第五章 沉井基础

1、 沉井平面长69米，宽51米，下沉深度为58米，体积20.4万 立方米,列世界最大沉井。 (列世界第的美国费雷泽诺桥的沉井体积为15万立方米) 一、认识沉井一、认识沉井 江阴长江公路大桥北锚沉井江阴长江公路大桥北锚沉井 1.工程工程 应用应用 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。 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，最后成为结构物基础的井筒状结构。 2. 沉井的定义沉井的定义 3. 沉井基础的特点沉井基础的特点 (1)埋置深度大，整体性强、稳定性好，承载面积大，承载力高(垂直 与水

2、平)； (2)既可作基础，又可作施工时的挡土和挡水围堰结构物； (3)施工时对邻近建筑物影响较小； (4)内部空间可进一步利用。 4. 沉井的缺点沉井的缺点 (1)施工工期较长； (2)施工技术要求高； (3)施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。 二、沉井的构造二、沉井的构造 1. 沉井的截面形式沉井的截面形式 平面形状有：圆形、矩形、圆端形等 井孔的布置方式有：单孔、双孔、多孔。 井壁井壁 厚度0.41.2m；承受水土压力。 刃脚刃脚 宽度1020cm ，高度约1.5m（湿封 底）或0.6m（干封底），内侧倾角 4560 ；冲切硬土，减小端部阻力。 内隔墙内隔墙 厚度约0.5m，底面高

3、出井壁刃脚踏面 0.51m，增加沉井刚度、改善井壁 受力条件、挖土均衡，便于纠偏。 井孔井孔 宽度（直径）不宜小于3m，挖土、排 土场所和通道。 井壁凹槽井壁凹槽 槽高约1.0m，深度0.150.25m，增加 封底混凝土、底版与井壁连接。 预埋射水管预埋射水管 下沉困难时减阻。 封底（底板）封底（底板） 沉井下沉到设计标高，经检验和坑底 清理后浇注的混凝土底版。分为干封 和湿封（水下浇灌混凝土）两种。 2. 沉井的构造沉井的构造 3. 设计计算的主要构件设计计算的主要构件 a）直壁式 b）台级式 当不能设置内隔墙而沉井又较大时，常常在当不能设置内隔墙而沉井又较大时，常常在 沉井底部增设底梁沉井

4、底部增设底梁 或因沉井过高，常常在沉井不同高度处设置或因沉井过高，常常在沉井不同高度处设置 纵横梁纵横梁 构成框架结构。构成框架结构。 三、沉井的施工三、沉井的施工 分旱地施工沉井与水上施工沉井两种情况分旱地施工沉井与水上施工沉井两种情况 旱地沉井工序：旱地沉井工序： 就地制造挖土下沉孔底清查封底 充填井孔以及 浇注顶板。 水上沉井工序：水上沉井工序： 水深34m以内且流速不大时 水上筑岛岛上制造挖土下沉孔底清查封底 充 填井孔以及浇注顶板。 水较深或流速较大时 岸边制造牵引滑移或起吊就位挖土下沉孔底清查 封底 充填井孔以及浇注顶板。 旱地沉井施工过程图旱地沉井施工过程图 水上沉井施工过程图水

5、上沉井施工过程图 第三节第三节 沉井的设计与计算沉井的设计与计算 沉井是深基础的一种类型，沉井在施工完毕后，由于 它本身就是结构物的基础，就应按基础的要求进行各项 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。 沉井作为整体深基础设计主要是根据上部结构特点、 荷载大小以及水文、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。 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 当沉井埋置深度在最大冲刷线以下较浅仅数米时， 这

6、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，可按刚性桩计算内力和土抗力，即相 当于“m”法中h2.5的情况。 下面具体讨论这种计算方法。 （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

7、转换成水平力H距离 基底的作用： 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点转动一角，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 zx = xCz = mz(z0z)tg 式中 z0 转动中心A离地面的距离； H M H HlNe 土的横向抗力 沿深度为二次 抛物线变化。 基础底面处的压应力，考虑到该水平面上的竖向地基基础底面处的压应力，考虑到该水平面上的竖向地基 系数系数C0不变，故压应力图形与基础竖向位移图相似。不变，故压应力图形与基础竖向位移图相似。 式中 C0不得小于10m0，d为基底宽度或

8、直径。 X0 M0 tg d CC d 2 010 2 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 0)( 0 011 0 hh zx dZZZZmtgbHdzbH 0 2 1 0 1 WZdzbHh d h zx 式中：W为基底的截面模量。 求得z0、（tan），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 式中A0基础底面积。 离地面或最大冲刷线以下z深度处基础截面上的弯矩 A dH d 3 2 A Hd A N3 0 max min )( 6 0 zzz Ah H zx )2( 2 )( 0 3 1 zz hA zHb zhHM

9、 Z 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 zxmzx mz(hz)tg 基底边缘处的竖向应力为 （二）基底嵌入基岩内的沉井（二）基底嵌入基岩内的沉井 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。 tg mhd tg d C d 22 0 2 由弯矩平衡方程MA0便可解出值，进一步求得： 式中 基底边缘处的应力为 再根据X0，可求出嵌入处未知的水平阻力P D Hd A N 2 0 max min 1 6 2 1 0 1 D hb HHdZbP h zx )2

10、( 12 )( 3 1 Zh Dh HZb ZhHMZ 12 6 3 1 Wdhb D Dh H ZZh zx )( D Hd d 22 （三）验算（三）验算 基底计算最大压应力不应超过沉井底面处地基土的设 计承载力h。即 max h 1. 基底应力验算 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-pa 2. 横向抗力验算 由朗金土压力理论可知 式中 为土的容重，和c分别为内摩擦角和粘聚力。 桥梁结构中，根据试验知

11、道出现最大的横向抗力大 致在 z=h/3和z=h处，即 式中 相应于z=h/3深度处的土横向抗力； 相应于z=h深度处的土横向抗力；h为基础 的埋置深度； )( cos 4 cztg zx ctg h x h 3cos 4 21 3 chtg hx cos 4 21 3/hx hx 基础在水平力和力矩作用下，墩台顶面会产生水平 位移。由地面处的水平位移z0 tg ，地面到墩台顶范围 h2内的水平位移h2 tg ，在h2范围内墩台身弹性挠曲变形 引起的墩台顶水平位移0，三部分组成。 =(z0+h2)tg+0 1取决于上部结构形式的系数，一般1=1， 对于拱桥1=0.7； 2考虑恒载对基础底面重心

12、所产生的弯矩Mg 在总弯矩M中所占百分比的系数，即 M M g 8 . 01 2 3. 墩台顶面水平位移验算 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： 式中，L为相邻跨中最小跨的跨度(m)，当跨度L25m 时，L按25m计算。 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。 )(5 . 0cmL 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，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： 式中 G 沉井在各种施工阶段时的总自重，kN； B 下沉过程中地下水的总浮力，kN； Rf 井壁总摩阻力，kN； 沉井是一种预制

13、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。 f R BG K 1 二、沉井的结构设计二、沉井的结构设计 （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 在下沉过程中，构成K1的分子和分母不断变化，因此 不仅要确定最终状态下，而且应跟踪整个下沉过程中K1值 的变化规律。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： 式中 下沉稳定系数，一般取0.80.9。 R1 刃脚踏面及斜面下土的支承力，kN； R2 隔墙和底梁下土的支承力，kN。

14、 1 K 21 1 RRR BG K f K1 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。 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： 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。 2 B RG K f B 封底后沉井所受的总浮力，kN； （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