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      水利工程沉井地基處理案例分析

      2021-05-22 11:02:30陳新洋
      中國(guó)水能及電氣化 2021年4期
      關(guān)鍵詞:沉井墊層承載力

      楊 靖 陳新洋

      (1.昆山市水利建筑安裝工程有限公司,江蘇 昆山 215300;2.昆山市城建發(fā)展建筑設(shè)計(jì)院有限公司,江蘇 昆山 215300)

      1 工程概況

      蘇州工業(yè)園區(qū)木沉港泵閘及水立交工程,是蘇州市工業(yè)園區(qū)的重大民生保障工程,其功能主要是調(diào)水引流,將陽(yáng)澄湖清潔水源引入金雞湖及周邊區(qū)域水體,新建抽水泵站加大水體流動(dòng)能力,在水域口門(mén)設(shè)置控導(dǎo)建筑物來(lái)控流截污,從而徹底改善金雞湖及周邊區(qū)域水環(huán)境,避免金雞湖水域藍(lán)藻大規(guī)模暴發(fā)。

      為防止木沉港引水期間婁江河來(lái)水進(jìn)入,減輕引水對(duì)婁江河通航的影響,在婁江河下部采用水立交的方式布設(shè)一個(gè)引清通道。在婁江河南北兩側(cè)布設(shè)始發(fā)井和接收井二個(gè)沉井,之間布設(shè)兩道3.2m的鋼頂管,兩端分別通過(guò)暗埋箱涵和現(xiàn)有河道相連(見(jiàn)圖1)。本工程等別為Ⅱ等。

      圖1 婁江水立交工程平面

      2 工程地質(zhì)資料

      本工程現(xiàn)場(chǎng)地基最大鉆探深度為42m,顯露的地基土層按地質(zhì)年代、成因類型、土壤性狀的不同和物理力學(xué)性質(zhì)的差異,分為7個(gè)大層(見(jiàn)表1)。

      表1 各層土的主要物理力學(xué)指標(biāo)

      3 沉井設(shè)計(jì)

      沉井主體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),分別為工作井和接收井兩座獨(dú)立建筑物。本文以工作井為例作介紹。工作井平面尺寸17.2m×15m(長(zhǎng)×寬),高度19m;外壁為直線,內(nèi)壁為臺(tái)階形,高程-6.50m為變階處,上部壁厚1.3m,下部壁厚1.5m,高程-8.80~-12.00m為頂管預(yù)留洞口(見(jiàn)圖2)。

      沉井四周連續(xù)布設(shè)三軸水泥攪拌樁圍封,樁長(zhǎng)23m,采用φ600@400進(jìn)行套打,工作井南北兩側(cè)墻體作為頂管背墻和管道出口區(qū)間設(shè)計(jì)進(jìn)行高壓旋噴樁土體加固。

      本工程始發(fā)井位置地面現(xiàn)狀標(biāo)高為2.70m左右,計(jì)劃開(kāi)挖3m到3層土,作為持力層進(jìn)行沉井預(yù)制,3層土為黃色夾雜灰色粉質(zhì)黏土,下部無(wú)軟弱下臥層。

      工作井采用先預(yù)制后下沉的方式施工。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,考慮到工期緊,采用3次澆筑1次下沉方案,工作井3節(jié)分別為8.2m、5.6m、5.2m。先進(jìn)行前提準(zhǔn)備工作,即三軸水泥攪拌樁圍封施工,在圍封等強(qiáng)并起到防滲效果后,施工管井等排水設(shè)施,沉井采用排水下沉、干法封底的施工方法。

      第1節(jié)沉井澆筑8.2m,混凝土約776m3,鋼筋約116t。第2節(jié)5.6m、第3節(jié)5.2m全部接高后,混凝土約1800m3,鋼筋約270t。

      4 天然地基承載力設(shè)計(jì)

      4.1 天然地基承載力要求

      《沉井與氣壓沉箱施工規(guī)范》(GB/T 51130—2016)4.1.5規(guī)定:“沉井首節(jié)制作時(shí)的基底壓力不應(yīng)大于下臥層地基承載力特征值,以后各節(jié)接高制作時(shí)應(yīng)符合地基極限承載力的要求。”

      圖2 沉井結(jié)構(gòu)(單位:mm)

      4.2 荷載

      a.永久荷載。第1節(jié)沉井自重G1k=(776×24+1160)=19784kN,鋼筋混凝土重度24kN/m3。

      b.可變荷載。板及支架自重取0.3kN/m2;Q1k=(17.2+15)×2×8.2×2×0.3=316.8kN。

      c.施工荷載。單位荷載取2.5kN/m2;Q2k=(17.2+15)×2×1.5×2.5=241.5kN。

      4.3 荷載組合

      根據(jù)規(guī)范要求,在承載力極限狀態(tài)下,應(yīng)按荷載的基本組合型式計(jì)算荷載的效應(yīng)設(shè)計(jì)值,固定荷載分項(xiàng)系數(shù)γG取1.2,可變荷載分項(xiàng)系數(shù)γQ取1.4。

      計(jì)算承載能力荷載組合:G=γGG1k+γG(Q1k+Q2k)=1.2×19784+1.4×(316.8+241.5)=24522kN。

      4.4 承載力計(jì)算

      4.4.1 首節(jié)沉井承載力計(jì)算

      沉井底條形基礎(chǔ)面積S=(17.2-1.5/2+15-1.5/2)×2×1.5=92.1m2;

      p=G/S=24522/92.1=266.3kPa>地基承載力特征值fak=150kPa。

      4.4.2 整個(gè)沉井承載力計(jì)算

      同理,第二節(jié)、第三節(jié)全部接高后,G1k=(1800×24+2700)=45900kN,

      Q1k=(17.2+15)×2×5.2×2×0.3=200.9kN,

      Q2k=(17.2+15)×2×1.3×2.5=209.3kN,

      G=γGG1k+γG(Q1k+Q2k)=1.2×45900+1.4×(200.9+209.3)=55654kN;

      p=G/S=55654/92.1=604.3kPa>地基極限承載fu=300kPa。

      經(jīng)計(jì)算,天然地基不滿足設(shè)計(jì)承載力要求,需要進(jìn)行地基加固處理。

      5 砂墊層地基處理

      5.1 砂墊層設(shè)計(jì)

      計(jì)劃采取砂墊層換填處理的方式,砂墊層厚度取1.2m。在砂墊層頂部設(shè)置150mm厚C20混凝土墊層,四周各超寬150mm。

      5.2 砂墊層換填要求

      根據(jù)《沉井與氣壓沉箱施工規(guī)范》(GB/T 51130—2016)4.2.2的規(guī)定:砂墊層的厚度應(yīng)根據(jù)沉井的重量和地基土承載力按下列公式計(jì)算確定(見(jiàn)圖3),且不宜小于600mm。

      圖3 承載力計(jì)算簡(jiǎn)圖

      圖和公式中p——基底壓力標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2;

      G0——第一節(jié)沉井沿井壁單位長(zhǎng)度自重,kN/m;

      Gz——整個(gè)沉井沿井壁單位長(zhǎng)度自重同,kN/m;

      hs——砂墊層厚度,m;

      γs——砂天然重度,取15kN/m3;

      Bz——素混凝土墊層寬度,m,BL=B+2b1,計(jì)算時(shí)取b1=hc;

      b1——素混凝土外挑寬度,m,可取b1≥hc(hc為混凝土墊層厚度);

      α——砂墊層壓力擴(kuò)散角,(°),可取30°;

      fα——修正后的地基承載力特征值,kPa;

      fu——修正后的地基承載力極限值,kPa;

      b——刃腳踏面寬度,m;

      B——刃腳寬度,m。

      5.3 砂墊層承載力驗(yàn)算

      第1節(jié)沉井單位長(zhǎng)度沉井自重G0=G/L=[(776×24+1160)]/[(17.2-1.5/2+15-1.5/2)×2]=19784/61.4=322.2kN/m,2hstanα+BL=2×1.2×tan30°+1.8=3.19m,

      p=G0/(2hstanα+BL)+γshs=322.2/3.19+15×1.2=119.0kPa≤fa=150kPa。

      第2節(jié)、第3節(jié)全部接高后,沉井單位長(zhǎng)度沉井自重G0=G/L=(1800×24+2700)/[(17.2-1.5/2+15-1.5/2)×2]=747.6kN/m,p=G0/(2hstanα+BL)+γshs=747.6/3.19+15×1.2=252.4kPa≤fu=300kPa。

      經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證,天然地基經(jīng)過(guò)砂墊層換填處理后,承載力滿足要求。

      6 沉井砂墊層施工

      6.1 施工流程

      測(cè)量放樣→基坑開(kāi)挖→四周設(shè)置排水溝和集水井→第一層黃砂回填→水撼法加平板振動(dòng)器振搗→砂密實(shí)度檢測(cè)→上一層黃砂回填→靜載荷試驗(yàn)→素混凝土墊層澆筑。

      6.2 施工主要事項(xiàng)

      砂墊層施工必須選用平板振搗器進(jìn)行。砂墊層的施工方法、分層攤鋪厚度、每層振搗時(shí)間宜通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。其分層鋪填厚度宜為200~300mm。

      基坑開(kāi)挖時(shí)應(yīng)避免坑底原狀土層受擾動(dòng),預(yù)留200mm厚的保護(hù)層土方,待回填黃砂前由人工開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高。在基坑底和邊坡位置鋪設(shè)一層土工織物,防止基坑邊坡塌土混入砂墊層中。

      砂墊層采用水撼法進(jìn)行充水,利用平板振動(dòng)器進(jìn)行振搗。

      7 質(zhì)量檢驗(yàn)

      砂墊層的施工質(zhì)量檢驗(yàn)須分層進(jìn)行,并確保在每層的壓實(shí)系數(shù)符合設(shè)計(jì)要求后鋪設(shè)上層。壓實(shí)系數(shù)采用灌砂法進(jìn)行檢驗(yàn)。按照條形基礎(chǔ)下墊層每10~20m不少于1個(gè)點(diǎn)的頻率進(jìn)行檢驗(yàn),完工后采用靜載試驗(yàn)檢驗(yàn)砂墊層承載力。

      現(xiàn)場(chǎng)黃砂經(jīng)監(jiān)理見(jiàn)證取樣后試驗(yàn),最大干密度為1.72g/cm3,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)最小值為1.70g/cm3,滿足規(guī)范壓實(shí)系數(shù)大于0.97的要求。

      砂墊層換填施工完成后,選取砂墊層頂面沉井條形基礎(chǔ)位置進(jìn)行荷載試驗(yàn),荷載板取長(zhǎng)度1.8m、寬度1m,最大加載值取747.6kN,分級(jí)進(jìn)行加載試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明承載力—位移曲線無(wú)陡變,最終沉降16mm,承載力滿足要求。

      8 沉降觀測(cè)

      沉井施工前,對(duì)沉井下的混凝土墊層設(shè)置多個(gè)沉降觀測(cè)釘,施工過(guò)程中進(jìn)行觀測(cè),結(jié)果表明,最終累計(jì)總沉降為20mm左右,且四角沉降均勻,滿足要求。

      9 結(jié) 語(yǔ)

      蘇州工業(yè)園區(qū)木沉港泵閘及水立交工程,在婁江河下部采用水立交的方式布設(shè)一條引清通道,在婁江河南北兩側(cè)布設(shè)始發(fā)井和接收井二個(gè)沉井。本文通過(guò)對(duì)沉井天然地基進(jìn)行承載力驗(yàn)算,得出了需要對(duì)地基進(jìn)行處理的合理化建議,經(jīng)過(guò)計(jì)算分析,采用了砂墊層的施工方案。本工程案例可為其他類似工程提供參考,從而起到保證工程質(zhì)量和安全,杜絕安全事故的作用。

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