浅谈沉井设计\施工在市政构筑物中的应用

摘 要:本文根据笔者多年工作经验,对同安污水处理系统城区干管工程提升泵站的沉井设计、施工技术进行探讨。

关键词:市政工程;沉井设计;施工

1 工程概况

同安污水处理系统城区干管工程提升泵站位于324国道同安双溪桥南岸,现已经竣工验收投入使用,提升泵站地下结构采用排水下沉沉井施工,基坑开挖深度3米,回填0.5米中粗砂垫层。沉井井身及底板采用现浇C25钢筋砼,1.5米C15素砼封底。井身分三节浇注,第一节高4.8米,第二、三节高均为4米。第一节沉井顶面下沉至距地面还剩约1米时应停止挖土,并浇注第二节沉井;第一、二节沉井沉至设计标高后封底、浇注底板;底板砼达到设计强度后再浇注第三节砼。

2 计算条件

(1)泵房外形尺寸: B×L=14.8×15m,由两个进水间及泵房两部分组成。

(2)地质条件:地下水位标高2.6米,原地面标高6.2米,沉井顶面设计标高7.7米。

(3)材料:封底采用C15砼,底板及沉井井身C25砼。钢筋砼下沉及抗浮计算时24KN/m3, 其他计算取25KN/m3, 受力筋为Ⅱ级钢, 非受力筋为Ⅰ级钢, 主筋净保护层4cm。

(4)施工方法:采用排水下沉施工,基坑开挖深度3米,基坑底标高3.2米,地下水位高2.6米,回铺砂垫层0.5米,实际下沉深度为8.8米,底节高度为4.8米,第二节高度为4米,第三节高度4米。第一、二节下沉至设计标高后封底并浇注底板砼,底板砼达到设计强度后再浇注第三节砼。

换算容重:γ=

17.7×18×18+16×3.2+20×4.5+18.6×1.81.8+3.2+4.5+1.8=18.8(kn/m3)

换算摩阻:f=

18×1.8+16×3.2+2.2×4.5+20×1.81.8+3.2+4.5+1.8=19.3(kn/m3)

地下水位以上水平土压力为Ei=γ×h×tg2(45-25/2) =19.3×3.6×tg2(45-25/2)=28.2(Kn/m)

地下水位以下水平土压力为Ei=γ浮×h×tg2(45-25/2) =9.3×7.7×tg2(45-25/2)=29.1(Kn/m)

水压力: Ew=νwhw=10×7.7=77(KN)

3 下沉计算

土与井壁单位面积摩阻力:f=18.8KN/m2

摩阻力沿井深分布图形的面积:

A=1[]2[SX)]×18.8×5+(8.8-5)×18.8=118.4(KN/m)

井体周长: L=2×(17+15.2)=64.4(KN/m)

总摩阻力: T=AL=118.4×64.4=7625.0(KN)

二节外墙自重: G1=Vγc=7.135×(16+14.2) ×2×24=10342.9(KN)

二节纵隔墙自重: G2=Vγc=4.2375×15×24=1525.5(KN)

二节横隔墙自重: G3=Vγc=5.7575×13.2×2×24=3648.0(KN)

下沉系数: K1=GT=103429+1525.5+36487625.01551647625.0=2.03>1.05

4 抗浮验算

封底时,施工高水位为2.6米

浮力B1=10×[17×15.2×4.15+16.6×14.8×(7.7-4.15)]= 19445.2 (KN)

封底砼初设为1.5m.

封底砼重: G底=Vγc=16.5×14.7×1.5×22=8004(KN)

抗浮系数:

K浮=GB1=15516.4+800419445.2=1.21>1.05

5 封底砼计算

地下水压力产生的底板向上均布荷载为q=7.7×10-1.5×22=44(KN/m2)根据井身计算基地应力,(不计井身摩阻):

q'=(KN/m2)

封底砼按四边简支双向板计算面积最大的:封底砼(7.4×7.05m2)采用北京理正系列软件对双向板进行承载能力极限状态及正常使用极限状态验算。验算结果满足要求,由于验算数据篇幅较长,此处不再赘述。

6 井壁计算

抽垫木时,第一节高度为4.8米,

第一节沉井重量: ∑G=332.8×25=8320(KN)

前后墙自重及由框架传来的重量: ∑G前=4160KN

对最不利后墙进行竖向抗弯验算:

q=G后L=416017=244.7(kn/m)

按两支点间距为0.7L计: Mmin=-0.01125×q×L2 (排水下沉)= -0.01125×244.7×172= -796.6 (KN•m)

Mmax=0.05×q×L2m=0.05×244.7 ×172=3535.9(KN•m)

按跨中弯矩8839KN•m计算断面b×h=80×480的梁计算刃脚及第一节墙顶的配筋面积

σ=M W=M bh2 σ=3535.90.8×4.826=1151.0(kpa)

MjMa=1 rRaba(h0-x 2)

MjMa=1 rRgAg(h0-x 2)

7 刃脚受力验算

7.1 刃脚向内挠区验算

水平框架作用的判别:

α=0.1L41h4+0.05L41=0.1×8.241.24+0.05×8.24=452.1 228.1=1.98>1

β=h4 h4+0.05L42=1.241.24+0.05×3.94=2.072.83=0.73

因α>1,刃脚在内外荷载的作用下悬臂分配系数取1,框架作用分配系数为0.73。

水平水压力及土压力引起的向内悬臂弯矩:

MP=1 2=(P1+P2)×1 32P2+P1P2+P1hk

=1 2(117.8+134.3)×1 3×2×134.3+117.8 134.3+117.8×1.2=77.3(Kn)

每延米轴力:N=G L=15516.4 60.4=256.9(kn/m)

剪力 :Q=1 2(117.8+134.3)=126.1(Kn/m)

7.2 刃脚向外挠曲验算

当第二节已浇筑完,并开始下沉,刃脚切入土中,忽略外侧水土压力,仅计算刃脚斜面上反力的水平向分力对刃脚根部产生的弯矩,(计算结果偏于安全)。

Mc=H•h/

沉井自重G=15516.4(KN)

V2=Gn n+2c=15516.4×8080+2×20=10344.3(KN)

水平分力H=V2tg(α-β)=10344.3×tg(56-20)=7515.6(KN)

每延米刃脚上的水平推力为: H 60.4=124.4(KN/m)

每延米轴力:N=G 60.4=256.9(KN/m)

剪力Q=124.4(Kn/m)

对刃脚根部向外弯矩:

M外=124.4×(2/3)×1.2=99.52(KN•m)

刃脚根部内外侧配筋均为φ20@20,向外挠曲较为不利,因此对内侧配筋进行截面,实际计算中采用桥梁博士软件对刃脚根部截面进行承载能力极限状态及正常使用极限状态验算。验算结果满足要求,由于验算数据篇幅较长,此处不再赘述。

8 地基应力及底板强度验算

上部泵房墙载为18.5Kn/m,四个脚点最不利柱载分别为:N1=N2=217Kn,N3=N4=140Kn,进水隔栅重按1吨计,水泵重按2吨计。

8.1 底板强度验算:

底板强度验算不考虑封底砼的作用,按四边简支板验算未进水时底板强度。

q=9077.6-1385.2-8908.1×7.8=105.4(Kn/m2)

实际计算中采用北京理正结构计算软件对双向受力底板进行承载能力极限状态及正常使用极限状态验算。验算结果满足要求,由于验算数据篇幅较长,此处不再赘述。(注:参照水工结构设计手册本次底板验算不应考虑封底砼共同作用,实际计算结果偏保守)

8.2 地基基底应力验算:

池内最高设计水位7.5m

进水间水重:G水1=1.0×1.1×6.5×10=71.5(Kn)

M水y1=71.5×2.55=182.3(Kn.m)

M水x1=0

配水台上水重:G水2=4.5×1.0×1.5×10=67.5(Kn)

M水y2=-67.5×0.95=-64.1(Kn.m)

M水x2=-67.5×2.65=-178.9(Kn.m)

泵房水重:G水3=4.5×5.3×2.5×10=596.3(Kn)

M水y3=-596.3×0.85=-506.9(Kn.m)

M水x3=596.3×0.6=357.8(Kn.m)

A、当进水间最高水位,泵房维修时,偏心矩最大,对基底偏心矩进行验算。

ΣP=ΣG+ G水1=9077.6+71.5=9149.1(Kn)

ΣMy=1737.4+182.3=1919.7(Kn)

ρ=b 3=7.8 3=2.6m

ρ0=M P=1919.71949.1=0.21m

B、当池内水均充满时,验算基底应力

Wy=bh2 6=8.1×7.82 6=82.1m

Wx=bh2 6=7.8×8.12 6=85.3m

ΣP=9077.6+71.5+67.5+596.3=9812.9(Kn)

ΣMy=1737.4+182.3-64.1-506.9=1348.7(Kn.m)

ΣMx=-772.3-178.9+357.8=593.4(Kn.m)

σ=PA±MxWx=9812.9 7.8×8.1±1348.7 82.1

=171.7(Kpa)

(满足要求)

9 结束语

以上为本人从事市政工程设计中将沉井应用于市政配套构筑物的一点心得和体会,由于从事工程设计的经验有限,文中错漏之处恳请各位专家批评指正。以上是本人将沉井结构运用于市政设施设计过程中的一点心得和总结,在此整理成简单文章,以期对类似市政设施设计和施工起一定的借鉴作用。