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[摘要]本文主要介绍某机场污水处理站提升泵站沉井结构结构设计中的计算要点和部分构造措施，可供类似工程设计参考。
Abstract :In this paper , structural design and some design measures of the open caisson are mainly presented in the pumping station of a sewage treament project in the airport,It may be referenced by the similar project.
[关键词] 沉井 结构设计
Keywords: Open caissonStructural design
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1.工程概况
本工程为广东省揭阳市某机场配套工程，同时也是机场污水处理站重要的构筑物。工程抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.15g；建筑场地为Ⅲ类；特征周期为0.45;建筑抗震设防类别为丙类；地基基础设计等级为丙级。提升泵站靠近已经建好的机场内道路。基坑支护大开挖施工提示泵站工程造价较大，工期较长，经比选采用沉井结构，二次浇筑提升泵站内隔墙和上部结构。提升泵站平面尺寸为14m×7m，埋地深度约为9m，上部为单榀框架结构。
2.地质条件
机场污水污水处理站位于潮汕平原西南，榕江流域中下游，根据《岩土工程详细勘察报告》，土层自上而下分别为：①素填土层：场地内均有分布，为新近填土。灰黄色，湿，稍压实，主要由碎石，角砾组成，含少量块石，粉粘粒含量10～20%，成分多为风化粉砂岩岩屑。层厚1.10～1.30m；②耕土层：主要由粘性土组成，呈深褐色、灰色，含少量植物根系，可塑状。层厚0.80～1.60m；③淤泥层：场地内均有分布，以淤泥为主。深灰色、灰黑色，流塑，土质较细腻粘滑，味稍臭，局部含贝壳碎片、腐殖质及朽木，普遍中下部夹薄层粉细砂。层厚9.70～13.80m，N=1~3；④粉质粘土层：棕黄色、浅灰色，可塑，刀切面光滑，土质粘韧。层厚1.90～5.80m，平均厚度4.06m，N=7~13；⑤粗砂层：以粗砂为主，局部为粉细砂。灰黄色、灰白色，局部深灰色，密实度变化较大，中密为主，局部密实，饱和，级配不良，含少量粘粒，局部含较多淤泥质。层厚1.80～6.70m，平均厚度4.57m，N=14.5；⑥淤泥质土层：灰黑色、深灰色，软塑状，土质粘滑，具臭味，含有机质，局部地区含较多腐殖质及朽木，局部夹薄层粉细砂。层厚1.50～9.90m，平均厚度4.58m，N=6；
鉴于提升泵站埋深约为9m，地质报告仅选用①～⑥层，钻孔深度约为35m。沉井主要所处土层为软弱土层。
3.结构设计
沉井的结构设计内容主要包括井体的厚度确定和施工方法选择、抗浮验算、下沉验算、地基承载力验算、井壁和底板计算和沉井构造措施。
3.1井体的厚度确定和施工方法选择
沉井井体的厚度确定取决于下沉需要，满足受力要求及适用性要求和抗浮要求[1] 。沉井井体有适当的厚度，能使在下沉过程中沉井可以依靠自重克服土层的摩阻力下沉到设计标高；在施工过程中和使用阶段，保证沉井具有足够的强度和刚度同时满足依靠自重来抗浮。根据工艺条件，通过试算和调整，沉井井壁厚度如图一所示，剖面图如图二所示。
图一沉井平面图 图二 剖面图（A-A剖面）
考虑到沉井所处土层渗水性不强，井内水量不大且排水不困难和工期要求采用排水下沉沉井施工，分两段浇筑，待达到设计强度后一次下沉(第一段高度5.5米，第二段高度4.7米)，C30素砼干封底(待砼达到强度时，才可以停止降水)。为防止沉井排水下沉引起靠近机场运输道路和地面土体塌方和下沉，在井壁外边线1.5m处施工一排φ500搅拌桩。
待沉井下沉到设计标高后，封底并底板施工完毕后，根据工艺条件要求进行提升泵站的内间墙二次浇筑，二次C20素混凝土找坡，浇筑顶板（板厚h=200）和施工上部结构。提升泵站如图三和图四所示。
图三提升泵站平面图图四 提升泵站剖面图
3.2抗浮验算（使用阶段）
根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137:2002）第6.1.4条规定[2]，沉井抗浮应按沉井封底和使用阶段验算。沉井施工阶段抗浮措施由施工单位自行考虑。在使用阶段结构总自重标准值Gk=10507kN，总浮力Fw,k=9730kN，抗浮系数kfw=Gk/Fw,k=1.08>1.0满足要求。
3.3下沉验算
为了保证沉井能顺利下沉，根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137:2002）第6.1.2条沉井下沉系数kst不应小于1.05。沉井自重标准值Gk=5404kN，由于采用排水下沉水浮力Ffw,k=0，井壁总摩阻力Ffk=4825 kN，经计算kst=（Gk－Ffk）／Ffk=1.12>1.05。如果kst>1.20时，还应验算下沉稳定，以防止沉井在软弱土层突沉或者下沉标高超出范围。
3.4地基承载力验算(使用阶段)
使用阶段提升泵站整体结构总重G=12054kN，底板基底反力为qk==123kPa。根据《建筑地基基础设计规范》第5.2.4条修正地基承载力特征值[3]，修正后地基承载力特征值fa=130kPa>qk=123kPa，满足要求。若地基承载力不满足设计要求时，应采取地基处理加固措施来提高地基承载力。
3.5井壁和底板计算
井壁计算模式可视为一个闭合的水平框架在外侧水平荷载作用下[4]，计算按沿井壁高度方向划分为两个区段（中间施工缝为界），水平荷载按各段下端0.5m内的平均值取值。闭合水平框架内力可以采用弯矩分配法或有限元分析。本工程采用理正软件计算，计算简图和弯矩图如图五、六所示。
图五计算简图（单位kN/m）
图六井壁彎矩图（单位kN.m）
沉井底板按双向板计算，四边简支。在使用阶段，底板计算荷载应取底板最大净反力和水浮力两者较大值。经计算，底板跨中弯矩标准值Mx=225 kN.m，My=199 kN.m。在配筋时，如果考虑封底砼的作用，配筋可适当减少。井壁和底板在使用阶段还须按正常使用极限状态验算裂缝是否满足要求。
3.6沉井构造措施
沉井刃脚形式有几种形式，选择刃脚形式要根据土质条件和下沉情况考虑，刃脚斜面与水平面夹角一般取50°～60°。如遇坚硬土层或者较厚卵石层宜在刃脚踏面上设置钢板护角。由于本工程场地土质为较均匀的软弱土层，故可以不设置，根据现场施工反馈信息，沉井采用的刃脚形式施工下沉时速度可控，垂直偏差极小，下沉位置和设计要求标高位置基本吻合。
沉井刃脚和底板连接须设置凹槽，在井壁位置预埋插筋与底板钢筋连接，防止底板渗水和保障底板有可靠的传力。由于机场整个场地地下水位比较高，刃脚内侧与封底混凝土接触部位和底板接触的凹槽须凿毛，使新旧混凝土结合紧密，防止污水外渗。
沉井井壁和二次浇筑提升泵站内间墙连接处设置凸槽，并预留φ16插筋，间距同内间墙水平钢筋间距。沉井井壁施工缝可凸槽或者预埋止水钢板。
4.结语
该机场于2011年12月中已经正式通航，同时污水处理站提升泵站也正式投入使用，运行正常。实践证明，在软土地区采用沉井结构施工方式是可行的，且比采用基坑支护开挖施工造价便宜；设计过程中必须重视系统的理论计算和加强构造措施。本工程实例可供类似工程的结构设计作参考。
参考文献
[1]给水排水工程结构设计手册（第二版）[M]中国建筑工业出版社,2007
[2]给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程（CECS 137:2002）
[3]建筑地基基础处理技术规范（JGJ79-2002）
[4]葛春辉.钢筋混凝土沉井结构设计施工手册[M].中国建筑工业出版社，2004
Abstract :In this paper , structural design and some design measures of the open caisson are mainly presented in the pumping station of a sewage treament project in the airport,It may be referenced by the similar project.
[关键词] 沉井 结构设计
Keywords: Open caissonStructural design
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1.工程概况
本工程为广东省揭阳市某机场配套工程，同时也是机场污水处理站重要的构筑物。工程抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.15g；建筑场地为Ⅲ类；特征周期为0.45;建筑抗震设防类别为丙类；地基基础设计等级为丙级。提升泵站靠近已经建好的机场内道路。基坑支护大开挖施工提示泵站工程造价较大，工期较长，经比选采用沉井结构，二次浇筑提升泵站内隔墙和上部结构。提升泵站平面尺寸为14m×7m，埋地深度约为9m，上部为单榀框架结构。
2.地质条件
机场污水污水处理站位于潮汕平原西南，榕江流域中下游，根据《岩土工程详细勘察报告》，土层自上而下分别为：①素填土层：场地内均有分布，为新近填土。灰黄色，湿，稍压实，主要由碎石，角砾组成，含少量块石，粉粘粒含量10～20%，成分多为风化粉砂岩岩屑。层厚1.10～1.30m；②耕土层：主要由粘性土组成，呈深褐色、灰色，含少量植物根系，可塑状。层厚0.80～1.60m；③淤泥层：场地内均有分布，以淤泥为主。深灰色、灰黑色，流塑，土质较细腻粘滑，味稍臭，局部含贝壳碎片、腐殖质及朽木，普遍中下部夹薄层粉细砂。层厚9.70～13.80m，N=1~3；④粉质粘土层：棕黄色、浅灰色，可塑，刀切面光滑，土质粘韧。层厚1.90～5.80m，平均厚度4.06m，N=7~13；⑤粗砂层：以粗砂为主，局部为粉细砂。灰黄色、灰白色，局部深灰色，密实度变化较大，中密为主，局部密实，饱和，级配不良，含少量粘粒，局部含较多淤泥质。层厚1.80～6.70m，平均厚度4.57m，N=14.5；⑥淤泥质土层：灰黑色、深灰色，软塑状，土质粘滑，具臭味，含有机质，局部地区含较多腐殖质及朽木，局部夹薄层粉细砂。层厚1.50～9.90m，平均厚度4.58m，N=6；
鉴于提升泵站埋深约为9m，地质报告仅选用①～⑥层，钻孔深度约为35m。沉井主要所处土层为软弱土层。
3.结构设计
沉井的结构设计内容主要包括井体的厚度确定和施工方法选择、抗浮验算、下沉验算、地基承载力验算、井壁和底板计算和沉井构造措施。
3.1井体的厚度确定和施工方法选择
沉井井体的厚度确定取决于下沉需要，满足受力要求及适用性要求和抗浮要求[1] 。沉井井体有适当的厚度，能使在下沉过程中沉井可以依靠自重克服土层的摩阻力下沉到设计标高；在施工过程中和使用阶段，保证沉井具有足够的强度和刚度同时满足依靠自重来抗浮。根据工艺条件，通过试算和调整，沉井井壁厚度如图一所示，剖面图如图二所示。
图一沉井平面图 图二 剖面图（A-A剖面）
考虑到沉井所处土层渗水性不强，井内水量不大且排水不困难和工期要求采用排水下沉沉井施工，分两段浇筑，待达到设计强度后一次下沉(第一段高度5.5米，第二段高度4.7米)，C30素砼干封底(待砼达到强度时，才可以停止降水)。为防止沉井排水下沉引起靠近机场运输道路和地面土体塌方和下沉，在井壁外边线1.5m处施工一排φ500搅拌桩。
待沉井下沉到设计标高后，封底并底板施工完毕后，根据工艺条件要求进行提升泵站的内间墙二次浇筑，二次C20素混凝土找坡，浇筑顶板（板厚h=200）和施工上部结构。提升泵站如图三和图四所示。
图三提升泵站平面图图四 提升泵站剖面图
3.2抗浮验算（使用阶段）
根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137:2002）第6.1.4条规定[2]，沉井抗浮应按沉井封底和使用阶段验算。沉井施工阶段抗浮措施由施工单位自行考虑。在使用阶段结构总自重标准值Gk=10507kN，总浮力Fw,k=9730kN，抗浮系数kfw=Gk/Fw,k=1.08>1.0满足要求。
3.3下沉验算
为了保证沉井能顺利下沉，根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137:2002）第6.1.2条沉井下沉系数kst不应小于1.05。沉井自重标准值Gk=5404kN，由于采用排水下沉水浮力Ffw,k=0，井壁总摩阻力Ffk=4825 kN，经计算kst=（Gk－Ffk）／Ffk=1.12>1.05。如果kst>1.20时，还应验算下沉稳定，以防止沉井在软弱土层突沉或者下沉标高超出范围。
3.4地基承载力验算(使用阶段)
使用阶段提升泵站整体结构总重G=12054kN，底板基底反力为qk==123kPa。根据《建筑地基基础设计规范》第5.2.4条修正地基承载力特征值[3]，修正后地基承载力特征值fa=130kPa>qk=123kPa，满足要求。若地基承载力不满足设计要求时，应采取地基处理加固措施来提高地基承载力。
3.5井壁和底板计算
井壁计算模式可视为一个闭合的水平框架在外侧水平荷载作用下[4]，计算按沿井壁高度方向划分为两个区段（中间施工缝为界），水平荷载按各段下端0.5m内的平均值取值。闭合水平框架内力可以采用弯矩分配法或有限元分析。本工程采用理正软件计算，计算简图和弯矩图如图五、六所示。
图五计算简图（单位kN/m）
图六井壁彎矩图（单位kN.m）
沉井底板按双向板计算，四边简支。在使用阶段，底板计算荷载应取底板最大净反力和水浮力两者较大值。经计算，底板跨中弯矩标准值Mx=225 kN.m，My=199 kN.m。在配筋时，如果考虑封底砼的作用，配筋可适当减少。井壁和底板在使用阶段还须按正常使用极限状态验算裂缝是否满足要求。
3.6沉井构造措施
沉井刃脚形式有几种形式，选择刃脚形式要根据土质条件和下沉情况考虑，刃脚斜面与水平面夹角一般取50°～60°。如遇坚硬土层或者较厚卵石层宜在刃脚踏面上设置钢板护角。由于本工程场地土质为较均匀的软弱土层，故可以不设置，根据现场施工反馈信息，沉井采用的刃脚形式施工下沉时速度可控，垂直偏差极小，下沉位置和设计要求标高位置基本吻合。
沉井刃脚和底板连接须设置凹槽，在井壁位置预埋插筋与底板钢筋连接，防止底板渗水和保障底板有可靠的传力。由于机场整个场地地下水位比较高，刃脚内侧与封底混凝土接触部位和底板接触的凹槽须凿毛，使新旧混凝土结合紧密，防止污水外渗。
沉井井壁和二次浇筑提升泵站内间墙连接处设置凸槽，并预留φ16插筋，间距同内间墙水平钢筋间距。沉井井壁施工缝可凸槽或者预埋止水钢板。
4.结语
该机场于2011年12月中已经正式通航，同时污水处理站提升泵站也正式投入使用，运行正常。实践证明，在软土地区采用沉井结构施工方式是可行的，且比采用基坑支护开挖施工造价便宜；设计过程中必须重视系统的理论计算和加强构造措施。本工程实例可供类似工程的结构设计作参考。
参考文献
[1]给水排水工程结构设计手册（第二版）[M]中国建筑工业出版社,2007
[2]给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程（CECS 137:2002）
[3]建筑地基基础处理技术规范（JGJ79-2002）
[4]葛春辉.钢筋混凝土沉井结构设计施工手册[M].中国建筑工业出版社，2004