1、第五章第五章 沉井基础沉井基础?第一节第一节概概 述述第二节第二节沉井的构造及施工工艺沉井的构造及施工工艺第三节第三节沉井的设计与计算沉井的设计与计算2020/4/71第五章第五章 沉井基础沉井基础第一节、概第一节、概 述述1.1.工作原理工作原理沉井基础是井筒状的结构物，它是从井内挖土、依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底并填塞孔，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。2.应用范围应用范围桥墩、锚碇、矿用竖井、地下泵房、水池、油库、地下设备基础、盾构隧道、顶管的工作井和接收井等。如：南京长江大桥9个桥墩中的6个，江阴长江大桥悬索桥主缆的北锚碇均采用了沉井基础方案。20
2、20/4/722020/4/73江阴长江大桥(2019年)北锚沉井工程在大桥建设中属A标段工程，是整个大桥工程中的重中之重。沉井平面长69米，宽51米，下沉深度为58米，相当于九个半篮球场那么大的20层高楼埋进地底下，比美国纽约费雷泽诺桥(Verrazano,1964年)的锚碇沉井还要大。费雷泽诺桥的沉井体积为15万立方米，而江阴长江公路大桥北锚沉井体积为20.4万立方米，堪称世界最大沉井。按设计要求，这样的沉井要穿过粉细沙土层、粉质粘土层（硬土层）、粗沙砾石层，其难度可想而知。此锚碇要承担大桥主缆6.4万吨的拉力。如果锚碇向前位移一厘米，高达192米的塔墩就要偏移6厘米，重达1.8万吨的桥面
3、就要下降12厘 米。如果发生左右位移，整个设计方案就会前功尽弃。2020/4/742020/4/752020/4/762020/4/773.沉井基础的特点沉井基础的特点埋置深度可以很大，整体性强、稳定性好，有较大的承载面积，能承受较大的垂直荷载和水平荷载；沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水围堰结构物，施工时对邻近建筑物影响较小且内部空间可资利用。4.沉井的缺点沉井的缺点施工期较长；对粉细砂类土在沉井内抽水时易发生流砂现象，造成沉井倾斜；沉井下沉过程中遇到的大块石、树干或井底岩层表面倾斜过大，均会给施工带来一定困难。2020/4/78第二节第二节 沉井的构造及施工工艺沉井的构造及施工工艺一、沉
4、井的组成构造一、沉井的组成构造沉井按平面形状可分圆形、矩形、圆端形等，根据井孔的布置方式又有单孔、双孔、多孔的。2020/4/791.井壁在下沉过程中，沉井井壁必须承受水土压力所引起的弯曲应力，以及要有足够的自重，克服井壁摩阻力而顺利下沉到达设计标高。设计时通常先假定井壁厚度，再进行强度验算。井壁厚度一般为0.41.2m。井壁可有等厚度的直壁式和阶梯式（图5-5）两种。2.刃脚井壁刃脚底部应做成水平踏面和刀刃（图5-6）。刃脚作用是冲切硬土，以减小下沉时的端部阻力。踏面宽度一般为1020cm，内侧倾角一般为45?60?，刃脚高度当沉井湿封底取1.5m 左右，干封底取0.6m 左右。2020/4
5、/7102020/4/7112020/4/7123.内隔墙内隔墙的主要功能是增加下沉时的沉井刚度、减小井壁跨径以改善井壁受力条件、使沉井分隔成多个取土井后挖土和下沉可较为均衡，以便于纠偏。内隔墙的底面一般比井壁刃脚踏面高出0.51m，以免土顶住内墙妨碍下沉。隔墙的厚度一般为0.5m 左右，隔墙下部应设0.81.2m 的过人孔，以便于人与施工机具的转移。4.井孔井孔是挖土排土的工作场所和通道。井孔尺寸应满足挖土机具能自由升降，宽度（直径）不宜小于3m。井孔布置应对称于沉井中心轴，便于对称挖土使沉井均匀下沉。2020/4/7135.封底及浇筑底板当沉井下沉到设计标高，经检验和坑底清理后即可进行封底
6、。封底可分干封和湿封（水下浇灌混凝土），有时需在井底设有集水井后才进行封底。待封底素混凝土达到设计强度后，抽干积水，再在其上浇筑钢筋混凝土底板。为了使封底混凝土和底板与井壁间更好联结和传递地基反力，于刃脚上方的井壁设置凹槽。6.底梁和框架在较大型的沉井中，由于使用要求而不能设置内隔墙时，则可在沉井底部增设底梁，构成框架以增加沉井的整体刚度。沉井高度过大，常在井壁不同高度处设置若干道由纵横大梁组成的水平框架，以减少井壁的跨度，使沉井结构受力合理。2020/4/714二、旱地沉井的施工旱地沉井：就地制造、挖土下沉、封底、充填井孔以及浇注顶板。主要施工工序如下：1.整平场地天然土质较好，整平地面就可
7、在其上制造沉井。为减小沉井下沉深度，也可在基础位置处挖一浅坑，在坑底制造沉井下沉，坑底应高出地下水面0.51.0m。2.制造第一节沉井先在刃脚踏面位置处对称地铺满一层垫木(可用200?200mm的方木，使压应力不大于 100kPa)。然后在刃脚位置处放上刃脚角钢，竖立内模，绑扎钢筋，立外模，最后浇灌第一节沉井混凝土。2020/4/7153.拆模及抽垫沉井混凝土达到设计强度70%时可拆除模板，强度达设计强度后才能抽撤垫木。抽撤垫木应按一定顺序进行，以免引起沉井开裂、移动或倾斜。其顺序是：撤除内隔墙下的垫木，再撤沉井短边下的垫木，最后撤长边下的垫木。拆长边下的垫木时，以定位垫木（最后抽撤的垫木）为
8、中心，对称地由远到近拆除，最后拆除定位垫木。在抽垫木过程中，抽除一根垫木应立即用砂回填进去并捣实。4.挖土下沉分为排水下沉和不排水下沉。土层较稳定，不会因排水而产生大量流砂时，可采用排水下沉(常用人工挖土)。不排水下沉(维持井内水位高出井外水位12m)一般采用机械除土，如土质较硬，还需配以水枪将土冲松。2020/4/7165.接高沉井第一节沉井顶面下沉至距地面还剩12m时，应停止挖土，接筑第二节沉井。待第二节混凝土强度达设计要求后再拆模继续挖土下沉。6.地基检验和处理沉井沉至设计标高后，应进行基底检验。检验内容是地基土质、平整情况，以决定是否对地基进行处理。如果是排水下沉的沉井，可以直接进行检
9、查，不排水下沉的沉井由潜水工进行检查或钻取土样鉴定。7.封底、充填井孔及浇筑井盖地基经检验及处理合乎要求后，应立即进行封底。如封底是在不排水情况下进行，则可用导管法浇注水下混凝土，待混凝土达设计强度后，再抽干井孔中的水。2020/4/7172020/4/718三、水上沉井的施工三、水上沉井的施工水上施工沉井有两种方法，如果水的流速不大，水深在3或4m以内，可用水中筑岛的方法；如果水深较大，筑岛法很不经济，且施工也困难，可改用浮运法施工，沉井在岸边做成，利用在岸边铺成的滑道滑入水中，然后用绳索引到设计墩位。如果预计沉井下沉困难，应采取措施尽量降低井壁侧面摩阻力，方法有：将沉井井壁设计成阶梯形；在
10、井壁内埋设高压射水管组，利用高压水流冲松井壁附近的土，且水流沿井壁上升而润滑井壁，使沉井摩阻力减小；也可采用壁外喷射高压空气或触变泥浆，这也需要在井壁中预埋管道。2020/4/7192020/4/720第三节第三节 沉井的设计与计算沉井的设计与计算如果沉井被用作结构物的基础，就应按基础的使用要求进行各项验算；如果沉井被用作工作井，也应按工作井的使用要求进行各项验算。但在施工过程中，沉井是挡土、挡水的结构物，因而还要对沉井本身进行结构设计和计算。本节着重介绍作为深基础的沉井计算。一、沉井作为整体深基础的设计与计算一、沉井作为整体深基础的设计与计算沉井作为整体深基础设计主要是根据上部结构特点、荷载
11、大小以及水文、地质情况，结合沉井的构造要求及施工方法，拟定出沉井的平面尺寸，埋置深度，然后进行沉井基础的计算。沉井基础的计算，根据它的埋置深度可用两种不同的计算方法。2020/4/721当沉井埋置深度在最大冲刷线以下较浅仅数米时，这时可以不考虑基础侧面土的横向抗力影响，而按浅基础设计计算规定，分别验算地基强度、沉井基础的稳定性和沉降，使它符合容许值的要求；当沉井基础埋置深度较大时，由于埋置在土体内较深，不可忽略沉井周围土体对沉井的约束作用，因此在验算地基应力、变形及稳定性时，需要考虑基础侧面土体弹性抗力的影响。假定沉井基础在横向外力作用下只能发生转动而无挠曲变形。因此，按刚性桩计算内力和土抗力
12、，即相当于“m”法中?h?2.5的情况。下面具体讨论这种计算方法。2020/4/722（一）非岩石地基上沉井基础的计算（一）非岩石地基上沉井基础的计算沉井基础受到水平力H及偏心竖向力N作用。将水平力H及偏心竖向力N引起的力矩等效转换成水平力H距离基底?的作用：NeHl?M?HH先讨论沉井在水平力H作用下的情况，水平力的作用下，沉井将围绕位于地面下z0深度处的A点转动?角，地面下深度z处沉井基础产生的水平位移?x和土的横向抗力?zx分别为：?x=(z0z)tg?土的横向抗力?zx=?x?Cz=m?z(z0z)tg?式中z0 转动中心A离地面的距离2020/4/7沿深度为二次抛物线变化。23202
13、0/4/724基础底面处的压应力，考虑到该水平面上的竖向地基系数C0不变，故压应力图形与基础竖向位移图相似。d?C?C?d?01?0tg22式中C0不得小于10m0，d为基底宽度或直径。在上述三个公式中，有两个未知数z0和?，要求解其值，可建立两个平衡方程式，即X0M0Hbdz?H?bmtgZ(Z?Z)dZ?0110?zx?h0h?0?h0HhbZdz?W?0d1zx 1?2式中：W为基底的截面模量。2020/4/725求得z0、tg，代入式(5-3)和式(5-4)，进而求得当有竖向荷载N及水平力H同时作用时，则基底边缘处的压应力为N3Hdmax?min?AA?0式中A0基础底面积。离地面或最
14、大冲刷线以下z深度处基础截面上的弯矩M H(?h?z)?z1xb z?z dzZ1(1)1Hb1zH(?h?z)?(2z0?z)2hA2020/4/72636H?z(zz)zx?0?Ah3dH?d?A?2?（二）基底嵌入基岩内的沉井（二）基底嵌入基岩内的沉井若沉井基底嵌入基岩内，可以认为基底不产生水平位移，则基础的旋转中心A与基底中心相吻合，即z0h。地面下z深度处产生的水平位移x和土的横向抗力?zx分别为x=(hz)tg?zxmzxmz(hz)tg?基底边缘处的竖向应力为dmhd?C?tg?d?0tg22?2上述公式中只有一个未知数?，故只需建立一个弯矩平衡方程便可解出值?。2020/4/7
15、272020/4/728由MA0便可解出tg?，代入式(5-13)和式(5-14)，可进HHd一步求得：?(h?z)zzx式中b h?6Wd1?D12?3Dhd22?D基底边缘处的应力为?maxminNHd?A2?D0再根据X0，可求出嵌入处未知的水平阻力P2?hbh?1?Pb?dz?H?H?11zx?0D?6bHz1M?H(?h?z)?(2h?z)Z12Dh2020/4/7293（三）验算（三）验算1.基底应力验算基底计算最大压应力不应超过沉井底面处地基土的容许承载力fh。即?max?fh。2.横向抗力验算横向计算?zx值应小于沉井周围土的极限抗力值。极限抗力值计算方法：当基础在外力作用下产
16、生位移时，在深度z处基础一侧产生主动土压力强度pa，而被挤压一侧土就受到被动土压力强度pP，故其极限抗力，以土压力表达为?zx?pp-pa2020/4/730式中?为土的重度，?和c分别为内摩擦角和粘聚力。桥梁结构中，根据试验可知出现最大的横向抗力大致在深度z=h/3和z=h处，即4?h?c?tg?h?12xcos?3?34(?ztg?c)由朗金土压力理论可知?zx?cos?式中?hx/3相应于z=h/3深度处的土横向抗力；4?htg?chx12cos?hx相应于z=h深度处的土横向抗力；h为基础的埋置深度；2020/4/731?1取决于上部结构形式的系数，一般?1=1，对于拱桥?1=0.7；
17、?2考虑恒载对基础底面重心所产生的弯矩Mg在总弯矩M中所占百分比的系数，即?2?1?0.8MgM3.墩台顶面水平位移验算基础在水平力和力矩作用下，墩台顶面会产生水平位移?。?由三部分组成：(1)地面处的水平位移z0 tg?；(2)地面到墩台顶范围h2内的水平位移h2 tg?；(3)在h2范围内墩台本身弹性挠曲变形引起的墩台顶水平位移?0。2020/4/732因此，墩台顶面会产生水平位移?为：?=(z0+h2)tg?+?考虑到转角一般均很小，可令tg?=?。如果沉井基底嵌入基岩内，z0h。0现行桥梁规范中规定，墩台顶面的水平位移?应符合下列要求：?0.5 L(cm)式中，L为相邻跨中最小跨的跨度
18、(m)，当跨度L25m时，L按25m计算。2020/4/7332020/4/7342020/4/7352020/4/7362020/4/7372020/4/7382020/4/7392020/4/7402020/4/741作业：习题作业：习题5-12020/4/742二、沉井的结构设计二、沉井的结构设计沉井是一种预制构件，在施工过程中受到各种外力的作用，沉井结构强度必须满足各阶段最不利受力情况的要求，沉井结构在施工过程中应主要进行下列验算。（一）下沉系数（一）下沉系数K1，下沉稳定系数，下沉稳定系数K1和抗浮安全系数和抗浮安全系数K2在确定沉井主体尺寸后，即可算出沉井自重，验算在沉井施工下沉时
19、，保证在自重作用下克服井壁摩阻力Rf而顺利下沉，亦即下沉系数K1应为：G?GwK1?Rf式中G 沉井在各种施工阶段时的总自重，kN；Gw沉井结构在下沉过程中所受的总浮力；kN；Rf 井壁总摩阻力，kN；2020/4/743K1 下沉系数，一般为1.051.25。对位于淤泥质土层中沉井宜取小值；位于其它土层的沉井可取较大值。在下沉过程中，沉井重量和井壁摩阻力在不断变化，因此应跟踪整个下沉过程中下沉系数的变化规律，而不仅仅是最终状态的情况。如：沉井在软弱土层中接高时有突沉可能，应根据施工情况进行下沉稳定验算：GGw?K1Rf?R1?R2式中K1?下沉稳定系数，一般取0.80.9。R1 刃脚踏面及斜
20、面下土的支承力，kN；R2 隔墙和底梁下土的支承力，kN。2020/4/744当沉井沉到设计标高，在进行封底并抽除井内积水后，而内部结构及设备尚未安装，井外按各个时期出现的最高地下水位验算沉井的抗浮稳定：GRfK2?F式中K2 抗浮安全系数，一般取1.051.1。在不计井壁摩阻力时，可取1.05。F 封底后沉井所受的总浮力，kN；2020/4/745（二）刃脚计算（二）刃脚计算沉井刃脚相当于是三面固定，一面自由的双向板，为简化计算一方面可看作固着在刃脚根部处的悬臂梁，梁长等于井壁刃脚斜面部分的高度；另一方面，刃脚又可看作为一个封闭的水平框架。因此，作用在刃脚侧面上的水平外力将由悬臂梁和框架来共
21、同承担，也即部分水平外力是垂直向传至刃脚根部，余下部分由框架承担。悬臂作用：40.1l?414(?不得大于1)h0.05lk?1框架作用：h?44hk?0.05l2464k2020/4/7（三）井壁计算（三）井壁计算1.竖向挠曲计算（沉井抽承垫木时计算）(1)排水挖土下沉图5-16 第一节沉井支承点布置示意(2)不排水挖土下沉2020/4/7472.沉井均布竖向拉力计算（井壁竖直钢筋验算）沉井下沉过程中，上部可能被四周坚硬土体夹住，而刃脚下的土已被挖除，此时最危险截面在沉井入土深度一半处，其竖向拉力Smax为：Smax=0.25G因此，井壁应有足够的竖直钢筋承受拉力。3.沉井井壁水平应力计算（
22、井壁水平钢筋计算）作用在井壁上的水、土压力沿沉井深度是变化的，井壁水平应力应沿沉井高度分段计算。对于刃脚根部以上，高度等于该处井壁厚度的一段井壁框架是刃脚悬臂梁的固端，除承受框架本身高度范围内的水、土压力外，尚需承受由刃脚部分水、土压力传来的剪力Q1。2020/4/748作用于圆形沉井井壁任一标高上的水平侧压力，在理论上是各处相等的，此时圆环应当只承受轴向压力，而井壁内弯矩等于零。但实际土质是不均匀的，沉井下沉过程中也可能发生倾斜，因而井壁外侧土压力也是不均匀分布的。为简化计算，假定井圈上互成90?的两点处，土的内摩擦角的差值为5?10?。作用于A、B截面上的轴向力和弯矩可查阅有关专著。202
23、0/4/749（四）封底混凝土的厚度计算（四）封底混凝土的厚度计算为保证封底混凝土的质量，应力争采用干封底，根据以往经验一般可取0.61.2m；当地质条件极为不利时则应采用水下混凝土封底（又称湿封底）。沉井底板可按均布荷载作用下的板设计，沉井底板及封底混凝土与井壁间的连接，宜按铰支承考虑。作用在沉井底板上荷载q为：q=p?g（5-35）式中 p 底板下最大的静水压力，kPa；g 封底板自重，kPa。水下封底混凝土仅作为一种临时性的施工措施。设计钢筋混凝土底板时不考虑与水下封底混凝土的共同作用，仍应按底板标高以下的最大静水压力考虑，再按单向板或双向板计算底板的配筋。2020/4/7502020/4/7512020/4/7522020/4/7532020/4/7542020/4/7552020/4/756
