黃 丁 徐 偉 李耀良

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

1 引 言

隨著施工技術(shù)及施工機具的不斷發(fā)展，沉井這一由古老的掘井作業(yè)發(fā)展而來的技術(shù)，在現(xiàn)代工程中得到越來越多的應(yīng)用[1]。沉井結(jié)構(gòu)因其占地面積小、承載力大、施工快捷、便于預(yù)留孔洞等特點，而廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)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(chǔ)的關(guān)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(jié)論[4]。穆保崗、朱建民等通過現(xiàn)場監(jiān)測南京長江四橋北錨碇沉井結(jié)構(gòu)下沉階段的應(yīng)力應(yīng)變、刃腳和隔墻底部土壓力以及側(cè)壁土壓力，對大型沉井下沉階段的內(nèi)力變化進行了系統(tǒng)的分析[2]，并依托馬鞍山長江大橋南錨碇的現(xiàn)場實測及有限元計算結(jié)果，總結(jié)了沉井接高工況的受力、變形規(guī)律以及土體支撐剛度對沉井內(nèi)力的影響[5-6]。

現(xiàn)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(jīng)驗。諸如：①沉井內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，橋梁中的沉井平面尺寸大、下沉深度深，需加設(shè)多道縱橫向隔墻以保證結(jié)構(gòu)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(nèi)空間，且下沉深度淺，通常僅加設(shè)一道隔墻或在下部設(shè)置底梁，即可滿足要求。②豎向彎曲驗算不同，橋梁中首節(jié)沉井多采用鋼殼結(jié)構(gòu)，抗拉承載力高，且底部為均勻支撐，豎向彎曲應(yīng)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?xí)r支撐條件發(fā)生變化，需驗算井壁的豎向彎曲應(yīng)力。本文對某給排水工程中兩座沉井進行了現(xiàn)場監(jiān)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(nèi)力變化規(guī)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(cè)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(cè)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(jié)構(gòu)，臺階寬度50 mm，具體結(jié)構(gòu)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?xí)r，沉井總高度為12.52 m。

2.2 工程地質(zhì)概況

兩座沉井所處區(qū)域地勢平坦，地層分布及土層力學(xué)參數(shù)見表1。地面標(biāo)高3.95～4.28 m，圓形沉井刃腳底標(biāo)高為-14.18 m，矩形沉井刃腳底標(biāo)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(wěn)定標(biāo)高為1.3 m。

圖1 矩形沉井結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of rectangular caisson

圖2 圓形沉井結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of circular caisson

表1沉井穿越土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

Table1Physicalandmechanicalparametersofpenetratedsoil

土層名稱層底埋深/m層厚/m重度/(kN·m-3)黏聚力/kPa內(nèi)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(zhì)黏土0.781.518.42716.380可塑-軟塑狀、中壓縮性淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土-3.724.517.4816.956流塑狀、高壓縮性、高靈敏度淤泥質(zhì)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(xiàn)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(fù)雜空間運動。目前，我國規(guī)范[7-8]通過計算沉井初始下沉和下沉到位兩種工況來設(shè)計沉井，而下沉階段則通過施工控制措施來防止沉井結(jié)構(gòu)破壞。初始下沉階段，下沉系數(shù)較大，且支撐條件發(fā)生變化，刃腳向外彎曲，側(cè)壁豎向彎曲應(yīng)力最大，該工況控制刃腳及側(cè)壁內(nèi)側(cè)的豎向配筋。下沉到位階段，側(cè)壁水土壓力達到最大，刃腳向內(nèi)彎曲，側(cè)壁橫向彎曲應(yīng)力最大，該工況控制沉井刃腳和側(cè)壁外側(cè)的豎向配筋及橫向配筋。現(xiàn)行規(guī)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(jié)果有一定差別[4,9]。本文通過對這兩個關(guān)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(shù)

沉井結(jié)構(gòu)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(cè)摩阻力。計算土壓力時考慮地面堆積荷載為10 kN/m2，側(cè)壁土壓力采用等效土層法計算，側(cè)摩阻力按照規(guī)范[8]中的規(guī)定計算，荷載計算結(jié)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(shè)一層15～20 cm厚的C15素混凝土墊層。當(dāng)?shù)琢焊哂谌心_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(nèi)碎磚清理干凈。此時，沉井由均勻支撐于刃腳、底梁轉(zhuǎn)變?yōu)閮H由刃腳局部四點支撐。

4.1 計算結(jié)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(dǎo)致初始下沉?xí)r井壁豎向彎曲應(yīng)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(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，支撐面積為4 m×0.5 m×1.5 m時的計算結(jié)果見圖5-圖7。側(cè)壁及刃腳處的最大拉應(yīng)力均保持在1.43 MPa以內(nèi)，最大拉應(yīng)力位于刃腳內(nèi)側(cè)凹槽處。最大壓應(yīng)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(cè)壁及刃腳豎向彎曲外，尚應(yīng)驗算局部支撐處的局壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)有較高的抗?jié)B要求，故井壁較厚，截面拉應(yīng)力低。因此在討論局部支撐面積對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響時，選取最大壓應(yīng)力和最大徑向變形作為評判依據(jù)，對比結(jié)果見圖8。結(jié)果表明，局部支撐面積為4 m×1.5 m×0.5 m時的最大應(yīng)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(dǎo)致側(cè)壁和刃腳開裂。對于本沉井當(dāng)局部支撐面積占刃腳踏面總面積的8%(3 m2)以上時，結(jié)構(gòu)內(nèi)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(yīng)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(shè)隔墻，側(cè)壁跨度顯著減小。故矩形井在初始下沉?xí)r，應(yīng)力明顯小于圓形井。當(dāng)局部支撐面積為4 m×0.6 m×1.0 m(為圓形井的80%)時，側(cè)壁及刃腳最大拉應(yīng)力保持在0.715 MPa以下，刃腳局部支撐處的最大壓應(yīng)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(yīng)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(yīng)嚴(yán)格遵循“先內(nèi)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(biāo)尺，并設(shè)立相應(yīng)的水平指示尺，按規(guī)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(xiàn)偏斜。當(dāng)墊層敲拆后，井壁四周側(cè)摩阻力較小，沉井下沉系數(shù)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(chǎn)生傾斜。因此，應(yīng)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?xí)r，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(wěn)、順利下沉。

5 下沉到位工況驗算

沉井下沉到位后，側(cè)壁承受最大的水平土壓力及豎向側(cè)摩阻力。與橋梁沉井結(jié)構(gòu)不同，給排水沉井內(nèi)隔墻較少，開間尺寸大。對于軟土地基的沉井，多在底部加設(shè)底梁，以防止突沉、超沉。但底梁的加設(shè)使沉井結(jié)構(gòu)豎向剛度發(fā)生突變，底部剛度與上部相差較大。沉井在下沉到位的應(yīng)力狀態(tài)如圖10-圖12所示。

圖10 首節(jié)矩形沉井下沉到位工況第一主應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象，即沉井中部截面向內(nèi)縮小。矩形井中此現(xiàn)象尤為明顯，側(cè)壁中部轉(zhuǎn)角區(qū)域、隔墻與側(cè)壁交接處和側(cè)壁中間板帶出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。且拉應(yīng)力隨沉井深度的增加而增加，第二次下沉的最大拉應(yīng)力為第一次的2.13倍。矩形井在設(shè)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(jié)構(gòu)進行設(shè)計，應(yīng)尤其注意“縮頸”現(xiàn)象，加強沉井中間井壁轉(zhuǎn)角處、隔墻與側(cè)壁交接處和側(cè)壁中間板帶的配筋，防止沉井出現(xiàn)開裂。

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

6 工程實測

沉井下沉階段的內(nèi)力變化與施工中的控制措施密切相關(guān)，但現(xiàn)行規(guī)范對沉井下沉階段的規(guī)定尚不詳盡。因此，有必要針對典型的給排水沉井結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場監(jiān)測，收集必要的原始數(shù)據(jù)，為今后的工程提供借鑒。

6.1 監(jiān)控內(nèi)容及儀器布設(shè)

底梁是給排水沉井所特有的結(jié)構(gòu)，其作用與內(nèi)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?xí)r依據(jù)偏斜量，調(diào)整不同井孔內(nèi)的挖土量及速率，控制沉井下沉方向，避免出現(xiàn)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(shè)鋼筋應(yīng)力計對底梁進行監(jiān)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(xiàn)場實測結(jié)果分析

1) 鋼筋計應(yīng)力

兩沉井底梁典型截面的鋼筋應(yīng)力曲線見圖14、圖15。由圖可知，給排水沉井的應(yīng)力較低，底梁最大拉應(yīng)力僅為6.52 MPa。隨著沉井的下沉，鋼筋壓應(yīng)力不斷增大，當(dāng)下沉深度達10 m(約占下沉總深度的50%)后，底梁轉(zhuǎn)為全截面受壓，最大壓應(yīng)力為-16.88 MPa。底梁應(yīng)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(yīng)力；②沉井下沉?xí)r的挖土方案，“小鍋底”與“大鍋底”的開挖方式導(dǎo)致底梁的跨度不同。

圖14 沉井底梁支座截面鋼筋計應(yīng)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(yīng)力曲線圖Fig.15 Curves of mid-span section of steel bar strain gauges

監(jiān)測結(jié)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(yīng)力約為矩形井的3倍。當(dāng)下沉深度達2 m(約占總下沉深度的10%)后，側(cè)向土體約束增強，底梁應(yīng)力轉(zhuǎn)為由開挖方式控制。跨中截面由于距刃腳較遠，截面應(yīng)力基本由開挖方案控制。監(jiān)測結(jié)果同時表明，實測拉應(yīng)力僅為有限元計算結(jié)果的1/6，說明施工中采取的控制措施可有效降低結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力。

2) 截面內(nèi)力

鋼筋應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明，底梁基本處于線彈性狀態(tài)，故按照平截面假定反推截面內(nèi)力，規(guī)定軸力以受拉為正，彎矩以下側(cè)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(nèi)力(圖16、圖17)。

下沉初期，底梁支座截面為偏心受拉，設(shè)計時應(yīng)尤其注意加強支座截面的配筋。與此同時，也應(yīng)注重強調(diào)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(cè)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(guī)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(tài)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(guī)范設(shè)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(shù)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(shè)計值為919 kN·m，跨中截面為796 kN·m，圓形井支座截面彎矩設(shè)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(cè)壁對底梁的約束狀況較為復(fù)雜，設(shè)計工況與實際施工狀況存在差異。因此在設(shè)計底梁時，可結(jié)合沉井挖土方案，合理選用地反力數(shù)值，以達到安全經(jīng)濟的目的。

7 結(jié) 論

(1) 自重荷載及局部支撐面積是控制井壁豎向彎曲應(yīng)力的重要因素。適當(dāng)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(yīng)力。

(2) 下沉初期除需驗算井壁豎向彎曲外，尚應(yīng)驗算刃腳踏面局部支撐處的局壓應(yīng)力，鑿除墊層后應(yīng)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?xí)r易出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象，在“縮頸”處的側(cè)壁轉(zhuǎn)角區(qū)域、隔墻與側(cè)壁交接處以及側(cè)壁中間板帶產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

(4) 受刃腳向外彎曲影響，底梁支座截面在下沉初期拉應(yīng)力較大，但該工況持續(xù)時間較短，實際工程中可適當(dāng)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(yīng)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(xiàn)設(shè)計中的最不利工況。設(shè)計時可結(jié)合施工控制措施適當(dāng)減小地反力數(shù)值。

[ 1 ] 葛春輝.鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004:2-3.

Ge Chunhui. Reinforced concrete caisson structure design and construction manual. Beijing: China Architecture and Building Press, 2004:2-3. (in Chinese)

[ 2 ] 穆保崗，朱建民，牛亞洲.南京長江四橋北錨碇沉井監(jiān)控方案及成果分析[J].巖土工程學(xué)報，2011,33(2):269-274.

Mu Baogang, Zhu Jianmin, Niu Yazhou. Monitoring and analysis of north anchorage caisson of Fourth Nanjing Yangtze River Bridge[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011,33(2):269-274. (in Chinese)

[ 3 ] 王紅霞.大型沉井結(jié)構(gòu)施工過程的力學(xué)模型及控制研究[D].上海：上海交通大學(xué),2001.

Wang Hongxia. Study on mechanics models and control for large extra caisson on construction[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2001. (in Chinese)

[ 4 ] 楊燦文,黃民水.某大型沉井基礎(chǔ)關(guān)鍵施工過程受力分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版),2010,27(1):17-21.

Yang Canwen，Huang Minshui. Mechanical analysis on key construction stage of large open caisson foundation[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology，2010,27(1):17-21. (in Chinese)

[ 5 ] 穆保崗,肖強,張立聰,等.土體支撐剛度對下沉期沉井內(nèi)力的影響分析[J].東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2012,42(5):981-987.

Mu Baogang，Xiao Qiang，Zhang Licong，et al. Effect of supporting soil stiffness on internal force of caisson during sinking[J]. Journal of Southeast University(Natural Science Edition)，2012,42(5):981-987. (in Chinese)

[ 6 ] 朱建民,龔維明,穆保崗,等.超大型沉井首次接高受力及變形規(guī)律初探[J].巖土力學(xué),2012,33(7):2055-2060.

Zhu Jianmin, Gong Weiming, Mu Baogang, et al. Research on stress and settlement of super-large open caisson during first lifts[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012,33(7):2055-2060.(in Chinese)

[ 7 ] 中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司.JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2007.

CCCC Highway Consultants Co., Ltd. JTG D63—2007 Code for design of ground base and foundation of highway bridge and culverts[S]. Beijing: China Communications Press, 2007. (in Chinese)

[ 8 ] 上海市政工程設(shè)計院.CECS 137:2002 給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2002.

Shanghai Municipal Engineeing Design Institute. CECS 137:2002 Specification for structural design of reinforced concrete sinking well of water supply and sewage engineering[S]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2002. (in Chinese)

[ 9 ] 朱行鳳,徐霞.沉井下沉施工階段井壁計算的探討[J].特種結(jié)構(gòu),2009,26(4):65-67.

Zhu Xingfeng,Xu Xia. Discussing the computation method of open caisson in the phase of sinking[J]. Special Structures,2009,26(4):65-67. (in Chinese)

[10] Allenby D, Waley G, Kilbum D. Examples of open caisson sinking in Scotland[J]. Geotechnical Engineering, 2009, 162(2):59-70.