基础工程第二版沉井

1、 第一节 概 述 第二节 沉井的构造及施工工艺 第三节 沉井的设计与计算 第五章 沉井基础2022/9/291基础工程第二版沉井第五章 沉井基础第一节、概 述1. 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 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。 2022/9/292基础工程第二版沉井2022/9/293基础工程第二版沉井

2、 江阴长江大桥(1999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1.8万吨的桥面就要下降12厘 米。如果发生左

3、右位移，整个设计方案就会前功尽弃。2022/9/294基础工程第二版沉井2022/9/295基础工程第二版沉井2022/9/296基础工程第二版沉井 2022/9/297基础工程第二版沉井3. 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 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。2022/9/298基础工程第二版沉

4、井第二节 沉井的构造及施工工艺 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。 2022/9/299基础工程第二版沉井1. 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4560，刃脚高度当沉井湿

5、封底取1.5m左右，干封底取0.6m左右。2022/9/2910基础工程第二版沉井2022/9/2911基础工程第二版沉井2022/9/2912基础工程第二版沉井3. 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

6、轴，便于对称挖土使沉井均匀下沉。2022/9/2913基础工程第二版沉井5. 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。 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

7、理。 2022/9/2914基础工程第二版沉井 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200200mm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。二、旱地沉井的施工2022/9/2915基础工程第二版沉井3. 拆模及抽垫 沉井混凝土达到设计强度70%时可拆除

8、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。2022/9/2916基础工程第二版沉井5. 接高沉井 第一节沉井顶面下

9、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。 2022/9/2917基础工程第二版沉井2022/9/2918基础工程第二版沉井三、水上沉井的施工 水上施工沉井有两种

10、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。2022/9/2919基础工程第二版沉井2022/9/2920基础工程第二版沉井第三节 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

11、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。 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2022/9/2921基础工程第二版沉井 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

12、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，即相当于“m”法中h2.5的情况。 下面具体讨论这种计算方法。2022/9/2922基础工程第二版沉井（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： 先讨论沉井在水平力H作用下的情况，水平力的作用下

13、，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 zx = xCz = mz(z0z)tg 式中 z0 转动中心A离地面的距离土的横向抗力沿深度为二次抛物线变化。2022/9/2923基础工程第二版沉井2022/9/2924基础工程第二版沉井 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。 式中 C0不得小于10m0，d为基底宽度或直径。 X0 M0 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 式中：W为基底的截面模量。 2022

14、/9/2925基础工程第二版沉井求得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 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 2022/9/2926基础工程第二版沉井 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 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 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。2022/9/2927

15、基础工程第二版沉井2022/9/2928基础工程第二版沉井 由MA0便可解出tg，代入式(5-13)和式(5-14)，可进一步求得： 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 2022/9/2929基础工程第二版沉井（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容许承载力fh。即 max f 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 - pa2. 横向抗

16、力验算2022/9/2930基础工程第二版沉井 由朗金土压力理论可知式中 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； 2022/9/2931基础工程第二版沉井 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。 1取决于上部结构形式的系数，一般1=1

17、，对于拱桥1=0.7； 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 3. 墩台顶面水平位移验算2022/9/2932基础工程第二版沉井 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。=(z0+h2)tg+0因此，墩台顶面会产生水平位移为：2022/9/2933基础工程第二版沉井2022/9/2934基础工程第二版沉井2022/9/2935基础工程第二版沉井2022/9/2936基础工程第二版沉井2022/9/2937

18、基础工程第二版沉井2022/9/2938基础工程第二版沉井2022/9/2939基础工程第二版沉井2022/9/2940基础工程第二版沉井2022/9/2941基础工程第二版沉井作业：习题5-12022/9/2942基础工程第二版沉井 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； 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； 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

19、在施工过程中应主要进行下列验算。 二、沉井的结构设计（一）下沉系数K1，下沉稳定系数K1和抗浮安全系数K22022/9/2943基础工程第二版沉井 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：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。 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。2022/9/2944基础工程第二版沉井

20、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。 F 封底后沉井所受的总浮力，kN；2022/9/2945基础工程第二版沉井（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： 框架作用： 2022/9/2946基础工程第二版沉井1. 竖向挠曲计算（沉井抽承垫木时计算）（三）井壁计算 (1) 排水挖土下沉 (2) 不排水挖土下沉图5-16 第一节沉井支承点布置示意2022/9/2947基础工程第二版沉井2. 沉井均布竖向拉力计算（井壁竖直钢筋验算）3. 沉井井壁水平应力计算（井壁水平钢筋计算） 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。 作用在井壁上的水、土压力沿沉井深