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复杂桥梁空间条件下沉井设计与计算分析林沛城

发表时间：2020/5/21 来源：《建筑模拟》2020年第4期作者：林沛城

[导读] 重点介绍了在佛山市樵乐路-乐狮线立交工程复杂桥梁空间条件下承台沉井施工方案的计算分析，阐述了施工方案选择、结构验算、施工方案等。在施工深基础及地下构筑物工程，面临地下水位高的淤泥层、施工净空受限制、场地狭小等条件的约束时，使用沉井技术可以取得较好在施工效果。它具有基坑开挖量小、施工安全、造价低、工期快等优点，可获得较好在经济效益和优化成本。

        广东佛盈汇建工程管理有限公司广东佛山 528000
        摘要：重点介绍了在佛山市樵乐路-乐狮线立交工程复杂桥梁空间条件下承台沉井施工方案的计算分析，阐述了施工方案选择、结构验算、施工方案等。在施工深基础及地下构筑物工程，面临地下水位高的淤泥层、施工净空受限制、场地狭小等条件的约束时，使用沉井技术可以取得较好在施工效果。它具有基坑开挖量小、施工安全、造价低、工期快等优点，可获得较好在经济效益和优化成本。
        关键词：复杂、桥梁空间下、沉井施工、方案、计算分析

        一、工程概况
        为减少对樵乐路现状交通影响，克服佛山一环主线桥与乐狮立交桥梁墩位空间狭窄的影响，23#墩承台采用沉井施工。承台沉井采用钢筋混凝土作为工作井，沉井按圆井设计，工作井内径7m，底节壁厚0.45m，上节壁厚0.35m，沉井采用预制下沉施工工艺。
        二、地质条件
        根据钻孔揭露，本场地区岩土层按成因可划分为：1人工填土层（Qml），2第四系海陆交互冲积层（Q4mc），3第四系残积层（Q4el），4下第二系（E）风化基岩4个成因层。主要由粉质黏土、淤泥质土、粉质黏土等组成，土层层位较稳定，沿线软土发育；2-2层淤泥质土、淤泥：道路沿线大部分布，揭露于ZK1～ZK10，ZK13～ZK15等孔，厚度1.60～22.30m，平均12.30m，层顶理深1.10～7.10m，层顶标高-3.38～2.45m。灰黑色，饱和，流塑，含有机质及少量贝壳碎屑，有臭味，韧性低，切面光泽，无摇振反应，干强度低。
        三、沉井施工验算
        1、沉井制作承垫木铺设数量和砂垫层铺设厚度计算
        1.1、刃脚承垫木铺设数量
        沉井制作为使地基均匀承受沉井筒身重量，不致在混凝土浇筑过程中突然下沉或倾斜，导致筒身刃脚裂缝破坏和便于支设模板，一般在沉井下部铺设垫木，承垫木铺设数量，由第一节沉井的重量及地基（或砂垫层）的承载力而定。沿刃脚每米铺设垫木的根数（排数）n，可按下式计算：

        式中：
        G——第一节沉井单位长度的重力（KN/m）；
        A——每根垫木与地基或砂垫层接触的底面积（m2）；
        f——地基或砂垫层的承载力设计值（KN/m2）。
        已知沉井外径为7.9米，内径为7.0米，壁厚为0.45米，第一节井身拟施工长度为1.3+0.45+5.5=7.25m，则混凝土量为：

        混凝土密度为24kN/m3，地基为粉质黏土，承载力设计值[f]=130KN/m2；基础采用砂垫层，承载力设计值[f]=180KN/m2，压力扩散角θ=22.8°，则第一节沉井单位长度的重力G（KN/m）为：

        采用垫木规格为0.1×0.1×2.0m的木方，则每根垫木与地基或砂垫层接触的底面积A（m2）为：

        刃脚下地基采用砂层进行回填，则地基或砂垫层的承载力设计值f=180（KN/m2）；
        根据以上已知条件，求砂垫层上每米需铺设垫木数量，可得：
         根
        则每根垫木间距为：

        沉井刃脚需铺设垫木数量：
         根
        1.2、计算砂垫层铺设厚度
        沉井制作，当地基承载力较低，经计算需用较多的垫木，铺设间距过密，一般在垫木下加设砂垫层，提高垫木底部地基承载力，以减少铺设垫木数量，避免发生不均匀沉降，同时便于表面找平和铺设垫木以及方便沉井下沉前垫木的抽出。
        砂垫层厚度h（cm）应满足砂垫层底面处的自重应力加砂垫层底面处的附加应力小于砂垫层底部土层的承载力，根据第一节沉井重量和垫层底部地基土的承载力计算。

        式中：
        G——沉井第一节单位长度的重力（KN/m）；根据1.1《刃脚承垫木铺设数量》的计算结果，取G=78.3KN/m；
        f——地基的承载力设计值（KN/m2）；根据本项目的地质资料揭示，井位附近为现状路面，路面下为粉质黏土，已压实，取f=80KN/m2；
        L——垫木长度（m）；取L=2.0m
        θ——砂垫层的压力扩散角（°），不大于45°，一般取22.5°；
        根据以上已知条件，可得需铺设砂垫层厚度：

        根据上式计算可得需要的砂垫层厚度h=0.21m，一般以其总厚度不小于0.5m，不大于2.0m为宜，故沉井刃脚处需铺设砂垫层的厚度为0.5m。
        2、沉井下沉验算
        本项目沉井采取分段制作，分段下沉。沉井下沉时，应对其在自重下能否下沉进行必要的验算。沉井下沉时，必须克服井壁与土间的摩阻力和底层对刃脚的反力，其比值称为下沉系数K，一般不小于1.15～1.25；其下沉安全系数按下式计算：

        式中：
        K——下沉安全系数，一般不小于1.15～1.25；
        Q——沉井自重及附加荷重（kN）；
        B——被井壁排出的水量（kN），如采取排水下沉时，则B=0；
        R——刃脚反力（kN），如采取将刃脚底面及斜面的土方挖空，则R=0；
        T——沉井与土间的摩阻力（kN），假定摩阻力随土深而加大，在刃脚台阶处达到最大值，以下即保持常值，按此计算偏于安全，比较符合实际情况。即：

        式中：
        D——沉井外径（m），取D=7.9m；
        H——沉井全高（m），取H=12.25m；
        h——刃脚高度（m），取h=0.8m；
        f——井壁与土的摩阻系数（即单位面积的摩阻力的平均值）。根据该施工区域的地质情况取用，f=7.2°：

可得：


        本项目沉井分两节制作，第一节长度为7.25米，即刃脚底至侧墙变截面处，第二节长度为5.0m，即侧墙变截面处至沉井顶。
        不考虑浮力及刃脚反力作用，则B=0，R=0，可得：
        第一节沉井的下沉系数：

        可下沉。
        接高第二节后的下沉系数：

        可下沉。
        K1K2均大于1.15，故能下沉。
        3、垫架拆除井壁强度的验算
        沉井制作达到下沉强度后，拆除刃脚垫架，抽除承垫木，沉井最后仅支承在少量垫木上，在下沉前应验算井壁的竖向强度能否满足要求，以防出现裂缝或断裂。
        验算时，将沉井按最不利状态，当作支承于4个固定承垫上的梁，支承点应尽量控制在最不利的位置，使支点和跨中所产生的弯矩相等。
        计算井墙单位长度重量：

        采取四点支承时，查《水平圆弧梁内力计算表》可得：

        4、沉井下沉稳定性验算
        沉井在软弱土层中下沉时，有时可能发生突沉，这时需对沉井进行稳定性验算；再当沉井下沉到设计标高时，亦应验算沉井下部的支承力是否足以支承沉井的自重力，使保持不再下沉。沉井的下沉稳定性以下沉稳定系数K表示，可按下式验算：

        其中：


        式中：
        K——沉井下沉稳定系数，应小于1；
        G——沉井的自重力；
        B——地下水浮力，排水下沉时，B=0；
        Rf——沉井外壁有效摩阻力的总和；
        R1——刃脚踏面及斜面下土的支承力；
        D0——沉井的平均直径（m）；
        C——刃脚踏面宽度（m）；
        n——刃脚斜面与井内土体接触面的水平投影宽度（m）；
        R2——沉井内部隔墙和梁底下土的支承力；
        A1——隔墙和底梁的总支承面积；
        fu——土的极限承载力，淤泥质黏土，取fu=200～300kN/m2。
        可得：
        沉井总重力：

        沉井外壁的摩擦力总和：

        因沉井刃脚斜面土被掏空，不考虑斜面土的支承力，刃脚踏面支承力为：

        沉井无隔墙和底梁：

        下沉稳定系数为：

        故由上述计算结果可知沉井在自重下能够稳定。
        四、结论
        经过佛山市樵乐路-乐狮立交工程桥梁空间下承台大直径沉井施工的工程应用实践证明，可以利用传统的施工方法和简单的施工工艺获得优良在结构性能，确保了桥梁结构在安全，技术经济效益和成本效益显著，非常适合我国现阶段基本建设的国情，是具有广阔应用前景的结构体系之一。
        参考文献：
        [1]路桥施工计算手册/周水兴，何兆益，邹毅松.北京：人民交通出版社，2001.5
        [2]公路桥涵施工技术规范JTG TF50-2011 交通运输部北京：人民交通出版社，2011.8.1.
        [3]基坑工程手册（第二版），刘国彬，中国建筑工业出版社，2009
        [4]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）
        [5]《水工建筑荷载规范》（DL5077-1997）
        [6]《土质学与土力学（第三版）》（高大钊主编）
        [7]《建筑施工计算手册（第2版）》（江正荣主编）