于文杰 丁新 張安靜 竇國(guó)濤

摘 要：沉井因埋深大、整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好和施工工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目中。但是，隨著建設(shè)項(xiàng)目的擴(kuò)展，沉井深度越來(lái)越深，尺寸越來(lái)越大，下沉過(guò)程對(duì)沉井刃腳要求越來(lái)越高。本文介紹了沉井刃腳下沉過(guò)程中刃腳處擾動(dòng)土壓力的變化規(guī)律，介紹了相關(guān)試驗(yàn)?zāi)M方法，以期得到擾動(dòng)土壓力作用下沉井刃腳受力機(jī)理，為沉井刃腳的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沉井基礎(chǔ);刃腳;試驗(yàn)?zāi)M;擾動(dòng)土壓力

中圖分類號(hào)：U445.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）19-0116-03

Abstract： Sunk shaft foundation is widely used in infrastructure projects because of its deep buried depth， strong integrity， good stability and simple construction technology. However， with the expansion of construction projects， the depth and size of sunk shaft foundation are getting deeper and larger， and the requirements for the edge of sunk shaft foundation are higher and higher. This paper introduced the variation law of disturbed earth pressure at the edge of sunk shaft foundation in the process of sinking， and introduced the relevant experimental simulation methods， in order to obtain the force mechanism of sunk shaft foundation under the action of disturbed earth pressure， and provide theoretical basis for the design of sunk shaft foundation edge foot.

Keywords： sunk shaft foundation; cutting edge;experimental simulation;disturbed earth pressure

1 沉井基礎(chǔ)

沉井基礎(chǔ)是先在地表制作成一個(gè)井筒狀的結(jié)構(gòu)物（沉井），然后在井壁的圍護(hù)下通過(guò)從井內(nèi)不斷挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后再經(jīng)混凝土封底并填塞井孔，使其成為橋梁墩臺(tái)或其他結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)[1-2]。與其他基礎(chǔ)相比，沉井基礎(chǔ)有更大的埋深、更加良好的完整性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有較大的底面支撐面積，能承受較大的垂直和水平荷載。此外，沉井既是基礎(chǔ)，又是施工時(shí)的擋土和擋水圍堰結(jié)構(gòu)物。沉井施工工藝簡(jiǎn)單安全，有穩(wěn)妥可靠的技術(shù)，不需要特殊的專業(yè)設(shè)備，在深基礎(chǔ)或地下結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛，如橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)、地下泵房、水池、油庫(kù)、礦用豎井以及大型設(shè)備基礎(chǔ)、高層和超高層建筑物基礎(chǔ)等。

但是，沉井基礎(chǔ)施工周期較長(zhǎng)，對(duì)粉砂、細(xì)砂類土在井內(nèi)抽水時(shí)易發(fā)生流砂現(xiàn)象，造成沉井傾斜;沉井下沉過(guò)程中遇到的大孤石、樹干或井底巖層表面傾斜過(guò)大，也將給施工帶來(lái)一定的困難。沉井施工示意圖如圖1所示。

2 沉井刃腳

沉井下沉過(guò)程中面臨難沉、傾斜、翻砂和突沉等問(wèn)題，刃腳下土體極限承載力是研究沉井正常下沉、解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。刃腳是沉井構(gòu)造中井壁最下面的斜形尖利部分，主要作用是方便切入土層，利于井壁下沉，刃腳斜面與水平面之間的夾角不宜小于45°，此外，還需要滿足規(guī)定的強(qiáng)度要求，防止下沉期間受力撓曲或損壞。刃腳最下面的水平部分稱為踏面，根據(jù)井壁重量、厚度和土質(zhì)的軟硬綜合確定踏面寬度。沉井基礎(chǔ)的刃腳和井壁整體澆筑為一體，為確保沉井順利下沉，減少沉井底面的正面土抗力，井壁和隔墻底部一般設(shè)計(jì)成有利于切入土層的有斜面的楔形。刃腳的長(zhǎng)度和踏面的寬度根據(jù)地質(zhì)條件確定，即綜合考慮地基承載力和沉井下沉高度、封底混凝土的厚度進(jìn)行確定。刃腳所承受的荷載是非常集中的，必須有足夠的強(qiáng)度，以免撓曲與受損。考慮到井壁受力，刃腳做成楔形，但仍保留一定寬度;同時(shí)，為保證沉井下沉中翻砂，造成外部土體向井內(nèi)大量涌入，影響結(jié)構(gòu)安全及姿態(tài)穩(wěn)定，需要保證刃腳插入土中一定深度。刃腳構(gòu)造示意圖圖圖2所示。

3 沉井施工流程

3.1 沉井制作

沉井制作流程如下：①對(duì)開挖的沉井基坑測(cè)量定位、平整場(chǎng)地、抄平放線驗(yàn)線，鋪設(shè)沉井刃腳的砂墊層，安設(shè)刃腳鐵件、鋼筋綁扎，并支設(shè)刃腳和井壁模板;②第一節(jié)沉井的鋼筋綁扎和模板支護(hù)，同時(shí)穿插進(jìn)行預(yù)埋預(yù)留的配合工作;③第一節(jié)沉井的混凝土澆筑和振搗、拆模和養(yǎng)護(hù)，同時(shí)完成沉井第二節(jié)和第三節(jié)沉井的制作工作。在第二和第三節(jié)沉井混凝土澆搗、拆模與養(yǎng)護(hù)的同時(shí)，完成沉井下沉的準(zhǔn)備工作。

3.2 沉井下沉

沉井下沉遵照“定位準(zhǔn)確、先中后邊、對(duì)稱分層取土、深度適當(dāng)”的原則進(jìn)行[3]。沉井下沉過(guò)程中必須實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)量復(fù)核，直至沉降到設(shè)計(jì)要求的底標(biāo)高，以保證其穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。該階段的施工內(nèi)容主要如下。

①設(shè)置垂直運(yùn)輸機(jī)械、排水泵、挖排水溝、集水井;②沉井逐步下沉至設(shè)計(jì)要求的底標(biāo)高過(guò)程中，在井筒內(nèi)采用機(jī)械挖挖土，并配合人工挖土，從中間開始均衡對(duì)稱地向四周進(jìn)行挖土，并清淤下沉及井筒外的深井降水，保證沉井均勻平穩(wěn)地下沉;③沉井過(guò)程中的軸線與標(biāo)高復(fù)核，嚴(yán)格控制沉井的位置與垂直度，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)采取糾偏措施;④沉井下沉至設(shè)計(jì)要求的底標(biāo)高后，對(duì)沉井底部的進(jìn)行整平和夯實(shí)，并澆筑混凝土墊層，同時(shí)完成井壁與施工縫的清理工作;⑤做好底板鋼筋綁扎和底板混凝土澆搗、養(yǎng)護(hù);⑥做好測(cè)量彈線，落實(shí)井筒內(nèi)的墻、柱、板及輔助設(shè)施等結(jié)構(gòu)施工的準(zhǔn)備工作，為機(jī)電安裝作業(yè)創(chuàng)造條件。⑦做好沉井工程的質(zhì)量檢查與驗(yàn)收工作。

沉井的施工程序見圖3。

4 沉井下沉試驗(yàn)?zāi)M

沉井在下沉過(guò)程中，沉井刃腳有時(shí)切入土中，有時(shí)懸空（刃腳下土被挖空），是沉井受力最大、最復(fù)雜的部分。沉井斜側(cè)面與外側(cè)面的擾動(dòng)土壓力及基礎(chǔ)反力對(duì)其穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，尤其對(duì)于超深沉井刃腳，因此，開展沉井下沉過(guò)程中刃腳部位在擾動(dòng)土壓力作用下的受力性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定機(jī)理分析研究，在工程實(shí)踐和設(shè)計(jì)理論研究方面具有重要的參考價(jià)值。

4.1 試驗(yàn)方案

目前，主要的沉井刃腳土壓力測(cè)試方法如下：在刃腳鋼筋籠制作好后，將土壓力盒預(yù)埋進(jìn)刃腳內(nèi)，將土壓力盒受力面與即將澆筑的刃腳底面平齊，將導(dǎo)線接引至刃腳外面，連接數(shù)據(jù)采集裝置;在下沉過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刃腳處土壓力的變化，整理分析刃腳下沉過(guò)程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到刃腳土壓力與下沉深度的曲線。

沉井的截面形狀有圓形和方形，在超大直徑的圓形沉井中，截取1 m的截面。由于弧度很小，因此，可以忽略不計(jì)。同時(shí)，研究刃腳的受力性能。此試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯咳心_切入土中時(shí)，刃腳斜側(cè)面擾動(dòng)土壓力隨深度分布形式及大小，試驗(yàn)設(shè)置如圖4所示，具體試驗(yàn)方案如下：①制作模型箱，模型箱尺寸為4 m×1 m×2 m（長(zhǎng)×寬×高），采用壁厚為1 cm的鋼板拼接而成;②制作單位寬度沉井刃腳縮尺模型;③填土，并放置刃腳縮尺模型;④測(cè)取土體的重度，含水率，摩擦角和粘聚力;⑤安裝位移計(jì)進(jìn)行加載試驗(yàn)，同時(shí)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用液壓千斤頂加載，使沉井刃腳向下移動(dòng)，同時(shí)記錄土壓力動(dòng)態(tài)變化。

4.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)前，測(cè)試填入土的密度、摩擦角、孔隙比等物理參數(shù)，同時(shí)還要進(jìn)行篩分試驗(yàn)，繪制顆粒級(jí)配曲線。刃腳部分混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%后方可開始下沉。勤測(cè)、勤糾，小角度糾偏是沉井下沉過(guò)程中的最佳傾斜糾偏措施，當(dāng)沉井偏斜達(dá)到容許值的1/4時(shí)便要糾偏。

下沉試驗(yàn)?zāi)M主要試驗(yàn)步驟如下。

①組裝模型箱，并在外圍支設(shè)模型箱的支撐系統(tǒng)，防止刃腳下沉過(guò)程外側(cè)土體擠壓外翻。

②填入試驗(yàn)所需的土體，并逐層進(jìn)行均勻夯實(shí)。

③沉井模型預(yù)先埋入土中約0.3 m，填土完成后，支設(shè)刃腳并安裝加載裝置，調(diào)節(jié)儀器儀表，并檢測(cè)數(shù)據(jù)是否能正常傳輸及是否合理。

④從刃腳斜面一側(cè)開始向刃腳處均衡對(duì)稱地進(jìn)行挖土，然后千斤頂加載并記錄加載力值大小和土壓力盒記錄的應(yīng)力。刃腳處挖土要逐步擴(kuò)大，一次挖土量不可過(guò)多，若發(fā)現(xiàn)刃腳輕微傾斜，不要通過(guò)大量挖土來(lái)糾偏。

⑤結(jié)合擾動(dòng)理論、非極限土壓力理論的分析方法，綜合分析沉井在下沉過(guò)程中刃腳踏面和斜面應(yīng)力在空間上的分布規(guī)律。

5 結(jié)論

本文介紹了沉井施工方法的概況及沉井基礎(chǔ)的主要使用范圍，并對(duì)沉井的施工工藝流程和下層中的主要傾斜糾偏措施進(jìn)行介紹，可供相關(guān)專業(yè)學(xué)生及同行參考學(xué)習(xí)。

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