宁波市给排水工程设计研究院 315000
摘要：在大型沉井下沉的过程中，影响其下沉可行性的主要因素有两个方面，一是下沉过程的摩擦阻力；二是位于大型沉井底部的阻力，这两个方面的因素综合的结果会决定沉井下沉的总体状态，传统的研究模式是以大直径和中小型沉井为主要的研究对象，其研究结论已经不适合现代社会发展的需要。本文通过对大型沉井基础下沉的原理和下沉过程中所受到的阻力进行分析，对不同地基状况的沉井进行研究，对比随着大型沉井下沉深度的变化其地面和周围井壁的磨擦阻力的情况，希望通过对比和研究的结果能够为大型沉井工程提供一定的借鉴。
关键词：大型沉井；下沉阻力；侧壁阻力
沉井工程国内外都有着悠久的发展历史，在国际上，沉井最早的出现是基于掘井作业而出现的一种工程类别。在古文明时代，著名的罗马帝国的泰伯桥就是采用了沉井施工的方式，同时在欧洲的很多国家的水利工程中河堤建筑中都是采用沉井方式进行施工。我国对于沉井工程的发展也有一百多年的历史，大型沉井是深水作业的基础，所以，对于沉井下沉阻力的研究于很多行业和工程都具有极强的现实意义。
一．大型沉井工程的基本概况
（一）沉井工程的必要条件
沉井工程进行的首要基础是要保证工程进行的平稳性，在沉井下沉的过程中，会受到来自各方的阻力，主要包含顶部和井壁周围。其次，在其下沉的过程中，周围施工环境复杂、多样，并且随时处在变化中，所以沉井在不断下降的过程中，受到的阻力分布也是不同的。以上每一个因素的变化都会影响沉井下沉过程的承载分布情况，整个下沉过程始终都是一个与各方面力量相作用的过程。
（二）沉井工程的实施基础
沉井工程开展的物质条件一般是以钢筋混泥土为基本的架构，制成一个类似于井筒状的桶装结构，这种物质组成的条件是随着施工工艺和技术的不断发展逐渐演变而来的，在目前的水利工程和深水工程中被广泛的应用。沉井工程的效果和能够顺利进行主要决定于沉浸下沉过程中井壁所产生的磨擦阻力，这是历年来各方学者和施工单位都比较关注的问题，关于阻力的大小，也是工程开展中比较严峻的问题。
二．大型沉井下沉的作业流程
大型沉井在下沉时的主要阻力的来源于井壁，随着沉井工程的不断进行，来自于井壁的阻力也随之发生变化。传统的对于井壁的阻力研究分析主要有以下两个方面：第一，当沉井的周围井壁是直线状的井壁时，其磨擦阻力随着工程的进行会不断的增加，在下沉到5米的时候会达到阻力的最大值，在下沉到5米之后的阻力会保持一个平稳的数值。第二，当沉井的周围是阶梯状的井壁时，随着下沉深度的增加，在5米的深处时为磨擦系数0.5-0.7。近年来，随着工程种类的增加和工程多样性的发展，原来的理论公式和相应的行业规范，已经不满满足工程实际的发展需要。
要满足现代实际工程的需要，必须要对大型沉井的下沉阻力进行新的分析和总结。以下是以世纪大桥为例进行的阻力实验分析。
（一）工程的概况
世纪大桥位于我国南部某市的一处入海口，全桥的长度大约有两千六百六十三米，其中主跨长有三百四十米，在整个桥体中有两个桥墩。其主桥的性质为混凝土边主梁的斜拉桥，主桥长度为六百三十六米，宽度大约三十米。其中实际大桥有南北两个引桥，其长度为一千米和五百二十米，桥体的总高度约为二十四米，大桥的两个桥墩均是采用沉井基础进行建设的，由于该项工程是在海上作业，沉井的下部是采用的钢壳，内部浇筑混凝土，钢壳下部的厚度大约一米六，上部的厚度在一米四，在深处为5米的地方有一处20厘米的台阶，沉井整体为钢筋混凝土的结构，其沉井井壁为台阶状。
（二）沉井的下沉曲线
在该项工程中，沉井的基础在下沉的过程中保持不排水吸泥下沉，如果在下沉的过程中遇到石块等情况造成下沉的困难，采用潜水钻机破碎的辅助手法进行沉井作业。
通过对不同作业面的不同阻力进行分析。首先，在第一次下沉中，下沉的深度为5.9米，其中土层的主要特点是回填土、淤泥等软土层，土质比较松软，利用下沉作业的进行，下沉的平均速度保持在0.33m/d；进行第二此下沉作业的深度为7.3米，此时累积两次的下沉作业的深度是13.2米，本次下沉过程中主要的土层为细砂层和粗砂层，在这个阶段下沉作业时遇到的阻力是比较大的，下沉的总体速度相较于第一次下降时有段减缓，平均下沉的速度为0.17m/d；再进行第三次下沉作业，本次下沉的深度为9米，结合前两次的下沉作业，累积的下沉深度为22.8米，这个阶段下沉主要是通过细砂层和粘土的交互地带，下沉时所遭受的阻力较前两个阶段都有所增加，基本上要通过大直径的吸泥机的辅助才能实现下沉作业，整个的下沉过程十分缓慢，其平均的下沉速度只有0.07m/d.
三．下沉作业阻力的分布特征
（一）井壁的阻力分析
在沉井下沉的过程中，每次下沉过程中所受到的来自井壁的压力都有所不同，通过对井壁压力的计算，可以得出如下的结论：当沉井作业下沉的深入比较浅的时候，井壁的阻力跟下沉的深度之前是呈现一种线性的关系，在沉井作业不断的进行中，在穿过第二个阶段时的细砂层其阻力会一致增加。也就是井壁的侧阻力随着下沉的深度而逐渐增加，当下沉到一定深度之后，侧阻力的磨擦会达到一个最高值，在这个深度之后进行下降，侧阻力会随着井壁深度的增加而呈现逐步减小的趋势；并且随着沉井深度的进一步增加，其磨擦阻力基本保持在一个平稳的数值，不再出现变化（图1）。
图1 不同下沉深度时侧摩阻力的分布图
（二）底部刃脚的阻力分析
通过对三次沉井作业的数据分析，可以得出以下的分析结果。在沉井作业过程中，随着下沉的不断进行，来自于底部的刃脚阻力主要是由周围的土质环境所决定的。当周围的土质环境为粘土和细砂层的交互层时，底部的刃脚压力会出现一个较大的浮动。当周围的土层是均质土的环境时，其底部的阻力会随着下沉深度的增加也有所增加，同上述的井壁阻力值一样，这个阻力在达到一定的高度时就会到达极限，不会一致无限的增加下去，并且这个底部的阻力在下沉作业的总体阻力占比中会随着下沉深度的增加而逐渐缩小。
结语
综上所述，沉井作业是深水工程得以开展的基础。而在沉井基础作业中，下沉阻力的分布和大小是沉井作业是否能顺利进行的首要保障。在实际的工程施工中，要有符合工程状况的计算模式和科学依据，对沉井作业的各个阶段的阻力进行科学合理的计算，同时对各个下沉阶段阻力的分布和构成情况进行分析，这些是对工程的安全性和经济性进行综合评价的基础。保证沉井工作安全、有序的进行，是深水工程的基础，同时也是保证整个工程工期的有效因素。本文是在世纪大桥具体的施工过程中，进行跟踪分析，并依靠施工过程出得到的不同状态不同环境下的数据和资料的基础上进行分析和计算的，对于大型沉井的下沉阻力进行了初步的分析。分析过程主要是通过对不同土层不同结构下沉条件下沉井作业的作用机理和受力特性等进行分析，同时结合沉井过程中的周围环境，得到了大型沉井下沉过程的相关阻力数据和分析结果，希望能够为今后类似的深水工程在具体的施工中提供一定的参考价值。
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论文作者:徐志欢
论文发表刊物:《基层建设》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/12
标签：沉井论文; 阻力论文; 作业论文; 井壁论文; 工程论文; 深度论文; 过程中论文; 《基层建设》2017年第13期论文;