1、地地 下下 结结 构构 工工 程程 第8章 沉井基础 n8.1 概述 n8.1.1 沉井基础的特点及其应用范围 n是以沉井法施工的地下结构物和深基础的一种 型式。 n先在地表制作成一个井筒状的结构物（沉井）， 然后在井壁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。 n广泛应用于桥梁、烟囱、水塔的基础； n水泵房、地下油库、水池竖井等深井构 筑物和盾构或顶管的工作井 。 n技术上比较稳妥可靠，挖土量少，对邻 近建筑物的影响比较小，沉井基础埋置 较深，稳定性好，能支承较大的荷载。 8.1.2 沉井的分类 n（1）按下沉环境可分为陆地沉井
2、（包括在浅 水中先筑岛制作的沉井）和浮运沉井； n（2）按沉井构造形式可分为独立沉井和连续 沉井 ； n （3）按沉井平面形式可分为圆形、椭圆形、 正方形、矩形和多边形等；也可分为单孔和多 孔沉井（见图8-1）； n（4）按沉井制作材料可分为混凝土、钢筋混 凝土、钢、砖、石以及组合式沉井等。 沉井按平面形式分类 na圆形单孔沉井；b正方形单孔沉井；c矩形单孔沉井； nd矩形双孔沉井；e椭圆形双孔沉井；f矩形多孔沉井 8.1.3 沉井的设计原则 n结构简单对称，受力合理，施工方便。 n沉井的长短边之比越小越好，以保证下沉 时的稳定性。 n一般沉井应分节制作，每节高度不宜大于 5m。 n沉井底节高
3、度应满足拆除支承时沉井纵向 抗弯要求之外，在松软土层中下沉的沉井， 底节高度不宜大于0.8b 。 8.1.4 沉井的施工步骤 沉井施工步骤示意图 8.2 沉井构造 n沉井组成： n刃脚、 n井壁、 n内隔墙、 n取土井、 n凹槽、 n封底、 n顶板 1）沉井刃脚：作用在于减少沉井下沉阻力 a混凝土刃脚；b设角钢的刃脚；c尖刃脚 2）井壁主要承担井外水土压力和自重的部分 n设计时通常 先假定井壁 厚度再进行 承载力验算 ； n井壁厚度 n一般为 0.81.5m； n na）、（b）竖直的；（c）、（d）台阶形的； n（e）锥形的；（f）倒锥形的 n图8-5 沉井外壁的形式 3）内隔墙 n加强沉井
4、刚度、缩小外壁计算跨度，同时又 将沉井分成多个取土井，便于掌握挖土位置 以控制下沉的方向 ； n内隔墙的间距一般不大于56m，厚度一般 为0.51.0m。 n一般要求隔墙底高出刃脚底面0.51.0m。 4）取土井 n位置：取土井的平面布置应与中轴线对 称，以利于沉井均匀下沉； n大小：由取土方法而定，采用挖土斗取 土时，应能使挖土斗自由升降，最小边 长不宜小于2.5m。 n处理：以素混凝土、片石混凝土或砌片 填充。 5）凹槽 n为了封底混凝土嵌入井壁，形成整体，使 传至沉井壁上的力能更好地传递给封底混 凝土底面。 n遇到意外困难，还可在凹槽处浇筑钢筋混 凝土盖板，将沉井改为沉箱。 n尺寸：凹槽
5、深约0.150.25m，高约1.0m左 右，其距刃脚底面一般在1.5m以上。 6）射水管组、探测管、气管 和压浆管 n射水管组：压入高压水把井壁四周的土 冲松，以减少摩擦力和端部阻力。 n高压水水压一般不小于0.6MPa，每一水 管的排水量不小于200L/min； n探测管：探测刃脚和隔墙底面下的泥面标高， 清基射水或破坏沉井正面土层以利下沉； n气管：空气幕下沉沉井 ； n压浆管：埋设压浆管 7）封底 n渗水率小于6mm/min时，排干水后用C15 或C20普通混凝土浇筑； n当井中的渗水率大于6mm/min时，宜采用 导管法浇注C20级水下混凝土封底。 n厚度按其承载力条件计算确定，一般其
6、顶 面应高出凹槽0.5m。 8）顶板 n以混凝土填心的沉井可用素混凝土顶板； n空心或以其他松散料填心的沉井需用钢筋混 凝土顶板，厚度一般为1.02.0m ； n排水下沉的沉井，其顶面在地面或水位以下 时，应设挡土防水墙连接在井壁的顶部。 8.3 沉井结构设计计算 n8.3.1 下沉系数计算 n验算沉井自重是否能克服下沉时土的摩 阻力 ，用下沉系数k表示 ： 25. 115. 1/ R Gk iiiR fuh 表8-1 沉井井壁与土体之间的摩阻力f（kPa） 土的种类 粘性土砂性土 砂卵 石 砂砾石软土泥浆套 f(kPa)2550122518301520101235 摩擦力分布 n假定从地表到
7、5m深 度范围内，单位摩阻 力按直线规律由零增 加至最大值； n超过深度5m以后取 常数值 8.3.2 沉井底节验算 n刃脚下的支承位置 不断在变，三种情况： n1）在排水或无水情 况下下沉沉井 2）对于不排水下沉的沉井 n（1）假定底 节沉井仅支承 于长边的中点 （2）假定底 节沉井支承于 短边的两端点 本讲要点 n了解沉井构造； n掌握下沉系数计算。 n沉井底节验算 8.3.3 沉井井壁计算 n沉井井壁应进行竖直和水平两个方向的 内力计算。 n1）竖直方向 n在沉井的下沉过程中，当沉井被四周土 体箝固着而刃脚下的土已被掏空时，应 验算井壁接缝处的竖向拉应力。 n接缝处：混凝土不承受拉应力而
8、由接缝处 的钢筋承受，此时钢筋的抗拉安全系数可 采用1.25；同时并须验算钢筋的锚固长度。 n井壁摩阻力可假定沿沉井全高按倒三角形 分布，即在刃脚底面处为零，在地面处为 最大，此时最危险的截面在沉井入土深度 的1/2处 沉井外侧直立时的井壁 受拉计算图 n按公路桥涵地基与基础设计规范， 最大竖向拉力Plmax为此时沉井全部重力 G的1/4，即 n实际工程中，沉井被卡住较为常见，也 出现过被拉裂的沉井 。 4/ max GP l n验算建议值 表8-2 沉井竖向拉力计算及其最小配筋率 沉井施工 状态 沉井结构或受其影响建筑物的安全 等级与拉力计算取值 纵向钢筋最小 构造配筋率 一级二级三级 钢筋
9、混凝土最 小配筋率不宜 于少0.1%；少 筋混凝土不宜 少于0.05% 排水下沉0.50G0.30G0.25G 不排水下 沉 0.40G0.25G0.20G 泥浆套中 下沉 0.30G0.25G0.20G 2）水平方向 n根据排水或不排水的情况，沉井井壁在水 压力和土压力等水平荷载作用下，应作为 水平框架验算其水平方向的挠曲。 n（1）验算刃脚根部以上，其高度等于该处 井壁厚度t的一段井壁，依此设置该段的水 平钢筋。 计算简图 QEWq t WW W 2 t EE E 2 Q由刃脚传来的剪力，其值等于求 算刃脚竖直外力时分配于悬臂梁上的水平力（kN/m）。 w hW w hW 3 2t WW
10、WW 3 2t EE EE n（2）其余各段井壁的计算，可按井壁断面 的变化,取每一段中控制设计的井壁（位于每 一段最下端的单位高度）进行计算。 n上部井段按照作用在水平框架上的均布荷载 q=W+E。然后用同样的计算方法，求得水 平框架的最大弯矩M、轴向压力N、剪力Q， 并据此设计水平钢筋。 8.3.4 沉井刃脚验算 n沉井刃脚部分可分别作为悬臂或水平框架验 算其竖向及水平向的弯曲强度。 1）按悬臂梁计算刃脚竖直方向 的挠曲强度 n此时，刃脚根部可以认 为与井壁嵌固，刃脚高 度作为悬臂长度，并可 根据以下两种不利情况 分别计算： n（1）当沉井下沉途中， 刃脚内侧已切入土中深 约1m; n沿井
11、壁的水平方向取一个单位宽度，计算 作用在刃脚上的土压力E和水压力W。 n作用在井壁单位宽度上的摩阻力T，取其 最小值 EEET5 . 0tg AT n刃脚下单位宽度上 土的垂直反力 TGRv 刃脚斜面上的土反力 21 VVRv b a b a V V2 2 1 2 1 h at b 联立方程式即可求得V1和V2。 作用在刃脚斜面上的水平反 力U可按下式计算： nU的作用点在距刃脚底面1/3高处。 )(tg 2 VU 刃脚重力g按下式计算： n求得作用在刃脚上的所有外力的大小、方向和 作用点之后，即可求算刃脚根部处截面上每单位 周长内（井壁）的轴向压力N、水平剪力Q及对 截面重心轴的弯矩M。并据
12、此计算在刃脚内侧的 钢筋（竖直）数量。 2 at hg h （2）当沉井已沉到设计标高，刃脚 下的土已被掏空，这时刃脚处于向内 挠曲的不利情况， n计算刃脚外侧的土压力和水压力。 n由于刃脚下的土已被掏空，故刃 脚下的垂直反力Rv和刃脚斜面水平 反力U等于零 n作用在井壁外侧的摩阻力T n刃脚计算时重力g与前面相同 n计算在刃脚外侧的钢筋（竖直） 数量 2）按封闭的水平框架计算刃脚 水平方向的挠曲强度 2 1 16 1 qLM 2 1 2 NqL 1 2 1 qLQ n作用在刃脚侧面上的水平外力将由悬臂 梁和框架来共同承担。 n分配系数公式如: n悬臂作用 : n框架作用 : 1 05. 0
13、01 4 1 4 4 1 Lh L 4 2 4 4 05. 0Lh h 本讲要点 n掌握: n沉井井壁计算 n沉井刃脚验算 8.3.5 沉井封底计算 n封底混凝土在基底反力作用下，将其当 作支承于刃脚斜面及隔墙上的周边支承 板考虑； n支承情况（简支或嵌固）和计算强度在 设计中应视具体情况而定。 1）规定 n（1）封底混凝土应承受基底水和土的向 上反力，此时混凝土的龄期不足，应降低 容许应力； n（2）混凝土填实时，计入井孔内填充物 的重力； n（3）封底混凝土的厚度，一般不宜小于 1.5D； 2）干封底及有关计算 n（a）下有足够厚粘土层； n（b）待底板达到足够强度后方停止降水 n沉井可干
14、封底的情况 （1）沉井刃脚停留在不透水粘 土层中； n不透水粘土层的厚度 ： nA沉井底部面积（m2）； n 土的有效重度（即浮重度）（kN/m3）； n 刃脚下面不透水粘土层厚度（m）； n c粘土的粘聚力（kPa）； n U沉井刃脚踏面内壁周长（m）； ww HAcUhhA h n（2）在沉井内设吸水鼓并有良好滤层的 情况下降水，一直降到钢筋混凝土底板 足够承担地下水回升后的水土压力，方 可拆除并封闭降水管，在这种情况下， 可采用干封底。 3）水下封底混凝土的厚度计算 封底要求是： n（1）按最不利情况混凝土厚 度 ：即在沉井封底后，将井 内水排干，在钢筋混凝土底板 尚未施工前 。 n（2
15、）水下封底混凝土最好不 让其中出现拉应力。分配线相 交于素混凝土封底上，可以认 为不承受拉应力。 n中央锅底挖深可形成倒拱。 若出现拉应力，计算方法： n注意计算跨度； n周边简支支承的圆板在承受均匀荷载 时，可计算板中心的最大弯矩值： n周边简支支承的双向板在承受均布荷 载时，计算跨中弯矩Mx和My： 2 22 max 2 . 0) 65 1 3( 16 )3( 16 pr prpr M 2 qLaM xx 2 qLaM yy 简支支承双向板计算简图 n求出弯矩值后，封底混凝土的厚度 n 考虑封底混凝土因与井底泥土掺混需要增加 的厚度，宜取0.30.5m；若基底采取铺块石或碎石灌 浆抹平处理
16、后再封底，可不考虑此增加值。 u t m t h bf FM h 5 . 3 u h 封底混凝土剪应力计算 n应加大封底混凝土的 抗剪面积。 n如在井壁和隔墙内设 置凹槽等。 8.3.6 沉井底板计算 n1）底板荷载计算 nA：沉井结构的最大自重除以沉井外围 n底面积的商，不计井壁侧面摩阻力。 nB：假定水压力全部由钢筋混凝土底板承受。 n土反力和水压力中数值较大者 2）沉井底板内力计算 n内力可按单跨或多跨板计算 ; n边界支承条件 ,根据具体情况决定 ; 8.3.7 沉井抗浮稳定验算 n可能出现的最高地下水位进行验算 ,一般 的沉井依靠自重获得抗浮稳定。 n在不计井壁摩阻力的情况下，抗浮稳
17、定 验算公式为： 05. 1/BGK f 8.3.8 沉井下沉对周围环境的 影响 n 1）影响范围的确定 n采用土坡稳定计算方法乘以重要性系数 n 影响范围内建筑物安全等级的重 要性系数 ) 2 45(tg HL 表8-4 沉井下沉影响范围内建筑物安全等级的重要性系数 重要性系数 建筑物安全等级一级二级三级 2.52.01.8 2）减少沉井对周围土体破坏 的措施 n（1）增大沉井的下沉系数; n使沉井刃脚插入土中0.5-3.0m，以阻止土体从 井外向井向涌入。 n（2）在粉细砂土层中下沉沉井时; n事先压浆固结 ;使粉细砂土固结后 n （3）如沉井外流砂等固结困难时，也可采用 不排水下沉沉井 ; n（4）及时进行回填 n（5）沉井等地下工程施工前应作好充分 准备，施工速度要快 ； n（6）沉井下沉影响范围内的重要建筑物 应采取桩基或地下连续墙等加固措施， 防止土体破坏向建筑物方向延伸。 本讲要点 n掌握:沉井封底验算 n掌握沉井底板计算方法； n了解沉井下沉影响及处理措施。
