沉井设计计算讲解课件

沉井设计细则

安徽省交通规划设计研究院

1精选课件前言

在我们的工程中经常遇到沉井，大多用于炼钢及轧钢的一次沉淀池中。从前的设计一般是根据某些参考书及前人的设计实例进行的，统一性不够完善。中国标准化协会标准《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137:2002）已于2003年出版发行，为了让设计人员对此有所了解，更好地进行沉井设计及方案选择，特举办本次技术讲座。2精选课件

第一节概述

一．定义把不同截面形状的井筒或箱体，按边排土边下沉的方式使其沉入地下，即沉井或沉箱。

3精选课件也有人把沉井称为开口沉箱，把沉箱称为闭口沉井。

二．沉井的特点1．施工场地占地面积小、出土量少、成本低、可靠性好;2．适用土质范围广，淤泥土、砂土、粘土、砾砂等均可施工；3．施工深度大，最大深度可达100m；4．施工给周围地层中造成的位移小，对临近建筑物的影响小。

三．用途适用于地下构筑物及深基础，如地下泵房、地下沉淀池、地下车库、地下料坑等。4精选课件四．沉井的组成井壁—挡土、挡水，一般情况下作为永久结构刃脚—切土，保证沉井下沉隔墙—以永久结构的隔墙作为沉井的支撑，用以减小计算跨度5精选课件底梁—在软土土层中下沉，为防止下沉不稳定，起到增加阻力的作用沉井的形状有矩形、圆形及椭圆形五．沉井的施工简介6精选课件1．施工工序清理场地→测量放线→开挖基坑→铺设砂垫层、垫木→制作井筒→设置降水井点或挖排水沟、集水井→抽取垫木→挖土、下沉→封底→浇筑底板砼2．开挖方式水挖法、干挖法、中心岛法水挖法即不排水开挖法，这种方法的特点是沉井内、外的水位基本一致。该法适用于渗水量大的砂层等不稳定地层，可避免排水造成的涌砂等不良现象。1）抓斗法，该种方法因抓不到刃脚下方的土体，是利用沉井自重使刃脚下方的土体崩塌而下沉。该法7精选课件使用于软土地层，当土层强度高时，如密实的砂层，则不适用；2）水利机械法，用高压水枪破土，用泥浆泵通过排泥管排泥，优点是能冲挖到刃脚斜面处的土体，缺点是冲挖范围不易控制；3）钻吸法先钻孔松动土体，然后向孔内射水冲挖，挖土范围易控制。干挖法即排水开挖法，适用于不易发生流砂或存在卵石、孤石的情况。排水工法简介：1）集水井排水法8精选课件

这种方法易发生流砂现象，由于排水致使周围土体压密，给沉井下沉也带来困难。2）外围排水法，这种方法是在沉井外围设置深井，在深井中插入水泵往外抽水，使地下水位降低。9精选课件该法影响范围大，容易造成周围地面下沉；3）防渗墙法为防止因降水造成地面下沉，可在沉井外围设置防渗墙，防渗墙以外的水不会流入井内。10精选课件3．封底分为干封底、湿封底两种方式。

干封底即通过干挖法施、井底无水的情况下进行的封底。又分为施工底板前停止降水和施工底板后停止降水两种。若施工底板前停止降水则应通过计算确定封底砼厚度（稍后介绍）。

湿封底即通过水挖法施工、井内有水的情况下进行的封底。因施工底板前需将井内的水抽干，封底砼要承受水浮托力的作用，其厚度需经计算确定。湿封底是通过导管进行水下砼浇筑，类似于泥浆护壁钻孔灌注桩或地下连续墙。11精选课件第二节沉井尺寸的拟定

1．据工艺要求确定沉井内净尺寸；2．井顶标高，高出开挖后的地面300mm以上。有时顶部有现浇板，通常预留一段井壁与顶板同时现浇；12精选课件3．刃脚底标高，根据工艺标高、底板厚度及持力层来确定；4．壁厚，涉及到强度、裂缝宽度、下沉系数、下沉稳定系数、抗渗、抗浮等诸多因素，需逐项落实，最终确定壁厚。有时为增大下沉系数，需做成外台阶变截面形式，以降低井壁与土的摩阻力，同时也减少了材料量；还有时为减小下沉系数，需做成内台阶变截面形式，在不降低摩阻力的情况下降低自重，同时减少了材料量。13精选课件14精选课件

第三节沉井结构上的作用及荷载分项系数一．永久作用1．结构自重标准值钢筋混凝土重度取25kN/m3，素混凝土重度取23kN/m32．侧向主动土压力标准值

二．可变作用1．地面活荷载，分为地面堆载及车辆荷载，地面堆载一般按10kN/m2，车辆荷载根据车辆类型及及其轮压换算成均布荷载。2．地下水侧壁上的水压力标准值按静水压力计算，根据岩土工程勘察报告取最高水位进行计算。15精选课件三．承载力极限状态强度计算的基本组合荷载分项系数结构自重1.20，对结构有利时1.00，仅自重时1.27沉井内水压1.27，对结构有利时1.00沉井外土压1.27，对结构有利时1.00地面活荷载1.40地下水压力1.27四．正常使用极限状态裂缝宽度的计算准永久组合准永久值系数

地面堆载及车辆荷载0水、土压力1.0注意裂缝宽度计算公式按《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069—2002），不按混凝土结构设计规范。还应注意计算裂缝宽度使用的弯矩为准永久组合值，而非标准组合值，与混凝土设计规范不同。16精选课件

第四节水、土压力标准值计算1．水压力

Fw=γwzw

2.土压力

Ka=tg2(45°-φ/2)φ—土的内摩擦角，取固结快剪峰值强度指标

Fep,k=Kaγsz-2c√Ka17精选课件3．水、土压力合算与分算合算、分算尚属学术界存在争议的问题，各地有各自的工程经验。工程界较为能接受的算法如下：无粘性土，水土分算粘性土，水土合算，不固结不排水抗剪强度指标；水土分算，固结不排水抗剪强度指标。18精选课件建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）中，砂性土宜按水土分算，粘性土宜按水土合算，也可按地区经验确定。建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）中，碎石土、砂土水土分算，粉土、粘性土水土合算。上海基坑工程设计规程(DBJ08-61-97)中，宜按水土分算原则计算水、土压力，有工程经验时，也可按水土合算的原则计算。天津岩土工程技术规范（DB29-20-2000）中，宜按水土分算的原则计算，当有可靠经验时也可按水土合算的原则计算。浙江建筑地基基础设计规范（DB33/1001-2003）中，淤泥、淤泥质土，采用不排水强度指标和饱和重度水土合算；砂土，采用有效应力强度指标和有效重度水19精选课件土分算，有工程经验时也可采用三轴固结不排水总应力强度指标水土合算。广东建筑地基基础设计规范（DBJ15-31-2003）中，对砂性土宜按水土分算，粘性土、淤泥质土宜按水土合算。夏明耀·地下工程设计施工手册中，对于砂土、粉性土和粉质粘土等渗透性较好的土层应采用水土分算；对于粘性土，分算、合算应具体对待，沉井、多道支撑的挡土结构宜水土分算。合算、分算，从理论上讲应按土的渗透性来确定，不透水的土层才可用水土压力合算。土力学中，土的渗透系数≤10-7cm/s定为实际上的不透水。

我们的工程中，通常采用水土压力分算的原则，若需合算，应有充分的经验并经技术会议讨论。

20精选课件4．c、φ指标的选用建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）中，c、φ采用三轴试验固结不排水抗剪强度指标，有可靠经验时可采用直接剪切试验的固结不排水抗剪强度指标。上海基坑工程设计规程中，采用总应力抗剪强度指标，按三轴或直剪固结不排水峰值强度指标取用。水、土压力分算时，从理论上应采用有效应力抗剪强度指标c’、φ’计算土压力，但岩土工程勘察报告中一般不提供此参数。上海规程中通过对总应力参数c、φ及有效应力参数c’、φ’计算的土压力比较，两者基本相当，水、土分算时亦可采用总应力抗剪强度指标。

在我们的工程中，一般采用直接剪切试验固结快剪总应力抗剪强度指标c、φ，若需采用三轴试验指标或有效应力指标，应进行讨论。5．重度水土分算时取土的浮重度，合算时取土的天然重度。21精选课件第五节沉井的下沉计算1．井壁与土的摩阻力计算1）单位面积摩阻力选用

我们在岩土工程勘察技术委托时，若可能存在沉井，通常要求勘察单位提供各土层的单位面积摩阻力。若报告中未提出，则参见沉井结构设计规程取值。22精选课件

在取值时，粘性土根据液性指数IL的高、低取其下、上限；砂、石土根据其标准贯入锤击数N或重型动力触探锤击数N63.5的高、低取其上、下限。2）摩阻力沿井壁外侧的分布

23精选课件2．下沉系数的计算kst=(Gk-Ffw,k)/Ffk

Gk—沉井自重标准值

Ffw,k—下沉过程中水的浮托力标准值

Ffk—井壁总摩阻力标准值要求下沉系数kst≥1.05上海地基规范中，下沉系数1.05~1.25，位于淤泥质土层中取小值，其他土层中取大值。天津地基规范中，下沉系数1.05~1.15，位于软弱土层中1.05，其他土层中1.15。浙江地基规范中，下沉系数1.05~1.25，位于淤泥质土层中取小值，土质条件较好时取大值。其他地区参考上述取值，土质条件差（淤泥、淤泥质土）时1.05，其他1.25。24精选课件下沉系数大时，应设置底梁以增加阻力，降低下沉系数。沉井在软弱土层中下沉，当下沉系数较大时（一般大于1.5），或在下沉过程中遇有特别软弱土层时，需进行下沉稳定验算，以防止突沉或下沉标高难以控制。

kst,s=(Gk-F’fw,k)/(F’fk+Rb)kst,s—下沉稳定系数，0.8~0.9F’fw,k—水的浮托力标准值

F’fk—井壁总摩阻力标准值

Rb—沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载力之合地基土极限承载力在岩土工程勘察报告中查取，未提供时按沉井结构设计规程查取，见下表：25精选课件26精选课件对每一种土是取上限还是下限，根据液性指数、标贯值等来判别，还可以用土的地基承载力特征值的2倍来比较。27精选课件第六节

抗浮验算抗浮问题常被忽略，沉井结构因其埋深大，承受的地下水浮托力大，设计中必须进行抗浮验算。抗浮验算分为封底阶段和使用阶段，按可能出现的最高水位验算。

kfw=Gk/Fbfw,k≥1.0kfw—抗浮系数，计入侧壁摩阻力时，kfw≥1.25Fbfw,k—水浮托力标准值28精选课件1．封底阶段当沉井沉至设计标高并浇筑封底砼后应进行抗浮验算，Gk包括井壁及封底砼自重标准值;若在底板施工后停止降水，则Gk包括井壁、封底砼及底板砼自重标准值，此时要求封底砼与底板砼间以插筋连接。若抗浮不能满足要求，则应延长降水时间，再增加其他结构自重来加大抗浮系数。若仍不能满足要求，则应考虑拉锚等措施。2．使用阶段Gk除井壁、封底砼及底板砼自重外，再增加其他结构自重，如内筒、顶板、抹坡砼等。29精选课件第七节沉井井壁计算一．圆形沉井沉井结构是个空间体系，实际中简化为平面体系计算其内力及配筋，而以构造措施来保证其空间整体工作。

按平面结构内力计算的方法是沿沉井竖向切取1m高的井壁，在水、土压力作用下，如同一个水平框架。沉井沿深度方向荷载逐渐加大，截面也可能变化，应截取若干段进行计算，以降低钢筋用量。在井筒稳定下沉条件下，井壁所承受的荷载为均布荷载，计算的弯矩不大，一般只需构造配筋。但由于井壁外土质及扰动程度并不均匀，且在下沉过程中总要发生偏斜，从而使井壁在同一水平圆环上的土压力呈不均匀分布，导致井壁弯矩加大。目前采用的方法是将井体视作不均匀压力作用下的封闭圆环，取其1/4进行计算，假定90°圆环两端土的内摩擦角差值为5°~10°，我们的工程中所遇到的旋流池采用10°。30精选课件圆环上的压力取上、下端的平均值。刃脚以上高度等于壁厚的圆环单独计算除承受水、土压力外，还要承受刃脚传来的剪力。

上述为人工计算方法，我们现在拥有SAP2000通用计算软件，可用它进行沉井的空间结构计算。

31精选课件二．矩形沉井

沿沉井竖向截取1m高的水平框架，尽量多取，荷载取每段上、下端的平均值。刃脚以上高度等于壁厚的一段，除承受水、土压力外，还要承受刃脚传来的剪力。32精选课件考虑支座宽度的因素，支座弯矩可进行折减：M支=M1-ΔM

M支—支座边缘处弯矩M1—支座中心处的计算弯炬ΔM—弯炬折减值，ΔM=1/3Vb，ΔM＞0.3M1时，取0.3M1V—支座边缘处的剪力b—支座宽度矩形沉井亦可用SAP2000通用计算软件进行沉井的空间结构计算，可发现沿高度方向内力的变化，从而进行配筋优化。三．裂缝宽度及配筋计算以不包括地面活荷载的弯矩标准值计算裂缝宽度，注意用沉井结构设计规程中的公式，裂缝宽度不超过0.25mm。33精选课件以包括地面活荷载的弯矩设计值计算配筋，注意将弯矩标准值乘以荷载分项系数，水、土压力1.27，地面荷载1.4。四．竖向弯曲计算沉井下沉前，抽除支承垫木的过程中，将使沉井落置在几个定位垫木上，将沉井壁看作竖向的梁进行弯曲计算，按规程中的几种情况计算。即算出弯炬后，计算井壁顶面及刃脚底面的纵向受拉钢筋。As=M0/(0.9fyh0)As=M0/(fyz)（按深梁时，L/h≤2.5）M0以自重标准值乘以1.27算得34精选课件

五．竖向抗拉验算沉井下沉至接近设计标高时，刃脚下已被掏空，沉井靠井壁与土之间的摩阻力来维持平衡，井壁自重产生竖向拉力。或沉井上部某处被土层卡住，下部处于悬吊状态，亦出现竖向拉力。35精选课件土质较好，沉井下沉系数接近1.05时，井壁最大拉力：Nmax=G/4（G=井壁自重×1.27）

As=Nmax/fy土质均匀的软土地基，下沉系数较大（≥1.5）时，可不验算竖向拉断。

六．刃脚计算1．向外弯曲计算沉井刚开始下沉时，刃脚已插入土内，刃脚下部承受到较大的正面及侧面阻力，而井壁外侧压力并不大。此时在刃脚根部将产生向外弯曲力矩。36精选课件β0—刃脚斜面与土的外摩擦角，可取土的内摩擦角，硬土30°，软土20°。按规程中的公式算出刃脚根部向外的弯炬设计值，按受弯构件计算受弯钢筋，若井壁竖向钢筋不足，应另外增设。37精选课件2．向内弯曲计算沉井下沉到最后阶段，刃脚踏面下的土被掏空，为刃脚向内弯曲的最不利情况。在水、土压力作用下，算出刃脚根部向内的弯矩设计值，按受弯构件计算受弯钢筋，若井壁竖向钢筋不足，应另外增设。38精选课件3．向外弯曲的水平抗拉圆形沉井算出刃脚圆环的环向拉力设计值，在算出受拉钢筋。矩形沉井在拐角处使互相垂直的刃脚产生拉力，在构造上采取措施，设置水平筋，防止刃脚转角处开裂。七．使用阶段的井壁验算沉井在下沉阶段只是水平受弯，底板、顶板施工后，井壁的受力状态发生改变，增加了竖向受弯的因素，对井壁内侧的竖向钢筋影响较大。井壁与顶、底板的连接视为铰接，按三边或四边支承板进行受弯计算。39精选课件第八节封底砼

沉井沉至设计标高后，在浇筑底板前，需浇筑封底砼，起到垫层、止水、稳定沉井的作用，其强度等级不低于C20。封底分为干封底和湿封底，干封底即无地下水或通过降水、排水保证地下水位在锅底以下进行的封底；湿封底即水下封底井内有水的情况下，以导管进行水下砼施工。40精选课件一．干封底沉井下沉到设计标高后，井内锅底无水，或虽然有水，但采取排水或其他降水措施能够做到井底基本无水，在浇筑底板砼及养护期间能排干积水时，可采取干封底。干封底砼的厚度按具体情况而定，一般能保证底板顺利施工即可。但若有地下水，而在浇筑砼底板前停止降水或排水时，则必须进行封底砼强度计算，以确定封底厚度。二．湿封底底板施工前，需抽干井内的水，封底砼定要承受水浮托力的作用，因而水下封底砼必定要进行强度和抗浮计算，确定其厚度，类似于干封底的后一种情况。三．弯矩计算1．作用在封底砼上的向上均布荷载q=γwhw-q1hw—作用在封底砼底面的水头高度q1—单位面积的封底砼自重41精选课件2．封底砼与刃脚斜面铰接圆形板M=0.1979qr2r—圆板的计算半径，取至刃脚斜面水平投影的中点矩形板按单向或双向板计算，取正、负弯矩的绝对值最大值。3．封底砼厚度

M—每m宽度内最大弯矩值

b—计算宽度，取1mft—砼轴心抗拉强度设计值

hu—附加厚度，可取300mm42精选课件4.抗剪计算封底砼通常呈锅底状，其边缘厚度比中间小，在水的浮托力作用下易在井壁周边薄弱处发生剪切破坏，需进行剪切验算，并在说明中提出边缘处最小厚度要求。将q乘以1.27，计算封底砼边缘每m宽度的最大剪力。圆形沉井可用总剪力除以沉井内壁周长，矩形沉井可按单向或双向板算得边缘最大剪力设计值，然后按下式进行验算：

V≤0.7bhft

b—计算宽度，取1mh—沉井内壁处刃脚范围内的封底砼厚度43精选课件第九节沉井封底的细节一．干封底的实现沉井尽量采用干封底，排水问题是沉井封底的关键。一般情况下，应在底板达到设计强度后停止降水。可能发生流砂现象时，采用井外井点降水或深井降水；其他情况可采用集水井排水，设置排水沟，沟内及集水井周围回填碎石或砾石，使从刃脚下渗入井内的水流汇入集水井，再用泵排出井外。44精选课件1—钢筋砼底板2—带法兰盖板3—止水片4—橡皮垫5—砂石滤层，以排水沟形式设置6—素砼垫层底板达到设计强度后，以法兰盘封闭，以砼找平。二．湿封底的实现以空气吸泥机清除井内锅底浮泥，由潜水工进行水下检查、整平，以导管进行水下砼浇筑。此方法施工难度大，在钢铁企业中极少采用。湿封底工艺要求在底板施工前将井内的水抽干，因此封底砼厚度必须经过计算。45精选课件第十节刃脚型式及井壁构造一．刃脚46精选课件（a）常用型式（b）减小下沉阻力，适于难以下沉的沉井（c）适于硬土（卵石、风化岩）下沉，以角钢保护刃脚砼C取值范围，软土400~600，硬土150~300。刃脚斜面与水平面夹角θ通常取50~60°，一般取60°，不可小于50°，以防抽垫木或挖土下沉时产突沉，危及人身安全。47精选课件刃脚高度通常大于1000，软土地基上有时可达2500以上。为方便施工，刃脚外侧水平钢筋置于竖筋外侧，内侧水平筋置于竖筋内侧。刃脚的踏面需配置数根粗钢筋加强，结合竖向抗弯曲计算确定。刃脚内侧和与底板连接的凹槽在下沉之前需凿毛，以加强封底砼与刃脚及底板与凹槽的结合，可有效地防水。二．井壁1．沉井壁可变截面，由下往上逐渐变薄，一是节约材料，二是增大下沉系数；2．为方便施工，井壁内、外侧水平钢筋设在竖向钢筋的外、里侧；48精选课件3．井壁与平台梁、板以插筋及槽口连接，详见附图；

4．底板与井壁通过凹槽连接，凹槽深度150~200。深度过大则削弱井壁较多，过小则支承面不足。该种连接按铰接考虑，若按弹性连接，则应有足够数量的插筋；5．隔墙与沉井壁一起下沉的隔墙，其底面高出刃脚踏面500左右，在硬土层中下沉时，为防止隔墙底面阻沉，可增49精选课件至1000~1500。沉井下沉后浇筑的隔墙，通过在井壁内侧预留插筋的方法连接，可采用HPB235钢筋，先弯折，后扳直。防水可采用遇水膨胀橡胶止水条；6．分节浇筑沉井高度较大时，可分节浇筑，分两次或多次浇筑，每节~6m，最大不超过12m。两节之间的钢筋分两次搭接，之间的施工缝通过凸式企口或预埋3mm厚镀锌钢板止水带来实现防水。分节下沉时，先计算第一节下沉系数，再计算第二节接上后的下沉系数，依次类推。50精选课件

第十一节沉井施工易出现的问题及对策一．倾斜偏转1．产生原因1）刃脚下土层软硬不均匀；2）未对称抽取垫木；3）未均匀挖土下沉，井壁内土面高差大；4）刃脚下掏空过多，沉井突然下沉，产生倾斜；5）刃脚一角或一侧被障碍物搁住，未及时发现和处理；6）井外堆土或其他原因造成对沉井四周的偏压；7）产生流砂。2．纠偏方式1）偏出土纠偏，即在刃脚高的一侧出土，使其下沉；2）井外射水，井内偏出土纠偏；51精选课件3）增加偏土压、偏心压重纠偏。

52精选课件二．井内流砂产生流砂的主要条件：1．地下水位以下的砂质粉土或粉、细砂的厚度大于250；2．颗粒级配中不均匀系数Cu=d60/d10＜5（即均粒土）；3．含水量w＞30%~40%；4．土的孔隙率＞43%；5．土的颗粒组成中，粘粒（d＜0.005mm）含量＜10%，粉粒（d=0.005~0.05mm）含量＞75%；6．动水压力作用的水力梯度超过临界水力梯度，即可能产生流砂。53精选课件临界水力梯度icr=γ’/γw=(Gs-1)/(1+e)即(H1-H2)/L＞icr时，可能发生流砂

H1—原地下水位高度

H2—井内水位高度

L—地下水流动时经过的路线长度，L=H1+H2防止流砂现象的措施：1．向井内灌水灌水后，H2增加，