基础工程-沉井基础

1、1Hunan University5.沉井基础 基础工程基础工程 电子教案电子教案2Hunan University5.沉井基础3Hunan University5.沉井基础5.1 5.1 概述概述 沉井：沉井：带刃脚的井筒状构造物，用人带刃脚的井筒状构造物，用人工或机械方法清除井内土石，主要借工或机械方法清除井内土石，主要借自重克服井壁与土层的摩阻力，逐节自重克服井壁与土层的摩阻力，逐节下沉至基底设计标高的基础。下沉至基底设计标高的基础。 a)b)4Hunan University5.沉井基础特点：特点：n下基深，下基深，hmax=220m，适用于深水，整体性强，适用于深水，整体性强，稳定性

2、好，承载力大稳定性好，承载力大n造价高，施工期长，不排水施工时难于克服刃脚造价高，施工期长，不排水施工时难于克服刃脚下孤石、沉船、树干等障碍物，易发生流砂现象下孤石、沉船、树干等障碍物，易发生流砂现象 适用条件：适用条件：n上部荷载较大上部荷载较大n在山区河流中冲刷大在山区河流中冲刷大n河水较深，采用扩大基础施工围堰有困难河水较深，采用扩大基础施工围堰有困难5.1.1 5.1.1 沉井的作用及适用条件沉井的作用及适用条件5Hunan University5.沉井基础n下沉方式：下沉方式：就地制造下沉沉井就地制造下沉沉井( (一般沉井一般沉井) )、浮运沉井、浮运沉井 n制作材料：制作材料：砼沉

3、井，钢筋砼沉井，竹筋沉井砼沉井，钢筋砼沉井，竹筋沉井（南昌赣江大桥、白沙沱长江大桥），钢沉井，钢沉井, ,砖石沉井砖石沉井, ,木沉井木沉井 n 外观形状：外观形状： 平面平面: : 力求简单对称，利力求简单对称，利于受力，便于施工，有圆形、于受力，便于施工，有圆形、矩形和圆端形等矩形和圆端形等 剖面剖面: : 柱形柱形( (下沉过程不易下沉过程不易倾斜、井壁接长简单，模板反倾斜、井壁接长简单，模板反复利用复利用) )、阶梯形、阶梯形( (下沉阻力小下沉阻力小) )、锥形锥形( (下沉阻力小下沉阻力小) )5.1.2 5.1.2 沉井的分类沉井的分类图图5.2 5.2 沉井的平面形式沉井的平面

4、形式6Hunan University5.沉井基础5.1.35.1.3沉井基础的构造沉井基础的构造沉井组成：沉井组成： 刃脚刃脚 井壁井壁 内隔墙内隔墙 井孔井孔 凹槽凹槽 封底封底 盖板盖板图图5.3 5.3 沉沉 井井 的的 一一 般般 构构 造造7Hunan University5.沉井基础井壁井壁: : 沉井的主要部分，下沉过程起挡土、挡水及压沉井的主要部分，下沉过程起挡土、挡水及压重作用，为深基础的护壁和建筑物的基础。重作用，为深基础的护壁和建筑物的基础。 5.1.3 5.1.3 沉井基础的构造沉井基础的构造b)a)c)d)a) a) 柱形柱形; b) ; b) 阶梯形阶梯形; c)

5、 ; c) 阶梯形阶梯形; d) ; d) 锥形锥形 一般：厚一般：厚0.81.5m，每节高，每节高5m，砼强度等级，砼强度等级C15。n例：湘江大桥（一桥）例：湘江大桥（一桥）8#墩，上节厚墩，上节厚2.6m，下节，下节3.0m，22125m，下沉，下沉12.6m图图5.4 5.4 沉井立面形状沉井立面形状8Hunan University5.沉井基础刃脚：刃脚： 井壁下端楔井壁下端楔状部分，利于切状部分，利于切入土中加速下沉入土中加速下沉 5.1.3 5.1.3 沉井基础的构造沉井基础的构造0.5 m0.5 m45n 一般底面一般底面(踏面踏面)厚厚100200 mm，以型钢，以型钢加强，

6、高加强，高1m以上，砼强以上，砼强度等级度等级C20图图5.5 5.5 刃脚构造示意刃脚构造示意9Hunan University5.沉井基础顶 盖井 壁隔 墙凹 槽刃 脚封 底井 孔隔墙：隔墙：加强沉井整体刚度加强沉井整体刚度 5.1.3 5.1.3 沉井基础的构造沉井基础的构造n内隔墙的间距一内隔墙的间距一般不大于般不大于56m，厚度一般为厚度一般为0.51.0m n一般要求隔墙底一般要求隔墙底高出刃脚底面高出刃脚底面0.51.0m 图图5.6 5.6 隔墙构造示意隔墙构造示意10Hunan University5.沉井基础井孔：井孔：挖土排土的工作场所和通道挖土排土的工作场所和通道 位置

7、：位置：取土井的平面布取土井的平面布置应与中轴线对称，以利置应与中轴线对称，以利于沉井均匀下沉于沉井均匀下沉 大小：大小：由取土方法而定，由取土方法而定，采用挖土斗取土时，应能采用挖土斗取土时，应能使挖土斗自由升降，一般使挖土斗自由升降，一般宽度宽度3m，对称布置，对称布置处理：处理：以素混凝土、片以素混凝土、片石混凝土或砌片填充。石混凝土或砌片填充。图图5.7 5.7 井孔构造示意井孔构造示意5.1.3 5.1.3 沉井基础的构造沉井基础的构造64512367811Hunan University5.沉井基础凹槽：凹槽：使封底砼和井壁结合良好使封底砼和井壁结合良好 深约深约0.15-0.25

8、m，高约，高约1.0m，距刃脚底面一般在，距刃脚底面一般在1.5m以上以上5.1.3 5.1.3 沉井基础的构造沉井基础的构造图图5.8 5.8 凹槽构造示意凹槽构造示意12Hunan University5.沉井基础封底和盖板：封底和盖板：封底厚由计算确定，顶面突出刃脚根部不小于封底厚由计算确定，顶面突出刃脚根部不小于0.5m，并达凹槽上端，砼强度一般地基，并达凹槽上端，砼强度一般地基C20，岩石，岩石地基地基C15。盖板厚一般。盖板厚一般1.52.0m，井孔充填砼时，井孔充填砼时砼应砼应C10。 5.1.3 5.1.3 沉井基础的构造沉井基础的构造顶盖井壁隔墙凹槽刃脚封底井孔图图5.9 5

9、.9 封底和盖板示意封底和盖板示意13Hunan University5.沉井基础5.2 5.2 沉井的施工沉井的施工n旱地沉井施工：旱地沉井施工：平整场地，制造第一节沉井、拆模平整场地，制造第一节沉井、拆模及抽垫、挖土下沉、接高沉井、井顶围堰、地基检验及抽垫、挖土下沉、接高沉井、井顶围堰、地基检验和处理、封底、充填井孔、浇筑顶盖。和处理、封底、充填井孔、浇筑顶盖。n水上筑岛：水上筑岛：水流速不大，水深水流速不大，水深34m时采用，砂岛时采用，砂岛应高出施工最高水位应高出施工最高水位0.5m以上，在岛上浇筑沉井。以上，在岛上浇筑沉井。n浮运沉井：浮运沉井：水深筑岛困难时采用，岸边制作，滑入水深

10、筑岛困难时采用，岸边制作，滑入水中，井壁为空体可浮于水面，就位后灌注砼下沉至水中，井壁为空体可浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。河床。14Hunan University5.沉井基础5.2.1 5.2.1 旱地沉井施工旱地沉井施工n 铺垫木铺垫木n 立模板绑钢筋立模板绑钢筋n 注混凝土、养生注混凝土、养生n 拆模及抽垫拆模及抽垫n 土内模制造沉井刃脚土内模制造沉井刃脚1 1 清理场地清理场地2 2 制造第一节沉井制造第一节沉井图图5.10 5.10 制造第一节沉井实例制造第一节沉井实例15Hunan University5.沉井基础3 3 拆模及抽垫拆模及抽垫 拆模顺序：拆模顺序：井孔模板、外

11、侧模板、隔墙支撑及模板、刃井孔模板、外侧模板、隔墙支撑及模板、刃脚面支撑及模板脚面支撑及模板 抽垫顺序：抽垫顺序：内壁下、短边下、长边下对称同步。长边下内壁下、短边下、长边下对称同步。长边下是隔是隔1根撤根撤1根，最后以定位桩为中心由远而近对称撤除根，最后以定位桩为中心由远而近对称撤除刃脚下木垫板（底模）-剖面-剖面枕木桥中线5.2.1 5.2.1 旱地沉井施工旱地沉井施工 图图5.11 5.11 沉井垫木沉井垫木（a a）圆形沉井垫木；（）圆形沉井垫木；（b b）矩形沉井垫木）矩形沉井垫木16Hunan University5.沉井基础4 4 除土下沉除土下沉b )a )d )c )5.2.

12、1 5.2.1 旱地沉井施工旱地沉井施工图图5.12 5.12 除除 土土 下下 沉沉 示示 意意17Hunan University5.沉井基础5.5.接高沉井接高沉井6.6.设置井顶防水围堰设置井顶防水围堰 7.7.基底检验和处理基底检验和处理 8.8.封底封底9.9.井孔填充和顶板浇筑井孔填充和顶板浇筑 5.2.1 5.2.1 旱地沉井施工旱地沉井施工18Hunan University5.沉井基础5.2.2 5.2.2 水中沉井施工水中沉井施工1.1.水中筑岛水中筑岛b2.0m0.5ma )b )最高施工水位b2.0m最高施工水位0.5mc )H防护围堰0.5m最高施工水位bHtg(

13、45- /2)b2.0m0.5ma )b )最高施工水位b2.0m最高施工水位0.5mc )H防护围堰0.5m最高施工水位bHtg( 45- /2)图图5.13 5.13 水中筑岛下沉沉井水中筑岛下沉沉井19Hunan University5.沉井基础2.2.浮运沉井浮运沉井 水深筑岛困难时采用，岸边制作，滑入水中，水深筑岛困难时采用，岸边制作，滑入水中，井壁为空体浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。井壁为空体浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。 5.2.2 5.2.2 水中沉井施工水中沉井施工图图5.14 5.14 浮运沉井施工示意图浮运沉井施工示意图20Hunan University5.沉井

14、基础浮式沉井：双壁钢壳浮式沉井：双壁钢壳直径直径21.421.4米米 净高净高13.613.6米米 21Hunan University5.沉井基础5.2.4 5.2.4 沉井下沉过程中遇到沉井下沉过程中遇到的问题及处理的问题及处理 n偏斜偏斜沉井偏斜大多发生在下沉不深时，导致偏斜原因有沉井偏斜大多发生在下沉不深时，导致偏斜原因有多种；纠偏的方法有：除土、压重、顶部施加水平力多种；纠偏的方法有：除土、压重、顶部施加水平力n难沉难沉即沉井下沉过慢或停沉；原因（侧阻过大、踏面过即沉井下沉过慢或停沉；原因（侧阻过大、踏面过大、孤石树根等）；解决方法（射水、加重井壁、减小踏大、孤石树根等）；解决方法（

15、射水、加重井壁、减小踏面、小型爆破）面、小型爆破）n突沉突沉沉井产生较大的倾斜或超沉，突沉常发生于软土地沉井产生较大的倾斜或超沉，突沉常发生于软土地区；主要原因是井壁侧阻较小区；主要原因是井壁侧阻较小n流砂流砂在粉、细砂层中下沉沉井，易出现流砂现象；主要在粉、细砂层中下沉沉井，易出现流砂现象；主要原因是土中动水压力的水头梯度大于临界值；防治措施有：原因是土中动水压力的水头梯度大于临界值；防治措施有：采用井点降水及不排水除土，或向井内回灌水采用井点降水及不排水除土，或向井内回灌水22Hunan University5.沉井基础主要内容：主要内容： 拟定外形尺寸、高度、壁厚拟定外形尺寸、高度、壁厚

16、 视为天然地基上深基础的地基强度及变形验算视为天然地基上深基础的地基强度及变形验算 施工阶段刃脚、井壁的强度计算施工阶段刃脚、井壁的强度计算 使用阶段井壁及顶板、底板强度计算使用阶段井壁及顶板、底板强度计算 5.3 5.3 沉井的设计与计算沉井的设计与计算23Hunan University5.沉井基础n沉井高度沉井高度 沉井底面标高，主要根据上部荷载、水文地质条件及各土沉井底面标高，主要根据上部荷载、水文地质条件及各土层的承载力等确定。层的承载力等确定。沉井作为基础，其顶面应埋入地面0.2m或地下水位以下0.5m。n沉井平面形状和尺寸沉井平面形状和尺寸 沉井平面形状应根据上部建筑物的平面形状

17、决定。沉井平面形状应根据上部建筑物的平面形状决定。为防止下沉过程中少许偏斜对建筑物的影响，要求留有襟边，其宽度不得少于下沉总深度的2%，且不得小于20cm。5.3.1 5.3.1 沉井作为整体深基础的计算沉井作为整体深基础的计算1 1 沉井尺寸设计沉井尺寸设计24Hunan University5.沉井基础 下沉系数下沉系数: :在确定沉井的外形尺寸和壁厚时，应保证沉井在确定沉井的外形尺寸和壁厚时，应保证沉井在各种施工阶段能克服四壁摩阻力在各种施工阶段能克服四壁摩阻力R R1 1而顺利下沉，即下沉系数而顺利下沉，即下沉系数K K1 1应满足：应满足：11.10 1.25tGKRG各种施工阶段沉

18、井的自重；Rt沉井井壁土的摩阻力。n 下沉系数下沉系数K1、抗浮稳定系数、抗浮稳定系数K2 抗浮稳定系数抗浮稳定系数: :当沉井下沉到设计标高，砼封底并做好当沉井下沉到设计标高，砼封底并做好钢筋砼顶板、抽除井内积水后，而内部结构及设备尚未安装钢筋砼顶板、抽除井内积水后，而内部结构及设备尚未安装，井外地下水位达最高时，应考虑沉井的抗浮稳定验算，要，井外地下水位达最高时，应考虑沉井的抗浮稳定验算，要求抗浮稳定系数求抗浮稳定系数K K2 2满足：满足：05.12PRGKtG沉井结构的自重；P水对沉井的浮力。等于地下水位以下沉井排开同体积的水的重量。25Hunan University5.沉井基础地基

19、强度：地基强度：沉井作为深基础时，一般要求下沉到坚沉井作为深基础时，一般要求下沉到坚实的土层或岩层上。地基强度须满足：实的土层或岩层上。地基强度须满足： F作用于沉井顶面处荷载作用于沉井顶面处荷载 G沉井自重沉井自重Rf井侧总摩阻力井侧总摩阻力Rj沉井底部地基土的总反力沉井底部地基土的总反力Rj = fa A ( fa为基底土承载力特征值为基底土承载力特征值)F + G Rj + Rf 2 2 沉井作为天然地基基础计算沉井作为天然地基基础计算式中：式中：26Hunan University5.沉井基础井侧总摩阻力井侧总摩阻力R Rf f：可假定井侧总摩阻力可假定井侧总摩阻力R Rf f沿深度成

20、沿深度成梯形分布，距地面梯形分布，距地面5m5m范围内按三角形分布，范围内按三角形分布，5m5m以下以下为常数，故总摩阻力为为常数，故总摩阻力为f2h2f1h1f4h4f3h3Rth0HGFfah-2.5mh5mRjRf U (h2.5 ) q U沉井周长沉井周长q单位面积摩阻力加权单位面积摩阻力加权平均值，可按表书平均值，可按表书5-15-1取取值。值。式中：式中：27Hunan University5.沉井基础n基本假定：基本假定： 地基土为弹性变形介质，水平向地基系数随深度地基土为弹性变形介质，水平向地基系数随深度成正比例增加成正比例增加( (即即m m法法) ) 不考虑基础与土之间的粘

21、着力和摩阻力不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力 沉井刚度与土刚度之比为无限大，横向力作用下沉井刚度与土刚度之比为无限大，横向力作用下只产生转动而无挠曲变形只产生转动而无挠曲变形p根据基底地质情况，可分为非岩石地基和基底嵌入基岩内两种情况分析3 3 考虑土体弹性抗力的沉井设计与计算考虑土体弹性抗力的沉井设计与计算28Hunan University5.沉井基础n 非岩石地基非岩石地基 maxdd/2min1xOZZ1zxFVeFHlha)b)FHh2z1hh0Zd/20在FH作用下，沉井将围绕位于地面下深度z0处点A转动角 则深度z处沉井水平位移x为： x = (z0z)tan将水平力将水平力F

22、H和偏心竖向力和偏心竖向力FV (=F G)等效为距基底作用高度为等效为距基底作用高度为的水平力的水平力FH，即：，即： VHHHF eF lMFF29Hunan University5.沉井基础maxdd/2min1xOZZ1zxFVeFHlha)b)FHh2z1hh0Zd/20沉井底面受到的抗力：沉井底面受到的抗力：/ 2010tan2ddCC其中： Cz = mz C0 =mh即土的横向抗力沿深度呈二次抛物线变化，若基底竖向地基系数C0不变， zx =xCz =Cz (z0z)tan 沉井受到的沉井受到的横向抗力横向抗力zx 式中C0按桩基计算方法确定，但不得小于10 m0。30Huna

23、n University5.沉井基础上述各式上述各式z0和和为未知数，可由静力平衡导得：为未知数，可由静力平衡导得： 式中b1为基础计算宽度，W为基底截面模量。联立求解可得：联立求解可得：21H01466,tan23b hhdWFzAmhb hh其中：310018,23hCb hWdmhACCh HZX1H10000 tan0hhXFbdzFbmz zzdzH 1zx 1d0020 0hMF hb z dzW31Hunan University5.沉井基础H06zxFz zzAhm axVHm in03FF dAA将此代入上述各式得土体横向抗力：土体横向抗力： 基底边缘处压应力：基底边缘处压应

24、力： 式中A0为基底面积。离地面下深度离地面下深度z处截面弯矩为：处截面弯矩为：H11103H1H0 22zzzxMFhzbzzdzF b zFhzzzhA32Hunan University5.沉井基础 基底嵌入基岩，在水平力和竖直偏心荷载作用下，可假定基底不产生水平位移，故旋转中心A与基底中心重合，即z0 = h。 基底嵌入处将存在一水平阻力FR，其对A点的力矩可忽略不计。取弯矩平衡可导得：HtanFmhD n 基底嵌入基岩内基底嵌入基岩内31612bhWdD其中1dd/2hhAzxFRzxFHOz33Hunan University5.沉井基础21R1HH016hzxb hFbdzFFD

25、31HH212zb F zMFhzhzDh由 X= 0可得：地面下深度地面下深度z处截面上的弯矩为处截面上的弯矩为：n 尚需注意,当基础仅受偏心竖向力FV作用时,，上述各式不能应用。此时应以 M=FVe 代替上述各式中FHh1，同理可导得上述两种情况下相应的计算公式。H zxFhz zDhVHmaxmin2FF dAD土体横向抗力：土体横向抗力：基底边缘处压应力基底边缘处压应力基底嵌入处水平阻力基底嵌入处水平阻力FR34Hunan University5.沉井基础 = ( z0h2 ) tan+ 00为为h2范围内台身弹性挠曲变形引起的墩顶水平位移范围内台身弹性挠曲变形引起的墩顶水平位移322

26、2032H hM hE IE I其中：FH、M为墩顶作用的水平力及弯矩计入基础实际刚度对地面处水平位移及转角的影响后(tan)，可写为：=(z0 K1+h2 K2)+0K1、K2水平位移影响系数，根据h及/h查书表5-2。墩台顶水平位移：墩台顶水平位移：35Hunan University5.沉井基础4tancoszxzc1234tancos3 hxhc124tancoshxhc MMg8 . 012n 横向抗力横向抗力经验表明最大横向抗力大致在z = h/3和z = h处，故式中 1取决于上部结构形式的系数，一般取11，对于拱桥10.7；2考虑恒载弯矩Mg对总弯矩M的影响系数，即 要求要求z

27、x应小于井周土的极限抗力值，而极限抗力以应小于井周土的极限抗力值，而极限抗力以土压力表示，即：土压力表示，即： zx PpPa 由朗金土压力理论可得：由朗金土压力理论可得：36Hunan University5.沉井基础n墩台顶水平位移墩台顶水平位移L5 . 0其中：L为相邻跨中最小跨的跨度（m），当L20m时宜时宜优先考虑优先考虑n采用多头钻机开槽，每段槽采用多头钻机开槽，每段槽孔长度可取孔长度可取68m，采用抓斗，采用抓斗式或冲击式钻机成槽，每段长式或冲击式钻机成槽，每段长度可更大。墙体深度可达几十度可更大。墙体深度可达几十米。米。46Hunan University5.沉井基础 槽段的连

28、接槽段的连接 接头应满足受力和防渗要求。国接头应满足受力和防渗要求。国内多用接头管连接非刚性接头。当内多用接头管连接非刚性接头。当单元槽段土体被挖除后，在一端先单元槽段土体被挖除后，在一端先吊放接头管，再吊入钢筋笼，浇筑吊放接头管，再吊入钢筋笼，浇筑混凝土，然后逐渐拔出接头管，形混凝土，然后逐渐拔出接头管，形成半圆形接头。成半圆形接头。拔出接头管浇灌混凝土已挖好槽段5.4.3.已完成段安放钢筋笼已完成槽段2.1.未开挖段接头管导墙未开挖槽段47Hunan University5.沉井基础 槽段砼浇注槽段砼浇注在吊放钢筋笼前须对槽段在吊放钢筋笼前须对槽段进行检测，槽底淤泥厚应进行检测，槽底淤泥厚应150250mm；制作、吊放钢筋笼；钢筋制作、吊放钢筋笼；钢筋绑扎一般可先用铅丝临时固定，绑扎一般可先用铅丝临时固定，再