第九章沉井基础

1、第九章第九章 沉井基础沉井基础第一节 概 述 沉井是井筒状的结构物。它是以井内挖土，依沉井是井筒状的结构物。它是以井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后进行混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台后进行混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。沉井基础的特点是埋置深度或其它结构物的基础。沉井基础的特点是埋置深度可以很大，整体性强、稳定性好，有较大的承载面可以很大，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

2、构物，施工基础，又是施工时的挡土和挡水围堰结构物，施工艺并不复杂，因此在桥梁工程中得到较广泛的应用。艺并不复杂，因此在桥梁工程中得到较广泛的应用。 根据经济合理、施工上可能的原则，一般在下列情况，可以采用沉井基础： 1上部荷载较大，而表层地基土的容许上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力不足，采用沉井基础与其他深基础承载力不足，采用沉井基础与其他深基础相比较，经济上较为合理时；相比较，经济上较为合理时； 2冲刷大，或河中有较大卵石不便桩基冲刷大，或河中有较大卵石不便桩基础施工时；础施工时； 3河水较深；采用扩大基础施工围堰有困河水较深；采用扩大基础施工围堰有困难时。难时。第二节第二节 沉井的类

3、型和构造沉井的类型和构造 一、沉井的分类一、沉井的分类 (一一) )按沉井施工方法的分类按沉井施工方法的分类 1一般沉井一般沉井 指就地制造下沉的沉井，这种沉井是在基础设计的位置上制造，然后挖土靠沉井自重下沉。如基础位置在水中，需先在水中筑岛，再在岛上筑井下沉。 2浮运沉井浮运沉井 在深水地区筑岛有困难或不经济，或有碍通航，当河流流速不大时，岸边浇筑浮运就位下沉的方法，这类沉井称为浮运沉井或浮式沉井。 ( (二二) )按沉井的形状的分类按沉井的形状的分类 (三三)按沉井的建筑材料的分类按沉井的建筑材料的分类 1混凝土沉井混凝土沉井 混凝土的特点是抗压强度高，抗拉能力低，因此这种沉井宜做成圆形，

4、并适用于下沉深度不大（47m）的软土层中。 2.钢筋混凝土沉井钢筋混凝土沉井 这种沉井的抗拉及抗压能力较好，下沉深度可以很大（达数十米以上），当下沉深度不很大时，井壁上部用混凝土，下部（刃脚）用钢筋混凝土的沉井，在桥梁工程中得到较广泛的应用。 3.竹筋混凝土沉井竹筋混凝土沉井 沉井在下沉过程中受力较大因而需配置钢筋，一旦完工后，它就不承受多大的拉力。 4.钢沉井钢沉井 用钢材制造沉井其强度高、重量较轻、易于拼装、宜于做浮运沉井，但用钢量大，国内较少采用。二、沉井基础的构造 (一一)沉井的轮廓尺寸沉井的轮廓尺寸 沉井的平面形状常决定于墩（台）底部的形状。对矩形或圆端形墩，可采用相应形状的沉井，采

5、用矩形沉井时，为保证下沉的稳定性，沉井的长边与短边之比不宜大于3。当墩的长宽比较为接近时，可采用方形或圆形沉井。沉井顶面尺寸为墩（台）身底部尺寸加襟边宽度。襟边宽度不宜小于0.2m，也不宜小于沉井全高的1/5，浮运沉井不小于0.4m。如沉井顶面需设置围堰，其襟边宽度根据围堰构造还需加大。墩(台)身边缘应尽可能支承于井壁上或盖板支承面上，对井孔内不以混凝土填实的空心沉井不允许墩（台）身边缘全部置于井孔位置上。 ( (二二) ) 一般沉井的构造一般沉井的构造 一般沉井构造上主要由井壁、刃脚、隔井壁、刃脚、隔墙、井孔、凹槽、射水管、封底和盖板等墙、井孔、凹槽、射水管、封底和盖板等组成组成（图9-6）

6、。这些组成部分的作用简介如下： ( (三三) )浮运沉井的构造浮运沉井的构造 浮运沉井有不带气筒的浮运沉井和带气筒的浮运沉井两种。钢丝网水泥薄壁浮运沉井 带钢气筒的浮运沉井带钢气筒的浮运沉井第三节第三节 沉井的施工沉井的施工 沉井的施工方法与墩台基础所在地点的地质和水文情况有关。在水中修筑沉井时，应对河流汛期、通航、河床冲刷调查研究，并制定施工计划。尽量利用枯水季节进行施工。如施工须经过汛期，应有相应的措施。 沉井基础施工一般可分为旱地施工，水中筑岛施工及浮运沉井施工三种，现分别简介如下： 一、旱地上沉井的施工一、旱地上沉井的施工 桥梁墩台位于早地时，沉井可就地制造、挖土下沉、封底、充填井孔以

7、及浇筑顶板。在这种情况下，一般较容易施工，工序约如下： 整平场地；制造第一节沉井；拆模及抽垫；挖整平场地；制造第一节沉井；拆模及抽垫；挖土下沉；土下沉；接高沉井；筑井顶围堰；接高沉井；接高沉井；筑井顶围堰；接高沉井；地基检验和处理；封底、充填井孔及浇筑顶盖地基检验和处理；封底、充填井孔及浇筑顶盖二、水中沉井的施工二、水中沉井的施工 1. 1.筑岛法筑岛法 水流速不大，水深在水流速不大，水深在3 3或或4m4m以内，可用以内，可用水中筑岛的方法（图水中筑岛的方法（图9-129-12）。筑岛材料为砂）。筑岛材料为砂或砾石，周围用草袋围护。如水深较大可或砾石，周围用草袋围护。如水深较大可作围堰防护图

8、作围堰防护图9-12a)9-12a)、b)b)。岛面应比沉井。岛面应比沉井周围宽出周围宽出2m2m以上，作为护道，并应高出施以上，作为护道，并应高出施工最高水位工最高水位0.5m0.5m以上。砂岛地基强度应符以上。砂岛地基强度应符合要求，然后在岛上浇筑沉井。合要求，然后在岛上浇筑沉井。 2 2浮运沉井施工浮运沉井施工 水深较大，如超过，如超过10m10m时时，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。沉井井壁可做成空体形式或采用其它措施（如带木底或装上钢气筒）使沉井浮于水上，也可以在船坞内制成用浮船定位和吊放下沉或利用

9、潮汐、水位上涨浮起，再浮运至设计位置。四、泥浆润滑套与壁后压气沉井施工法四、泥浆润滑套与壁后压气沉井施工法 1泥浆润滑套泥浆润滑套 泥浆润滑套是把配置的泥浆灌注在沉井井壁周围，形成井壁与泥浆接触。选用的泥浆配合比应使泥浆性能具有良好的固壁性、触变性和胶体稳定性一般采用的泥浆配合比(重量比)为粘土3545，水5565，另加分散剂碳酸钠0.40.6，其中粘土或粉质粘土要求塑性指数不小于15，含砂率小于6(泥浆的性能指标以及检测方法可参见有关施工技术手册)。这种泥浆对沉井壁起润滑作用，它与井壁间摩阻力仅35kPa大大降低了井壁摩阻力(一般粘性土对井壁摩阻力为2550kPa，砂性土为1225kPa)，

10、因而有提高沉井下沉的施工效率，减少井壁的圬土数量，加大了沉井的下沉深度，施工中沉井稳定性好等优点。 2 2壁后压气沉井法壁后压气沉井法 壁后压气沉井法也是减少下沉时井壁摩阻力的有效方法。它是通过对沿井壁内周围顶埋的气管中喷射高压气流，气流沿喷气孔射出再沿沉井外壁 上升，形成一圈压气层(又称空气幕)，使井壁周围土松动，减少井壁摩阻力，促使沉井顺利下沉。第四节第四节 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，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；但在施就应按基础的要求进行各项

11、验算；但在施工过程中，沉井是挡土、挡水的结构物，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。因而还要对沉井本身进行结构设计和计算。即沉井的设计与计算包括沉井基础与沉井即沉井的设计与计算包括沉井基础与沉井结构两方面的设计与计算结构两方面的设计与计算。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沉井基础的计算，根据它的埋置深度可用两种不同的计算

12、方法。当沉井埋置深度在最大冲刷线不同的计算方法。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、土体对沉井的约束作用，因此在验算地基应力、变形及沉井的稳定性时，

13、需要考虑基础侧面土体变形及沉井的稳定性时，需要考虑基础侧面土体弹性抗力的影响。弹性抗力的影响。按刚性桩柱(刚性杆件)计算内力和土抗力，即相当于“m”法中h h2.52.5的情况。下面讨论这种计算方法。 (一一)非岩石地基上沉井基础的计算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作用时(图9-17)，为了讨论方便，可以把这些 外力转变为中心荷载和水平力的共同作用，转变后的水平力H距离基底的作用高度(图9-17b)为 (二二)基底嵌入基岩内的计算方法基底嵌入基岩内的计算方法 若基底嵌入基岩内，在水平力和竖直偏心若基底嵌入基岩内，在水平力和竖直偏心荷载作用下，可以认为基底不产生水

14、平位荷载作用下，可以认为基底不产生水平位移，则基础的旋转中心移，则基础的旋转中心A A与基底中心相吻合，与基底中心相吻合，即即Z0=hZ0=h，为一已知值，为一已知值( (图图9-19)9-19)。这样，在。这样，在基底嵌入处便存在一水平阻力基底嵌入处便存在一水平阻力P P，由于，由于P P力力对基底中心轴的力臂很小，一般可忽略对基底中心轴的力臂很小，一般可忽略P P对对A A点的力矩。当基础有水平力点的力矩。当基础有水平力H H作用时，地作用时，地面下面下Z Z深度处产生的水平位移深度处产生的水平位移X X和土的横向和土的横向抗力抗力 分别为分别为二、沉井施工过程中的结构强度计算二、沉井施工

15、过程中的结构强度计算 从底节沉井拆除垫木，直至上部结构修筑完成开始使用，以及营运过程中沉井均受到不同外力的作用因此，沉井的结构强度必须满足各阶段最不利受力情况的要求。根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTJ023-85)，钢筋混凝土受弯构件施工阶段应力验算可采用容许应力法。因此在下列有关钢筋混凝土结构强度验算中除沉井封底与顶盖一部分计算外，均采用容许应力法。针对沉井各部分在施工过程中的最不利受力情况，首先拟出相应的计算图式，然后计算截面应力，进行必要的配筋，保证井体结构在施工各阶段中的强度和稳定。 沉井结构在施工过程中主要进行下列验算。 (一一)沉井自重下沉验算沉井自重下沉验算 为

16、了使沉井能在自重下顺利下沉，沉井重力(不排水下沉者应扣除浮力)应大于土对井壁的摩阻力，将两者之比称为下沉系数，要求 TQK 1 式中：K下沉系数，应根据土类别及施工条件取大于1的数值； Q沉井自重(kN)； T土对井壁的总摩阻力， (二二)第一节第一节(底节底节)沉井的竖向挠曲验算沉井的竖向挠曲验算 第一节沉井在抽除垫木及挖土下沉过程中，沉井可按承受自重的梁计算井壁产生的竖向挠曲应力。如挠曲应力超过了沉井材料的容许限值，就应增加第一节沉井高度或在井壁内设置横向钢筋，以防止沉井竖向开裂。 验算时应采用的第一节沉井的支承点位置与沉井的施工方法有关，现分别 1 1排水挖土下沉排水挖土下沉 2 2不排

17、水挖土下沉不排水挖土下沉(三三)沉井刃脚受力计算沉井刃脚受力计算 沉井在下沉过程中，刃脚受力较为复杂，刃脚切入土中时受到向外弯曲应力，挖空刃脚下的土时，刃脚又受到外部土、水压力作用而向内弯曲。从结构上来分析，可认为刃脚把一部分力通过本身作为悬壁梁的作用传到刃脚根部，另一部分由本身作为一个水平的闭合框架作用所负担。因此，可以把刃脚看成在平面上是一个水平闭合框架，在竖向是一个固定在井壁上的悬臂梁。水平外力的分配系数，如根据悬臂及水平框架两者的变位关系及其他一些假定得到： 刃脚悬臂作用的分配系数为 (2)(2)刃脚向内挠曲的内力计算刃脚向内挠曲的内力计算 计算刃脚向内挠曲的最不利情况是沉井已下沉至设

18、计标高，刃脚下的土已挖空而尚未浇筑封底混凝土(图9-22)，这时，将刃脚作为根部固定在井壁的悬臂梁，计算最大的向内弯矩。作用在刃脚上的力有刃脚外侧的土压力、水压力、摩阻力以及刃脚本身的重力。以上各力的计算方法同前。但计算水压力应注意根据施工实际情况，现行的设计规范考虑到一般的情况及从安全出发要求不排水下沉沉井，井壁外侧水压力值以100计算；井内水压力值以50计算，或按施工可能出现的水头差计算。若为排水下沉沉井，对不透水土，可按静水压力的70计算，在透水性土中，可按静水压力的100计算。2刃脚水平钢筋的计算刃脚水平钢筋的计算 刃脚水平向受力最不利的情况是沉井已下沉至设计标高，刃脚下的土已挖空，尚未浇筑封底混凝土的时候，由于刃脚有悬臂作用及水平闭合框架的作用，故当刃脚作为悬臂考虑时，刃脚所受水平力乘以，而作用于框架的水平力应乘以分配系数(式4-34)后，其值作为水平框架上的外力，由此求