随着科技地不断进步,沉井施工技术已经得到越来越广泛的应用。目前如桥梁墩台基础、取水构筑物、雨污水泵站、地下工业厂房、大型设备基础、地下仓库、人防掩蔽所、盾构拼装井、船坞坞首、矿用竖井以及地下车道和车站等大型深埋基础和地下构筑物的围壁等等均曾采用过沉井法施工。
在沉井下沉过程中人们总是希望保持理想的垂直下沉状态,但是大量沉井下沉实践证明,这是不现实的。主要由于以下的原因:
1、沉井在平面上因结构构造原因各边重量不相等。
2、下沉过程中井内各边的挖土不可能做到绝对均等。
3、下沉深度范围内各层地基土厚度不均、强度不等。
4、沉井周围地表上有可能附加荷载不均衡分布(如模板、脚手材料、钢筋和起重设备等)使沉井外井壁受到的侧压力有差异。
因此,沉井在下沉过程中总是有偏斜,不是向左偏,就是向右偏,不是向前俯,就向后仰,这是客观存在的必然现象。
首先,我们先弄清楚下沉与纠偏的关系。为说明问题:
当沉井下沉由于井内挖土不平衡等影响,沉井向左偏斜,刃脚A到A’位置,刃脚B到B’位置,沉井虽下沉了一定深度,但却出现了偏斜,此时B’刃脚高于A’刃脚。为了及时纠偏,又在井内B’刃脚处多挖土,减少土体支撑反力,致使B’刃脚过多下沉到B’’位置,而此时A’刃脚也下沉了但下沉少了一些,到了A’’位置,沉井又出现了向右偏斜的现象。
从上面的纠偏过程看,可以得出这样的结论——纠偏过程就是下沉过程。
既然纠偏过程就是下沉过程,在沉井的下沉过程中,就应该把纠偏放在主要位置来对待,把下沉放在次要位置来对待,以纠偏为主,以下沉为辅。大偏要纠,小偏也要纠,沉井在不断的纠偏过程中就会顺利下沉到设计标高。
其次,我们再来分析纠偏过程中各种作用力之间的关系。为说明问题,将下沉过程三维受力问题简化为平面问题:
当沉井向左偏斜时(图中实线位置)左井壁挤压左边土体,使土体处于被动应力极限状态,左井壁受到被动土压力作用(图中EP)同时右井壁向左倾,使右边土体处于主动应力极限状态,右井壁受到主动土压力Ea的作用。而当右纠偏时(图中虚线位置)右井壁转而受到被动土压力EP’作用,同时左井壁也转而受到主动土压力Ea’作用。
由于纠偏过程中沉井也在下沉(图中实线位置→虚线位置),因此右井壁外受到土体的摩阻力FP’作用,同时左井壁外受到土体摩阻力Fa’作用。
图中W为沉井下沉时的自重,RB为右刃脚下土体的支撑反力。在这里,
纠偏力矩为:
抵抗纠偏的力矩为:
要使沉井向右纠偏,必须满足下式:
这就是纠偏过程中各种作用力之间的主要关系。
理解了纠偏过程中各种作用力之间的主要关系,我们就可以采取相应的纠偏对策。
1、增大纠偏力矩的办法(指不等式的左半部)
(1)在沉井左侧地面增加一定量的堆载,使Ea增大。
(2)在沉井的顶上,特别是左半部堆载,使W增大。
(3)在沉井的顶部套上钢丝绳,用布置在沉井右边的卷扬机将沉井朝右拉。
(4)当沉井水下下沉时,井内抽水减少浮力,增大下沉力,配合上面的办法一起使用,也很有效。(如图3)
2、减小抵抗纠偏力矩的办法
(1)在右刃脚处挖土,使土体支撑反力RB减小。
(2)在右井壁外侧射水冲刷,使土体摩阻力FP’减小。(如图4)
(3)在沉井壁外侧挖沟槽,使被动土压力EP’减小。
(4)当沉井有底梁时,挖掏底梁下土体,减小土体支撑反力。
(5)当沉中用空气幕法下沉时,启动右侧空气幕,可以减小FP’。
最常用的纠偏方法是掏挖刃脚处和底梁下土方。
我们举个例子,刃脚及底梁平面图:
此时经测量A、B、C、D四角高程为A=-10.43m,B=-10.31m,C=-10.18m,D=-10.06m,将A角(最低)与其他三角比较,B角比A角高12cm,C角比A角高25cm,D角比A角高37cm(见图中角点数字),A角为0。看出AB一边偏低,CD一边偏高,纠偏时应以对角线BC左侧EF线为界,对位于阴影线的底梁下和CD及BD刃脚处土方进行挖除,先挖刃脚斜面土方(从D→C→F和从D→B→E),测量四角高差有无减小,若稍有好转,仍不理想,再掏挖位于阴影线的底梁下土方,再测量四角高差变化情况,若纠偏效果很满意,就转为挖土下沉;若还不够期望值,继续掏挖CD和BD两边刃脚下土方。一般来说,对于结构自重均衡的沉井而且地基土层又变化不大时,采用这样的挖土纠偏方法均能取得比较满意的效果。
当沉井在平面上发生中心线位移时(大多是因为不及时纠正刃脚高差造成的后果),也可以用在井内偏挖土方的方法来进行位移纠正。
例如当沉井南北向中心线向东位移时,我们可先挖井内东面刃脚处土方,把沉井再扶正,扶正后测量南北向中心线是否仍有向东位移现象,若已纠偏过来一些,仍不理想,可按上述偏挖方法再循环1~2次,中心线位移一般都会纠正过来。
总之,只要掌握并能充分利用纠偏过程中各种作用力之间的关系,就会想出更多更好的办法来实现纠偏的目的。
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