cecs 137：2002 给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程 条文说明

'中国工程建设标准化协会标准给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程SpecificationforstructuraldesignofreinforcedconcretesinkingwellofwatersupplyandsewerageengineeringCECS137:20022002北京第1页 中国工程建设标准化协会标准给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程SpecificationforstructuraldesignofreinforcedconcretesinkingwellofwatersupplyandsewerageengineeringCECS137:2002条文说明2002北京第2页 目次1总则.................................................................43材料.................................................................54结构上的作用...........................................................65基本设计规定...........................................................76沉井下沉和结构计算.....................................................97构造要求..............................................................13第3页 1总则1.0.2沉井按材料分，有混凝土沉井、钢筋混凝土沉井、钢板沉井、钢壳沉井、圬工沉井等。本规程限定为给水排水工程的钢筋混凝土沉井，其他行业使用的沉井和非钢筋混凝土沉井，可结合具体情况参照本规程执行。1.0.3本规程中未涉及的部分按现行国家标准《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069执行。1.0.5凡涉及地震、冻土、湿陷性黄土和膨胀土等的工程，尚应按有关标准执行。第4页 3材料3.0.1干式沉井指使用阶段沉井内无水，如卧式泵泵房等；湿式沉井指使用阶段沉井内贮水，如集水井、进水箱等。对于部分干式部分湿式的沉井，应按干式沉井考虑。3.0.2水下封底混凝土设计强度等级不宜低于C20，以免厚度过大，抗渗过差，同时受水影响的表面，混凝土强度可能达不到设计要求，必须予以注意。3.0.3混凝土抗渗等级沿用习惯使用的S4、S6、S8，它的单位是0.1MPa。3.0.4本条摘自《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069。3.0.5当地下水或井内贮水对混凝土和钢筋有腐蚀作用时，应采取相应的防腐措施。3.0.7外加剂一般可分为减水剂、早强剂和密实剂等，可根据实际需要选用。3.0.9本规程未列出混凝土和钢筋的力学性能指标，均应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010执行。第5页 4结构上的作用4.1.1本条针对给水排水沉井设计中遇到的各种作用，根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069规定的原则，区分为永久作用和可变作用。4.1.2沉井结构设计时，对不同荷载采用不同的代表值。本规程给出了三种代表值:标准值、组合值和准永久值。其中标准值是荷载的基本代表值，其他代表值以标准值乘以相应的系数得出。4.1.3～4.1.4结构承受两种或两种以上可变作用时，作用效应组合值在承载能力极限状态下采用基本组合值；在正常使用极限状态下采用标准组合值和准永久组合值。4.2.1～4.2.3本条规定了沉井结构设计中各项永久作用标准值的取值。现对沉井壁上的侧向土压力计算说明如下:1侧向土压力按朗金理论计算；2土的抗剪强度一般采用固结快剪或快剪的峰值作为指标；3对非砂性土，按抗剪强度相等的原则换算等效内摩擦角。4.3.1～4.3.5本条规定了给水排水沉井结构设计中各项可变作用标准值的取值。对正常使用极限状态按作用效应准永久组合设计时的准永久值系数，均根据工程实际情况或参照相关标准作出了具体规定。对地下水标准值也作了明确规定。第6页 5基本设计规定5.1.1、5.1.2条文明确了沉井结构构件均应进行承载力极限状态计算。对于承载能力极限状态设计除稳定验算外，均采用以概率理论为基础的分项系数设计表达式。5.1.3对使用阶段必须进行正常使用极限状态验算。当沉井结构构件为轴心受拉或小偏心受拉时，因全截面处于受拉状态，裂缝贯穿全截面，将对防渗、防漏和耐久性构成严重危害，故须按作用效应标准组合进行抗裂度验算。当沉井结构构件为受弯或大偏心受拉时，部分截面处于受拉，部分截面处于受压，故可按作用效应准永久组合进行裂缝宽度验算。对直接承受竖向传功装置设备的构件，为确保设备正常运行并满足感观要求和耐久性要求，应按准永久组合进行变形(挠度)验算。5.1.4沉井设计必须进行沉井下沉、下沉稳定性和抗浮稳定性验算。沉井一般靠自重克服壁外侧摩阻力下沉。当自重不足时可采取配重措施助沉。下沉系数不小于1.05时，能保证沉井顺利下沉。当为软土地基时，下沉系数不宜太大，如下沉系数过大，可能会发生超沉、突沉现象。下沉稳定性主要指，在下沉至设计标高时，由于地基土承载力弱，使沉井“刹车”不止，造成超沉，影响工艺流程。抗浮稳定主要是，在不排水下沉时，沉井已封底而底板尚未施工，井内水已抽空时为最不利。抗浮稳定性验算的地下水位取此阶段可能出现的最高水位。使用阶段的抗浮稳定性必须采用可能出现的最高水位进行验算。沉井的倾覆和滑移验算主要指，当沉井位于边坡时，沉井兼做挡土结构的验算。表5.1.4中，根据工程经验和有关标准给出的工作特征设计系数，实质是安全系数。5.1.5本条规定了沉井结构的地基计算所遵循的规范。当沉井下沉深度不大，上部荷载较重时，应考虑验算地基承载力。5.2.1这是以概率理论为基础的极限状态设计法中承载能力设计表达式的通式。5.2.2对第一个可变荷载应取其标准值，对其他可变荷载均取其组合值。同时根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069的原则，给出了具体可变荷载的分项系数和各种工况的组合。5.3.1对正常使用极限状态，沉井结构构件分别按效应的标准组合或准永久组合进行验算，以确保满足结构构件的运行要求、感观要求、尤其是耐久性要求。5.3.2～5.3.3对正常使用极限状态验算，按标准组合和准永久组合，分别给出了第7页 作用效应组合的一般计算公式，并结合沉井的情况明确应根据不同工况取不同作用项目。5.3.4～5.3.5条文列出了构件截面最大裂缝宽度限值与变形限值。抗裂度验算与最大裂缝宽度验算的计算公式，均按《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069的规定执行。第8页 6沉井下沉和结构计算6.1.1本规程所列摩阻力图式是传统的，如有地区的成功经验可进行调整。6.1.2根据工程实践经验，一般沉井多按结构自重克服摩阻力下沉。加载下沉只用于薄壁沉井，但当下沉发生困难时，也用作临时处理措施。在选择沉井下沉系数时，一方面要尽可能保证依靠自重下沉，同时又要防止结构自重过大导致超沉。6.1.3当沉井下沉系数较大或下沉过程中遇有软弱土层时，有可能会发生沉井突沉事故。如果沉井下沉稳定验算不能满足，需进行地基加固。公式(6.1.3)中的Rb值也可按修正后的地基承载力采用。6.1.4抗浮稳定验算时不计井壁外侧土体摩阻力的作用。考虑到实际上摩阻力存在，抗浮稳定系数下限取1.00是能够保证沉井抗浮稳定要求的。如果沉井较深，尚宜考虑摩阻力。考虑摩阻力的抗浮系数，一般应取1.15。6.1.5当封底混凝土与底板有可靠连接时，封底混凝土可作为沉井抗浮重量的一部分，通常的连接方式是使用插筋。封底混凝土与底板共同作用，目前尚无实例。6.1.8该条系参照《公路桥涵地基与基础设计规范》JTJ024—85第6.3.6条拟定。6.1.9沉井施工阶段的竖向拉断计算，系参照上海市工程建设规范《地基基础设计规范》DGJ08—11—1999第9.5.10条拟定。6.1.12对软土地基上设有底梁的沉井，下沉时考虑到底梁的切土作用或利用底梁作用防止突沉措施时，应对底梁进行下沉阶段的强度验算。梁下的地基反力设计值可取地基土极限承载力。6.1.13封底素混凝土厚度计算公式，系按《混凝土结构设计规范》GB50010附录A矩形截面素混凝土受弯构件承载力公式修改后导出:2γmfctbh6MM≤⇒h≥6γfbmct式中M——变矩设计值；γm——截面抵抗矩塑性系数，对于矩形截面，γm=1.75；fct——素混凝土抗拉强度设计值，取fct=0.6ft将各项取值代入，可得第9页 5.72Mh≥bft考虑混凝土与泥土互相掺杂的封底附加厚度后，实际封底素混凝土厚度可按下式计算:5.72Mh≥+hubft6.1.14封底混凝土板边缘处剪力较大，考虑到素混凝土强度较低，一般情况下应进行冲剪验算。6.2.1本条仅列出了圆形沉井下沉前采用四点支承情况的内力计算表达式。采用垫木支承的大型沉井，在下沉前支承点较多，应根据实际情况进行计算。当使用素混凝土垫层替代垫木支承时，应按弹性地基梁计算。6.2.2本条为沉井刃脚的内力计算规定:1刃脚向外竖向弯曲受力，一般在沉井抽除承垫木，且刃脚入土时最不利，此时沉井自重全部由刃脚支承。2刃脚向内竖向弯曲受力，一般在沉井下沉到设计标高且刃脚内侧已清土时最不利。此时刃脚外侧水平土压力最大。3当刃脚的设计构造用凹槽与底板连接时，应验算凹槽对截面削弱的影响。4刃脚的环向受力状态，按刃脚向外挠曲的模型计算。圆形沉井刃脚斜面上的水平推力尚对刃脚产生环向拉力。6.2.3圆形沉井一般不带隔墙下沉，当承受井壁外侧径向均匀土压力时，井壁中将不产生拉应力。实际上，下沉过程不可能很平稳，井壁上的土压力也不会很均匀，必然导致井壁出现一定的弯曲应力。假定在90°方向土摩擦角相差5°～10°，这是当前通用的简化计算方法。在计算时，一般对小型沉井或土质不均匀时，土壤内摩擦角差值取较大值，反之取较小值。6.2.7圆形沉井作为顶管工作井时，条文给出了壁后土抗力的分布图。该抗力假定在平面上按余弦曲线分布，竖向呈三角形分布，比《给排水结构设计手册》中推荐的在水平向和竖向均按矩形图式分布更为合理。6.2.8圆形沉井作为顶管工作井时，在顶推力作用下的井壁计算要考虑壁板后土抗力的作用。条文中提出了一种近似的方法，是近年来的工程经验总结。设计人员可以根据条文中的荷载分布简图进行土抗力近似计算。沉井后背土体稳定验算的公式，系参照上海市标准《市政排水管道工程施工及验收规程》DBJ08—220—90第5.4.8.1款的公式(5.4.8-1)，本规程对系数作了适当调整。第10页 6.3.1矩形沉井施工阶段的井壁竖向受力计算，须按沉井在施工过程中的传力体系合理确定计算图式，随后配置水平和竖直方向的两种钢筋。由于沉井形状各异，施工的具体技术措施亦不尽相同，因此应根据具体情况进行分析计算。对采用承垫木支承的矩形沉井，施工中实际的支承位置是复杂的，因此，对小型矩形沉井可按最不利的支承情况进行计算。对大型矩形沉井，若在一个方向上只考虑两点作为不利支承则与实际情况出入较大，布点时还应考虑砂垫层厚度和持力土层的地基极限承载力。6.3.3矩形沉井在下沉过程中刃脚受力较为复杂。刃脚刚切入土中时受到向外的弯曲作用，挖空刃脚下的土后，刃脚又受到外部的水土压力作用而向内弯曲。根据结构分析，可以认为刃脚把一部分力以悬臂梁作用传到刃脚根部，另一部分由本身作为一个水平闭合框架而负担。因此，可以把刃脚看成在平面上是一个水平闭合框架，在竖向是一个固定在井壁上的悬臂梁。水平荷载的分配系数要根据悬臂和水平框架两者的变位关系确定。6.3.4矩形沉井作为顶管工作井时，顶推力作用下的壁板计算要考虑壁板后土抗力的作用。本条是近年来的经验总结，设计人员可以根据条文中的荷载分布简图进行土抗力的近似计算。现对顶力作用下土抗力的公式推导如下:单根顶管通常处于单格井结构水平中心的位置，土体抗力在水平方向均匀分布，沿高度方向三角形分布(图6.3.44)。根据力的平衡原理，顶力应与土抗力平衡，二个合力作用点相同，土抗力作用高度H=3hf。1可整理得：P=•q•H•ltmax122Ptq=max3lh1f2式中qmax——土体对井壁的最大抗力(kN/m)；Pt——顶管对井壁的总顶力设计值(kN)。6.3.5对于顶管位不在结构水平向中心的双格井，顶力作用引起的两个方向土抗力的公式可推导如下(图1、图2):根据图示压力分布，假定L=3ly沿井高线性变化q=q(1−)ymax3hfL3hf9•hf•lP=qd=•qt∫yymax204第11页 4•Ptq=max9•h•lf第12页 7构造要求7.1.1矩形沉井的长宽比不宜大于2的限定，主要是考虑沉井空间刚度和满足沉井下沉稳定控制的需要。在有经验时可放宽，但应有相应的构造和施工措施。7.1.2满足本条要求的沉井，下沉把握大；不能满足要求时，则设计和施工方面均应采取措施。7.1.3沉井分节制作时，上节井壁混凝土的收缩与下节不一致，须采取措施予以控制。一般矩形沉井的井壁长度大于50m或圆形沉井的直径大于40m时，均须采取措施。措施中包括设后浇带、用补偿收缩混凝土和增加水平钢筋等。7.1.5当沉井在硬土层中克服土摩阻力下沉时，沉井外壁外层钢筋的混凝土保护层宜适当加大。7.2.2筑岛材料的选用应与挖土方式相适应。若采用水力机械下沉，填筑的砂中不宜夹有砾石。7.2.3沉井起沉标高应在水位以上，以满足浇筑混凝土的要求。如水位高于沉井起沉标高，应采取筑岛、围堰或降水措施。7.2.6刃脚的长度须满足封底混凝土厚度的要求。封底前有可能发生涌土时，刃脚长度还需满足井底土体稳定的要求。7.2.8除用井点降水外，水下封底混凝土中埋设的排水管也能起降水泄压作用，管道布设、直径等应满足泄压的要求。7.2.15顶管工作井受顶力作用的壁板凹槽，要设插筋同底板连系，防止顶力造成底板同井壁脱离。7.2.19井壁框架柱向井外凸，对下沉不利。7.2.20本条文所列井壁预留洞尺寸是最小尺寸，设计时需根据实际情况确定。第13页'