CN101525883B - 防止漩流井封底时下沉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于漩流井施工技术领域，具体涉及防止漩流井封底时下沉的方法。防止漩流井封底时下沉的方法，其特征在于它包括如下步骤：1)在漩流井挖至封底的底设计标高时，在井内钻4-20个灌注桩，4-20个灌注桩深度分别达到入岩条件；2)然后在4-20个灌注桩上浇筑简支梁，再从简支梁底部开始浇筑封底至封底的顶设计标高止。4-20个灌注桩的承载力大于或等于井壁自重与摩阻力的差值，摩阻力为井壁与土层间的摩阻力。该方法能解决漩流井封底时(持力层为软土层等承载力不够时)下沉的问题。

Description

防止漩流井封底时下沉的方法

技术领域

本发明属于漩流井施工(采用沉井施工方法)技术领域，具体涉及防止漩流井封底时下沉的方法。

背景技术

在施工(采用沉井施工方法)过程中挖土至快到设计封底标高时，因基底土层分布不均匀和土质情况软硬不同，在清底过程中因井底持力层一部分进入全风化花岗岩层，一部分仍是粉质粘土层而进一步下沉，从而漩流井局部出现急速下沉，原任意两点高差170mm迅速扩展至350mm，超过漩流井施工规范要求，为防止漩流井任意两点高低差进一步扩大并稳定下沉速度，经过分析和研究，解决漩流井封底的主要办法是先阻止漩流井下沉，待漩流井稳定后进行纠偏和封底。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防止漩流井封底时下沉的方法，该方法能解决漩流井封底时下沉的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：防止漩流井封底时下沉的方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)、在漩流井挖至封底的底设计标高时，在井内钻4-20个灌注桩，4-20个灌注桩深度分别达到入岩条件；

2)、然后在4-20个灌注桩上浇筑简支梁，再从简支梁底部开始浇筑封底至封底的顶设计标高止。

4-20个灌注桩的承载力大于或等于井壁自重与摩阻力的差值，摩阻力为井壁与土层间的摩阻力。

本发明的有益效果是：采用在井内钻4-20个灌注桩，4-20个灌注桩深度达到入岩条件，通过在桩上浇筑简支梁的办法稳定整个漩流井下沉，通过预制简支梁将承受的荷载传递给井内桩，就可阻止漩流井下沉，这样操作起来方便，安全可靠，具有成本低的特点。该方法能解决漩流井封底时(持力层为软土层等承载力不够时)下沉的问题。

附图说明

图1是本发明的灌注桩的布置图；

图2是本发明的简支梁的布置图；

图3是图2沿A-A线的剖视图；

图4是漩流井下降摩阻力计算简图；

图中：1-第一桩，2-第二桩，3-第三桩，4-第四桩，5-井壁，6-第一简支梁，7-第二简支梁。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，防止漩流井封底时下沉的方法，它包括如下步骤：

1)、在漩流井挖至封底的底设计标高时，在井内钻四个灌注桩(分别为第一桩1、第二桩2、第三桩3、第四桩4)，四个灌注桩沿井壁5根据沉降速度及偏差情况布置(相互之间成90°)，四个灌注桩深度分别达到入岩条件；

2)、四个灌注桩的承载力大于或等于井壁5的自重与摩阻力的差值，摩阻力为井壁与土层间的摩阻力；然后在四根灌注桩上浇筑简支梁(在第一桩1与第二桩2上浇筑第一简支梁6，第三桩3与第四桩4上浇筑第二简支梁7；简支梁也可采用井字结构)；再从简支梁底部开始浇筑封底至封底的顶设计标高止[先在简支梁底部浇筑第一层(2m厚)砼，然后浇筑封底的顶设计标高止]。

灌注桩的个数可根据漩流井的大小确定。漩流井大时，采用的灌注桩的个数就多，如采用20个。

具体工程案例：

一、工程概况

漩流井为钢筋混凝土圆形构筑物，外径12.5m，壁厚750mm，漩流井刃脚底标高为17.5m，封底为2m厚C15砼，1m厚C30钢筋砼，外筒重1250吨，漩流井总重2500吨。因主厂房钢柱承台桩基、基础及屋面系统已施工完，施工时采取沉井和深井降水方法。

在施工过程中挖土至-16.6m时因基底土层分布不均匀和土质情况软硬不同，井内清底时，漩流井局部出现急速下沉，原任意两点高差170mm迅速扩展至350mm，超过漩流井施工规范要求，为防止漩流井任意两点高低差进一步扩大并稳定下沉速度，采取在井壁及井底灌注水泥浆(约260t水泥)固化漩流井周围及井底土层，取得了一定效果，但在清底过程中因井底持力层一部分进入全风化花岗岩层，一部分仍是粉质粘土层而进一步下沉，相对设计已超沉1.64m，经过分析和研究，解决漩流井封底的主要办法是先阻止漩流井下沉，待漩流井稳定后进行纠偏和封底。

二、地质情况简介：

1、场地水文地质条件

本工程设计±0.000相当于绝对高程15.0m左右，地下水初见水位标高8.46m～11.63m，混合水位标高为12.86m～14.33，水位变化幅度约0.5m，漩流井周围勘探点地下水位标高为14.43m～14.02。砂层稳定水位标高12.51～13.85m，场地内地下水类型为上层滞水，松散岩类的孔隙水及基岩中的裂际水，主要赋存于素填土，粗砂，全风化花岗岩及强风化花岗岩中，施工时需做好场地排水工作。

2、岩土层结构及特征

漩流井岩土层结构主要参照勘控点为ZK4、ZK5、ZK6、ZK10、ZK11、ZK12六个点，岩土层自上而下依次为：素填土，粉质粘土，粗砂，残积粘性土，全风化花岗岩，强风化花岗岩，中风化花岗岩，岩土层的性质从下到下详细分述如下：

表1

土层层号

土层名称

层厚(m)

层底标高(m)

颜色

湿度

压缩性能

土层描述

①

素填土(Q4ml)

1.30～1.5

12.84～13.48

浅黄色

稍湿～湿

高

粘性土，含有少量的中粗砂，碎石

②

粉质粘土Q<sub>4</sub><sup>a1+p1</sup>

0.40～8.8

4.56～13.48

灰黄

湿

流塑～可塑

含少量中细砂，摇振反应无，韧性，干强度中等，稍有光泽承载力特征值

③

粗砂(Q<sub>4</sub><sup>a1+p1</sup>)

0.5～3.8

7.46～-11.26

灰白色

饱和

松散～中密

粗径大于0.5mm的颗料含量约58.4％，中砂约13.4％，粉细粒约28.2％，局部夹有粉质粘土透镜体，个别地方有有滚石。

④

残积粘性土(Q<sup>e1</sup>)

7.55～12.8

-0.99～-4.34

灰黄色褐红色灰白色

湿

可塑

长石矿物已基本风化成粘性土，大于2mm的石黄颗料含量0.5～3％，承载力特征值fak＝180KPa

⑤

全风化花岗岩(γ<sub>5</sub><sup>3</sup>)

3.55～6.7

-6.22m～-9.02

灰黄色，灰白色

湿

散状

中粗粒花岗结构，散体状构造。矿物成分以石英、长石为主，长石大部分已风化成粘性土，岩芯呈土状或散体状，为极软岩，岩体基本质量等级为V极承载力特征值fak＝300KPa

⑥

强风化花岗岩(γ<sub>5</sub><sup>3</sup>)

5.33～11.3

层顶-6.22m～-9.02

灰白色

湿

散状

中粗粒花岗结构，矿特成分主要为石英，长石，云母，长石部分风化成粘性土，岩芯呈散体状，为软岩，岩体基本质量等级为V级，fak＝450KPa

注：漩流井设计标高-17.5m相当于绝对高程-2.5m。

3、地质情况对漩流井的影响

为了较为准确的掌握本工程漩流井周围地质土层情况，对漩流井所在位置附近勘探点进行了仔细的对照和研究，进入强风化花岗岩层标高分别为：

(1)勘控点为ZK4、ZK5、ZK6、ZK10、ZK11、ZK12六个点分别为：23.9m，22.02m，22.5m，23.12m，21.8m，21.2m。

(2)漩流井周围四个承台桩基实际入岩标高从东至西，从南到北分别为19.6m，27.5m，31.2m，29.7m及四个承台桩基开始进入强风化层标高从右至左，从下至上分别为18.8m，21.5m，24.6m，28m。

通过以上数据分析，本工程漩流井持力层与地质报告严重不符，处在土层层号④残积粘性土及土层层号⑤全风化花岗岩层内。该层土体比较湿，处于可塑状态，属高压缩性，局部承载强度低。

三、漩流井标高控制及施测方法

为便于随时观测漩流井各个点位的沉降速度及偏差情况，沿漩流井四周设8个观测点(见图1)，每天观测2～4次，近段时间观测漩流井相对标高-17.5m超沉数据如下：

表2

注：表2中数据为相对于漩流井刃脚底设计标高-17.5m超沉值。

四、漩流井稳定处理方案

针对地质报告、漩流井四周承台桩基入岩深度及漩流井目前施工状况，采用在井内1#点、7#点、6#点、3#点附近浇注四根钻孔灌注桩(简称桩)(见图1)。灌注桩钻孔深度达到入岩条件后通过在桩上浇筑简支梁的办法稳定整个漩流井下沉。

1、漩流井井壁摩阻力参数

根据地质报告提供的场地土的物理力学指标，地基土性设计计算指标及特征，并参照有关规范要求，各层土的漩流井井壁摩阻力参数如下表所示：

表3

层序

土层名称

土层平均厚度

井壁摩阻力(KPa)

①	素填土(Q4ml)	1.4	不计
				②	粉质粘土Q<sub>4</sub><sup>a1+p1</sup>	3.9	21.1
③	粗砂(Q<sub>4</sub><sup>a1+p1</sup>)	1	不计
				④	残积粘性土(Q<sup>e1</sup>)	10	20.8
⑤	全风化花岗岩(γ<sub>5</sub><sup>3</sup>)	4.99	20.8
				⑥	强风化花岗岩(γ<sub>5</sub><sup>3</sup>)

2、摩阻力计算

井壁与土层间的摩阻力计算，通常的方法是：假定摩阻力随土深而加大，并且在5m深时达到最大值，5m以下时保持常值，本工程漩流井采取分段施工，第一节开挖3m基坑，即从-3m开始计算摩阻力。计算方法见图4所示：

T——漩流井与土间的摩阻力(kN)，T＝πD(H-2.5)·f

D——漩流井外径(m)

H——漩流井全高(m)，H＝3.9+10+4.99+1-3＝16.89

f——井壁与土间的摩阻系数(KPa)，取平均值

f＝πD(H-2.5)·f＝(3.9*21.1+10*20.8+4.99*20.8)/(3.9+10+4.99)＝20.86KN/m²

则井壁与土层间的摩阻力值为：

T＝3.14*12.5*(16.89-2.5)*20.86＝11782KN。

3、单根桩承载力计算

根据地质报告第五“工程地质评价”第三条单桩竖向极限承载力标准值估算，桩进入强风化花岗岩层后的承载力是很大的，现对φ600钢筋砼钻孔灌注桩端进入强风化花岗岩层1.2m时进行验算：

(1)地质报告第10页“桩基设计参数”，

表4

层序	土层名称	土层深度	桩的极限侧阻力标准值	桩的极限端阻力标准值
					①1	素填土(Q4ml)	1.4	-	-
②	粉质粘土Q<sub>4</sub><sup>a1+p1</sup>	3.9	35	-
					③1	粗砂(Q<sub>4</sub><sup>a1+p1</sup>)	1	40	-
④	残积粘性土(Q<sup>e1</sup>)	10	40	-

⑤	全风化花岗岩(γ<sub>5</sub><sup>3</sup>)	4.99	60	-
					⑥	强风化花岗岩(γ<sub>5</sub><sup>3</sup>)		70	3500
⑦	中风化花岗岩			8000

(2)单桩竖向极限承载力标准值的估算

以⑥强风化花岗岩层为持力层，采用钻孔灌注桩，桩径D＝600mm，桩身主要受全风化花岗岩、殘积性粘土层极限侧阻力，设桩基从±0.00以下21.62m开始进入全风化花岗岩层，漩流井在20m时稳定，则桩基在残积性粘土层厚度为21.62-20+2(刃脚高度)＝3.62m，桩端进入强风化花岗岩层为1.2m时的竖向极限承载力标准值Quk＝Q_SK+Q_PK＝U∑Q_sikli+Q_pkA_P

式中Q_SK为单桩总极限侧阻力标准值；

QPK：单桩总极限端阻力标准值；

U：桩身周长；

Q_sik：桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；

li：桩穿越第i层土的厚度；

Q_pk：极限端阻力标准值；

A_P：桩端面积

则Quk＝U∑Q_sikli+Q_pkA_P

     ＝3.14*0.6*(40*3.62+4.99*60+70*1.2)+3500*3.14*0.3*0.3

     ＝995.13+989＝1984.1KN

通过计算知，单根桩可承受力为1984.1KN，本漩流井外筒重约12500KN，摩阻力11782KN，按简支梁受力状态，则每根桩需承受359KN＜1984.1KN，满足桩基承载力对漩流井稳定的要求。

4、简支梁设计方案

(1)漩流井简支梁受力顺序分析

从漩流井观测部位看，观测1#点和观测7#点基本处于同一水平面上，且该两点沉降比较均匀，观测3#点与观测5#点点高差也不大，因此在此四点暂时浇筑两条C40钢筋砼(砼内掺加早强剂)简支梁作为阻止漩流井下沉，两条简支梁浇筑面标高初步定在同一平面上且低于原漩流井设计标高-14.5m处凹点以下300mm左右。因观测8#点比观测4#点高出475mm，从漩流井下沉趋势及受力情况来看，简支梁在观测1#点和观测7#点将提前进入受力状态而停止下沉，此时观测2#点～观测6#点将继续下沉直至观测3#点与观测5#点处简支梁进入受力状态而停止下沉，因两条简支梁处于同一标高面，整个漩流井高差将基本控制在100mm左右，达到纠偏效果。通过预制简支梁将承受的荷载传递给井内桩，桩的承载力只需大于或等于井壁自重减井壁与土层间的摩阻力所得差值，就可阻止漩流井下沉。

(2)简支梁的配筋方式

因桩基与漩流井壁相当近，从受力点剪力及弯矩分析来年，此时简支梁悬挑端主要承受剪力，为了保守起见，现取每个梁端承受来自漩流井集中力为60t来确定简支梁配筋，梁端配筋按牛腿方式布置。

五、漩流井封底处理方案

按照近段时间对漩流井下降速度及超沉深度预计，漩流井在简支梁及桩基作业下保持稳定的刃脚底标高很可能保持在设计标高-20m，漩流井超沉深度2.5m。对漩流井采取水泥浆固化技术处理后清过三次底，在清底过程中井底仍有土往井内涌。漩流井稳定后，为防止井底土层在清底过程中涌入，拟取消刃脚部分素砼部分，从原设计漩流井标高-15.5m开始分二次分层封底，厚度分别为2m、1m(第一层为2m，第二层为1m)。

第一层：采用水下封底技术措施，砼强度为C20。水下封底砼承受的荷载应按施工中最不利的情况考虑，即在钢筋混凝土底板施工前时，封底砼可能产生的向上最大水压力作用，以此荷载(即为地下水头高度减去封底砼的重量)作为计算值。

漩流井按周边简支支承的圆板计算，承受均布荷载是，板中心的变矩，按下式计算：

M_max＝0.198pr²＝0.198*145*5.5*5.5＝868KN.m

式中：p为静水压力形成的荷载(KN/m)，水位高度按17m，

则P＝17*10-1*25＝145KN/m

R为圆板的计算半径(m)，即r为5.5m。

又根据封底砼厚度计算公式：

Bf_cth²+A_sf_yh＝3.5k*M

式中：h为封底砼厚度(mm)

K为安全系数，按抗拉强度计算的受压，受压构件为2.65

M板的最大弯矩

B为板宽，一般取1000mm；

f_ct为混凝土抗拉强度设计值，1.1*10³kN/m²；

As为抗拉钢筋面积，按12φ25计算

f_y为钢筋抗拉强度，300*10³kN/m²；

代入公式计算得h＝2m

第二层：钢筋砼，在封底砼底板上浇筑1m厚C30抗渗砼，配筋同原底板配筋，使底标高与设计标高相一致。

六、漩流井封底后的抗浮稳定性验算

漩流井封底后，整个漩流井受到被排除地下水向上浮力的作用，如漩流井自重不足于平衡地下水的浮力，漩流井的安全性会受到影响。为此，漩流井封底后应进行抗浮稳定性验算。漩流井外有回填土，需要计算井壁与侧面土反摩擦力的作用，抗浮稳定性计算公式为：

K＝(G+T)/F≥1.1

式中：G——漩流井自重力(kN)

F——地下水向上的浮力(kN)

验算条件：

漩流井自重为井壁和封底混凝土重量：

G＝G1+G2＝12500+2375＝14875kN

井壁与侧面土反摩擦力11782KN，地下水向上浮力：由地质勘察资料得知，拟建场地的地下水位标高为-0.57~0.98m，漩流井封底底标高为-18m，故验算浮力的地下水深度按17m考虑，则：F＝3.14×6.25²×10×17＝20851kN，

K＝(14875+11782)/20851＝1.28，

根据上述计算可知，漩流井封底后，漩流井自重及井壁与侧面土反摩擦力基本能够抵抗地下水的浮力。因此，漩流井封底后可继续施工内筒，不需要做任何措施。

在漩流井井底持力层一部分进入全风化花岗岩层，一部分仍是粉质粘土层而进一步下沉的情况下，采取在井内1#点、7#点、5#～6#点、2#～3#点附近浇注四根钻孔灌注桩(见图1)，灌注桩钻孔深度达到入岩条件后通过在桩上浇筑简支梁的办法稳定整个漩流井下沉。可有效纠正偏斜。确保封底质量，也保证了整个工程质量，这是一个在层土体比较湿，处于可塑状态，属高压缩性，局部承载强度低的状态下防止沉井突沉、偏斜、防水和涌土的综合性措施。其安全、经济、可靠，可以广泛地推广和应用。

Claims (1)

1.防止漩流井封底时下沉的方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)、在漩流井挖至封底的底设计标高时，在井内钻4-20个灌注桩，所述4-20个灌注桩深度分别达到入岩条件；

所述4-20个灌注桩的承载力大于或等于井壁自重与摩阻力的差值，摩阻力为井壁与土层间的摩阻力；

2)、然后在所述4-20个灌注桩上浇筑简支梁，再从简支梁底部开始浇筑封底至封底的顶设计标高止。

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