1中通服咨询设计研究院有限公司江苏南京210019；2江苏南京地质工程勘察院江苏南京210041
摘要：负压下沉法对沉井基础侧摩阻力的削弱作用很小，对沉井基础端部摩阻力的削弱作用也有限。桥梁工程的沉井一般都是深下沉非薄壁基础，因此要想在这类基础上应用和推广负压下沉技术，必须在满足沉井设计施工要求的前提下，尽可能让负压下沉法发挥出最大的助沉效果。在沉井基础模型试验基础上，对沉井基础的负压下沉技术做一些有益的探索，验证了沉井基础真空负压下沉方法的可行性。
关键词：负压沉井；渗流场；下沉阻力；真空度；力学分析
引言
沉井基础是以沉井法施工的地下结构物和深基础的一种型式。先在地表制作成一个井筒状的结构物，然后在井身的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构。由于沉井顺应了发展中国家对一些基础工程的投资少及建筑工程设计兼顾基础和防护工程的联合使用的要求，随着施工技术和施工机械的不断革新，在国内外都得到了更加广泛的应用和发展并且在软土地下建筑物的深基础施工中占有越来越重要的地位，在防护工程的建设也多采用。本文以马鞍山长江公路大桥D#沉井为试验对象来进行探讨。
1工程概况
1.1试验对象
本次试验的对象为马鞍山长江公路大桥D#沉井，沉井外径6.0m、壁厚0.8m、总高度38m，顶标高+3.0m，底标高-35.0m。D#沉井采用负压技术下沉，预留空气幕系统助沉，确保沉井基础的顺利下沉。
根据《马鞍山长江大桥南锚锭区地勘报告》，D#沉井所在位置的具有代表性的地质情况参考地质柱状图1：
1.2试验原理
真空负压下沉工作原理为在沉井顶设置装有抽气管的密封盖，利用大功率真空泵抽出沉井内空气以形成负压。在沉井内外压力差引起的负压驱动下沉力作用下，结合由渗流作用引起的减小沉井侧摩阻力及端阻力的效果，使沉井结构能够在自重与负压作用下顺利的下沉。
图1D#沉井原位地质柱状图
2沉井基础负压下沉的力学分析[1]
沉井基础负压下沉时，顶端封闭、底端敞开并靠自重插入水底泥面以下，形成一个封闭状态的内腔后借助设置在顶端密封盖上的抽气管，利用大功率真空泵抽出沉井内空气以形成负压，锚筒便可以不断的被压入土中，直至沉井下沉至设计标高为止。
负压沉井下沉力学模型中可以看出，沉井下沉时的下沉阻力由沉井内外壁与土体的摩擦阻力和沉井底部端阻力组成。设计过程中重要的是完成下沉阻力中的摩阻力与端阻力的计算。对于实际工程中成层土体分析时，首先要确定各层土体的单位极限摩阻力f及端阻力q。
以下给出了几种比较常用的确定方法：
1.土体资料确定法
根据试验得到的岩土体性质基本参数，通过规范推荐公式计算确定。负压助沉技术在海上钻井平台等基础施工中的使用较多。考虑到本工程的实际情况，确定其下沉阻力的问题，参考美国石油学会的《APIRP2A：2000RecommendedPracticeforPlanning，DesigningandConstructingFixedOffshorePlatform—WorkingStressDesign》[2]规范的相关内容。
M.Tomlinson在自己的论著[3]中总结了英标及欧洲规范的一些结论，也推荐使用类似公式通过土工试验资料确定岩土体的单位摩阻力和端阻力。他特别指出在基础入土深度相对较短且受到外荷载不大时，上述方法的计算结果具有较高的可信度。海洋工程中常用的筒形基础下沉时助沉压力不大、筒体入土深度不大，可以采用上述方法来确定下沉阻力。
2.综合值确定法
根据工程地质勘查中各类原位试验值综合确定岩土体的单位摩阻力及端阻力的方法。原位试验一般包括标准贯入试验（SPT）、静力触探试验（CPT）以及载荷试验等等。根据实测结果并且结合当地的工程地质勘察经验，给出合理的综合确定值。沉井基础的下沉阻力[4]为沉井壁摩阻力和沉井底部端阻力之和。下沉阻力的计算应基于土壤测量的结果，最好是原位触探结果。但由于不同的下沉速度、渗流性质及基础几何形状，故在计算下沉阻力时存在一些不确定的因素。用折减系数法公式来计算下沉阻力：
第一阶段真空负压施工实施过程：焊接内支撑、加工密封盖、沉井内壁浇筑密封盖支撑混凝土圈梁、圈梁顶面涂抹密封沥青、密封盖封堵、抽气管及洗砂导管管道处理、真空泵及管道安装、空压机及空气幕管道安装。准备工作完成后，沉井内吸砂至刃脚底，拆除吸砂导管并密封开孔，开启真空泵抽气下沉，下沉完毕后进行吸砂施工，如此循环。第一阶段的真空负压试验结果如表2所示。
第一阶段试验主要进行了两个完整的循环过程。两次下沉时真空度控制在60%和70%时，下沉稳定，对应的下沉值分别为8cm和10cm。下沉效果不太理想，并且由于沉井端部进入砂层，发现真空负压下沉时沉井底部产生大量的涌砂，涌砂增加了沉井内壁下沉摩阻力。因此下一阶段试验时需要记录涌砂高度，分析真空负压值与涌砂量之间的关系，计算出试验需要的合理控制负压值。下一阶段真空负压实施过程中还需考虑改进技术方法进一步提高真空度。提高真空度可以增大沉井壁及端部土体中水的渗流[6]作用，起到理想的减阻作用，从而取得较好的下沉效果。
3.2第二阶段真空负压试验
第二阶段真空负压下沉分为以下两步进行：第一步是负压下沉装置安装完成后进行吸砂，吸砂完毕进行井内抽水，再抽气形成真空度进行负压下沉；第二步是在沉井顶面预安装4.25m高的外模，模内可以填入砂子就可增加配重70t，之后再按第一步的施工顺序实施。该阶段真空负压试验结果如表3及图4所示。
图4下沉值与真空度关系散点图
沉井真空负压下沉试验未达到预期的理想效果。在前一阶段试验的基础上改进试验设备条件提高真空度以及沉井顶部施加少量配重的同时，下沉效果没有得到明显的改进。其中80%的下沉值在5cm～10cm范围内，20%的下沉值在5cm以下。真空度控制在85%～95%范围内时，沉井底部涌砂现象明显，增加了沉井内壁的侧摩阻力作用，使得下沉更加困难。
3.3沉井负压下沉阻力的计算
沉井下沉阻力计算参考第二阶段真空负压试验的结果，同时为了方便计算渗流场及下沉力来确定下沉阻力及减阻效果，因此，假定沉井内部真空度恒为90%。当真空度90%时，通过内外气压力差形成的沉井顶盖等效下沉驱动力1370kN。下沉力的计算包括负压等效下沉驱动力和沉井浮重两个部分。
以第二阶段真空负压试验数据为基础，计算沉井结构入泥深度34m，涌砂高度4m，沉井内部抽水抽气后真空度90%的条件下，利用公式6计算负压下沉过程中的下沉阻力，得到下沉阻力为24550kN，进而求得下沉系数为0.38。由于《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137：2002）中的钢筋混凝土沉井的设计方法，下沉系数要求不小于1.05才能确保沉井的顺利下沉。故本次试验的沉井不能连续顺利的下沉。
4结论
根据本次沉井真空负压下沉试验，可得到的结论如下：
（1）沉井结构内部真空度大小有限，真空度从第一阶段的60%～70%提高至95%，下沉效果没有明显改善，说明负压作用下的减阻作用并不理想；
（2）抽真空过程中沉井下沉1cm～10cm，下沉值不稳定，抽真空过程涌砂现象显著；
（3）防涌砂措施未使用前，沉井底部涌砂高度在1.5m～4.5m，使用后涌砂高度在0.5m～1.5m，防涌砂措施效果理想，在吸砂过程的同时也可以减少涌砂的发生；
（4）沉井不能连续下沉，采用真空负压助沉方法有效果但是效果与预期有差距，在桥梁工程以及其他深基础工程中的推广使用还有许多亟待解决的问题。
参考文献：
[1]给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程（CECS137：2002）[S]．北京：中国工程建设标准化协会，2003
[2]陈晓平，茜平一，张志勇．沉井基础下沉阻力分布特征研究[J]．岩土工程学报，2005，27（2）：150—151
作者简介：
王雷，硕士研究生，工程师。