漩流沉淀池上部外筒壁施工完成,这样既减轻筒体自重,又能有效的控制最终顶面的标高。

措施三:在采取了措施一和措施二的基础上,再研究如何能够通过增大漩流沉淀池底面积而不影响下沉又能保证整体稳定的方法,此措施是决定漩流沉淀池制作稳定性最重要的技术措施。漩流沉淀池在-5m的地坑中施工,地基承载力特征值可按第②层土fak =95 KN/m2计算。通过沉井地基承载力验算公式:F+G≤fak*A+T计算得出能够保证稳定的沉井底面积A1:

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

因此漩流沉淀池底面积大于185m2就可以满足制作时的稳定性。根据多年施工经验,为了防止沉井在下沉时刃脚受力不均而破坏,通常在沉井底部增加十字梁或井字梁。本工程漩流沉淀池内部筒体直径16m,可以采用十字梁,梁截面尺寸暂定为高1.5m,宽2m。这样十字梁既可以撑住刃脚底口,又可以座在地基土上承担漩流沉淀池外筒自重,十字梁可为漩流沉淀池增加底面积65 m2。其余120 m2的底面积就需要增大环形刃脚的宽度。根据环形圆公式可计算得出刃脚宽度为2.4m。对于2.4m宽的刃脚,沉井下沉时阻力会很大,整体下沉会很困难。为了减轻沉井下沉时的底部阻力,让沉井能够按原设计图纸顺利下沉,本工程设计了阶梯型刃脚构造,改造后的刃脚断面图如附图2。新设计的刃脚构造既满足了筒体制作的安全稳定性,又满足了漩流沉淀池下沉过程刃脚的切土作用。

施工完毕的刃脚及十字梁如下图

在漩流沉淀池外筒壁在制作过程中,在筒壁外侧平均设置6处标高观测点,每天进行筒体的沉降观测,直至漩流沉淀池外筒壁制作完毕,6处沉降观测点观测的沉降数据全部在20mm之内。因此,通过以上技术措施理论计算得出方案是可行的。

结论:

通过三种技术措施在实体工程中的计算得出如下结论:

1、增加井壁摩阻力分担地基承载力:1413kN;

2、减轻沉井自重分担地基承载力:2640 kN;

3、增大沉井底面积分担地基承载力:15485kN;

通过理论计算和实际工程印证,在沉井下部增加十字梁及设计阶梯形刃脚是满足自重较大沉井在软土地基上的制作控制突然沉降或倾斜最有效的方案措施。

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