南锚碇沉井接高下沉分析计算

南锚碇沉井接高下沉分析计算

唐文瑞

中交第二公路工程局第五工程有限公司710119

1、工程概况

马鞍山长江公路大桥左汊主桥桥型为主跨2×1080m三塔悬索桥，南锚碇采用大沉井施工方案，平面尺寸为60.2m×55.4m（第一、二节沉井长和宽分别为60.6m和55.8m）的矩形截面，沉井高48m，共分九节，共布置25个井孔。沉井第二节壁厚2.4m，第三节到第八节井壁厚2.2m；隔墙厚2.2m，除第一节未设倒角外，其余七节井壁与隔墙间、隔墙与隔墙间的倒角均为0.5m×0.5m；沉井刃脚高1.8m，刃脚踏面宽0.2m；为传递封底混凝土基底反力和增强封底混凝土与井壁的联结在底节钢沉井顶部设置了2m高的剪力键。第一节钢壳沉井，分为17类共60个节段工厂预制，然后运到现场就位拼装成整体，以钢壳沉井为模板浇筑混凝土，形成钢壳混凝土沉井。第二节到第九节钢筋混凝土沉井均为现场浇筑，第八节沉井为异形沉井，局部隔墙与井壁顶部预留顶盖底模梁的支承槽口。

图1.2-1南锚碇沉井基础结构图

2、水文、地质条件

南锚碇区上部粘性土及淤泥质土为相对隔水层，下部砂类土为强透水层，地下水主要为孔隙承压水，水量丰富，勘测期间稳定水位0.80～1.85m，下部承压水位2.08～3.54m，地下水与长江相通，涨幅情况与长江一致，根据抽水试验，当降深为8.48m时，地下水影响半径已达长江河道内，本次抽水试验测得水文参数如下：

南锚碇位于江心洲上，北距江心洲长江大堤约240m，地形较为平缓，墩位处地面高程约6.0～7.0m，主要为民房与池塘。

地表覆盖层厚度超过70米，自上而下依次为可塑状粉质土（厚2.0～5.0米）、流塑状～软塑状质粉质粘土夹淤泥质土（厚3～7米）、稍密状～中密状粉细砂（厚18～22米）及中密状中砂（厚4～10米），底部揭露密实状圆砾土，顶板高程在-43.20～-45.60，厚度稳定，承载力较高，是较好的基础持力层。

设计单位对沉井位置处进行了7次钻探，钻探孔的编号分别为NM2、NM5、NM6、NM8、NM9、NM11、NM12。各钻探孔的资料见表2.1-3，南锚碇地质情况汇总表见表2.1-4。

3、南锚碇沉井接高下沉分析

3.1降排水深度

根据在马鞍山南锚沉井位置处进行的抽水试验，该处渗透系数为36.47m/d，降水影响范围较大，针对于此，通过专业单位对沉井降水及其影响进行了计算研究，确定降水深度为16m。

3.2南锚碇沉井下沉计算

为了科学合理的使沉井下沉到设计标高，根据沉井结构及地质、水文条件，选定的下沉方案如下：

①接高第一～四节沉井，采用降排水下沉前三节不排水下沉第四节沉井；

②接高第五、六节沉井，不排水第五、六节沉井；

③接高第七、八、九节沉井，不排水下沉沉井到位；

3.2.1沉井下沉计算依据

⑴地质情况

根据设计单位在沉井位置处的钻孔资料，南锚碇沉井基础位置处各土层的力学性能见表2.1-4。

沉井勘探处的地质资料包含地基承载力基本容许值[fa0]、钻孔桩桩侧土摩阻力标准值qiK。根据以往的施工经验，对钻孔桩桩侧土摩阻力标准值进行部分提高作为沉井下沉的极限摩阻力沉井在下沉过程中，地基为整体剪切破坏，此时的地基承载力为地基的极限承载力Pu。对于地基极限承载力的取值Pu主要有两种：一、根据地质资料采用公式进行计算；二、依据以往的施工经验，选取地基容许承载力的2～3倍作为地基的极限承载力。

由于现有地质资料不能准确提供各地层的粘聚力及内摩擦角，故不能进行详尽计算，根据我局泰州大桥北锚沉井基础及南京四桥北锚沉井基础的下沉计算，地基极限承载力按照太沙基公式计算结果基本处于地基容许承载力的2～3倍之间，故本项目采用地基容许承载力的2.5倍作为沉井下沉计算的地基极限承载力。各地层参数汇总见下表。

⑵水文情况

南锚碇区上部粘性土及淤泥质土为相对隔水层，下部砂类土为强透水层，地下水主要为空隙承压水，水量丰富，勘测稳定水位+0.8～+1.85m，下部承压水位+2.08～+3.54m，地下水长江相通，涨幅情况与长江一致。南锚碇施工选取设计水位标高为+3.54m。

⑶沉井参数

南锚碇沉井高48m，共分9节，第一节为钢壳混凝土沉井，其余节段均为钢筋混凝土，沉井的分节为8m+6×5m+5.5m+4.5m=48m。沉井具体的分节重量及各节混凝土的方量分别见表3.2.1-2所示。

经AutoCAD程序计算，第一节沉井的全截面的面积为1025.28m2，全刃脚的面积为449.6m2，半刃脚的面积为224.8m2，截面面积图见下图。第一、二节沉井的外边框周长为232.8m，第二节以上沉井的外边框周长为231.2m。

3.2.2计算工况及荷载组合

⑴计算工况

计算时一般取三种工况：全截面支承，即刃脚及隔墙踏面共同受力；全刃脚支承，即刃脚全部入土，隔墙踏面不受力；半刃脚支承，刃脚埋入土中一半，隔墙踏面不受力；沉井接高稳定，即在沉井下沉到预定位置后，在全截面支撑条件下的沉井接高稳定性系数进行计算。

⑵计算荷载

根据不同的工况，对沉井的下沉系数进行计算，所采取的计算公式如下：

计算结果分析：

①在整个沉井下沉过程中，在半刃脚支撑工况下的下沉系数最小K=1.15>1.05，说明在自重的作用下，整个沉井可下沉至设计标高，但下沉最后阶段全刃脚下沉系数仅为0.93，说明沉井在最后阶段的下沉较为困难，需采取部分助沉措施。

②沉井首次接高四节平面刚度较大，对沉井初期下沉的结构安全非常有利。

③沉井后两次次接高系数略大于1.05，相对稳定，沉井接高时沉井有微量下沉。

④首次接高后采用降水16m进行前三节下沉，第四节沉井采用不排水下沉。

⑤根据接高、下沉计算分析方案一可行。

通过计算分析可知这种下沉方案合理可行，首次接高四节，沉井初期施工结构安全。沉井接高、下沉系数均较为合理，施工安全。

⑵方案二：沉井三次接高三次下沉的接高下沉组合见下表。

计算结果分析：

①沉井下沉系数与方案一相似，采取部分助沉措施后沉井可下沉到位。

②前三节下沉到位时，全截面支撑系数为1.39＞1.05，故沉井前三节下沉到位后井孔内会保留部分余土，并使得刃脚及分区隔墙下土层挤压密实。

③沉井第四、五节接高系数为1.86，但沉井重量逐节增加，沉井接高过程中少量沉。

④沉井第六～九节接高系数为1.48，但此时沉井已经下沉24m，沉井下沉不易倾斜，并且沉井重量逐节增加，下沉系数逐渐增加至1.48，在此过程中沉井逐步下沉。

⑤沉井三次接高下沉，施工中接高、下沉之间工序转换较少，节约工期。

⑥根据接高、下沉计算分析方案二可行。

⑶方案三：沉井四次接高四次下沉的接高下沉组合见下表。

计算结果分析：

①沉井下沉系数与前面两种方案相似，采取部分助沉措施后沉井可下沉到位。

②前三节下沉到位时，全截面支撑系数为1.39＞1.05，故沉井前三节下沉到位后井孔内会保留部分余土，并使得刃脚及分区隔墙下土层挤压密实。

③沉井四节接高系数为1.42，沉井第四节接高过程中会出现少量沉降。

④沉井第五、六节接高系数为1.07，接高施工时较为稳定，第七、八、九节接高系数为1.28；此时沉井已经下沉29m，沉井不易倾斜，并且沉井重量逐节增加，下沉系数逐渐增加至1.28，在此过程中沉井少量下沉不会产生不利影响。

⑤根据接高、下沉分析计算此方案可行。

⑷方案比选

通过计算分析可见两种方案均可行，但从沉井结构安全，施工安全，工期等几个方面进行比较如下：

通过以上分析，南锚碇沉井接高下沉施工工艺流程如下：

整个下沉取土原则上按小锅底进行，如下沉困难则形成以分区隔墙为分区的四个局部小锅底（6个井孔形成一个锅底）进行取土下沉，仍然难以下沉则报请业主、设计及监理单位同意采用“大锅底”取土下沉。

⑴在加固地基上拼装第一节钢壳沉井，浇筑钢壳混凝土、施工第二～四节混凝土沉井，降排水下或不排水下沉19m（降排水下沉前三节，不排水下沉第四节沉井），沉井底标高为-14.5m。在前四节下沉过程中，分层对称，均匀取土，并尽量减少中间踏面的悬空高度，保证沉井下沉至预定标高后，刃脚及隔墙踏面埋入土体。

⑵浇筑第五、六节沉井混凝土10m、不排水下沉沉井10m，累计下沉沉井29m，沉井底标高为-24.5m。在第五、六节下沉过程中，分层、对称、均匀取土，尽量减少中间踏面的悬空高度，保证沉井下沉至预定标高后，刃脚及隔墙踏面部分埋入土体。

⑶浇筑第七～九节沉井混凝土15m，不排水下沉沉井19m，累计下沉沉井48m，沉井底标高为-43.5m。在沉井下沉的最后阶段，若下沉困难，采取空气幕进行助沉，确保沉井下沉至设计标高。下沉最后阶段结合清基，将取土锅底的形状逐步转换为封底的锅底形状。

5、结论

实践表明，整个下沉过程顺利；监测数据表明，下沉过程中应力在可控范围之内，结构安全。