土力学地基与基础课程讲义9沉井基础

第十章沉沉井基基础§10.1沉井基础概述述§10.2沉井基础的类类型与构造§10.3沉井基础的设设计计算§10.4沉井基础设计计计算示例主要内容§10.1沉井基础概述述沉井的概念:是井筒状的结结构物(图1)。它是以井内内挖土，依靠靠自身重力克克服井壁摩阻阻力后下沉到到设计标高，，然后经过混混凝土封底并并填塞井孔，，使其成为桥桥梁墩台或其其它结构物的的基础(图2)。沉井下沉示意意图沉井基础沉井的优点：：埋置深度可以以很大，整体体性强、稳定定性好，有较较大的承载面面积，能承受受较大的垂直直荷载和水平平荷载；沉井井既是基础，，又是施工时时的挡土和挡挡土围堰结构构物，施工工工艺并不复杂杂，因此在桥桥梁工程中得得到较广泛的的应用。同时时，沉井施工工时对邻近建建筑物尤其是是软土中地下下建筑物的基基础，也常用用作为矿用竖竖井、地下油油库等。沉井的的缺点点：施工期期较长长；对对粉细细砂类类土在在井内内抽水水易发发生流流砂现现象，，造成成沉井井倾斜斜；沉沉井下下沉过过程中中遇到到的大大孤石石、树树干或或井底底岩层层表面面倾斜斜过大大，均均会给给施工工带来来一定定困难难。沉井井根据据经经济济合合理理、、施施工工上上可可能能的的原原则则，，一一般般在在下下列列情情况况，，可可以以采采用用沉沉井井基基础础：：1.上部部荷荷载载较较大大，，而而表表层层地地基基土土的的容容许许承承载载力力不不足足，，做做扩扩大大基基础础开开挖挖工工作作量量大大，，以以及及支支撑撑困困难难，，但但在在一一定定深深度度下下有有好好的的持持力力层层，，采采用用沉沉井井基基础础与与其其他他深深基基础础相相比比较较，，经经济济上上较较为为合合理理的的；；2.在山山区区河河流流中中，，虽虽然然土土质质较较好好，，但但冲冲刷刷大大，，或或河河中中有有较较大大卵卵石石不不便便桩桩基基础础施施工工时时；；3.岩层表面面较平坦坦且覆盖盖层薄，，但河水水较深；；采用扩扩大基础础施工围围堰有困困难时。。§10.2沉井基础础的类型型与构造造一、沉井井的分类类(一)按沉井的的施工方方法分类类1.一般沉井井：指就地制制造下沉沉的沉井井，这种种沉井是是在基础础设计的的位置上上制造，，然后挖挖土靠沉沉井自重重下沉。。如基础础位置在在水中，，需先在在水中筑筑岛，再再在岛上上筑井下下沉。2.浮运沉井井：在深水地地区筑岛岛有困难难或不经经济，或或有碍通通航当河河流流速速不大时时，可采采用岸边边浇筑浮浮运就位位下沉的的方法，，这类沉沉井称为为浮运沉沉井或浮浮式沉井井。(二)按沉井形形状分类类常用的有有圆形、圆端形和矩形等。根据据井孔的的布置方方式，又又有单孔孔、双孔孔及多孔孔的分别别。沉井平面面形式a)单孔沉井井；b)双孔沉井井；c)多孔沉井井1.按沉沉井井的的平平面面形形状状：：圆形形沉沉井井：：沉井井在在下下沉沉过过程程中中易易控控制制方方向向；；使使用用抓抓泥泥斗斗挖挖土土，，要要比比其其他他类类型型的的沉沉井井，，更更能能保保证证其其刃刃脚脚均均匀匀地地支支承承在在土土层层上上；；在在侧侧压压力力作作用用下下，，井井壁壁只只受受轴轴向向力力(侧压压力力均均布布时时)，或或稍稍受受挠挠曲曲(侧压压力力非非均均布布时时)；对对水水泥泥方方向向正正交交或或斜斜交交均均有有利利，，也也即即承承受受水水平平土土压压力力和和水水压压力力性性能能良良好好。。矩形沉井井：具有制造造简单，，基础受受力有利利的优点点，常能能配合墩墩台(或其他结结构物)底部平面面形状。。四角一一般做成成圆角，，可有效效改善转转角处的的受力条条件，减减缓应力力集中现现象，以以降低井井壁摩阻阻力和避避免取土土清孔的的困难。。矩形沉沉井在侧侧压力作作用下，，井壁受受较大的的挠曲力力矩；在在流水中中阻水系系数较大大，冲刷刷较严重重。圆端形沉沉井：控制下沉沉、受力力条件、、阻水冲冲刷均较较矩形者者有利，，但沉井井制造较较复杂。。对平面面尺寸较较大的沉沉井，可可在沉井井中设置置隔墙，，使沉井井由单孔孔变成双双孔或多多孔2.按沉井的的立面形形状主要有竖直式、倾斜式及台阶式等。采用用形式应视沉井井需要通通过的土土层性质质和下沉沉深度而而定。上述各类类沉井的的适用条条件：外壁竖直直形式的的沉井，，它在下沉沉过程中中不易倾倾斜，井井壁接长长较简单单，模板板可重复复使用。。故当土土质较松松软，沉沉井下沉沉深度不不大，可可以采用用这种形形式。倾斜式及及台阶式式井壁可以以减少土土与井壁壁的摩阻阻力，其其缺点是是施工较较复杂，，消耗模模板多，，同时沉沉井下沉沉过程中中容易发发生倾斜斜。故在在土质较较密实，，沉井下下沉深度度大，要要求在不不太增加加沉井本本身重量量的情况况下沉至至设计标标高，可可采用这这类沉井井。台阶式井井壁的台台阶宽度度约为100～200mm。倾斜式式的沉井井井壁坡坡度一般般为1/20～1/50，外壁倾倾斜式沉沉井同样样可以减减少下沉沉时井壁壁外侧土土的阻力力，但这这类沉井井具有下下沉不稳稳定，制制造困难难等缺点点，故较较少使用用。1.混凝凝土土沉沉井井：：混凝凝土土沉沉井井的的特特点点是是抗抗压压强强度度高高，，抗抗拉拉能能力力低低，，因因此此这这种种沉沉井井宜宜做做成成圆圆形形，，并并适适用用于于下下沉沉深深度度不不大大(4～7m)的软软土土层层中中。。2.钢筋筋混混凝凝土土沉沉井井：：这种种沉沉井井的的抗抗拉拉及及抗抗压压能能力力较较好好，，下下沉沉深深度度可可以以很很大大(达数数十十米米以以上上)，当当下下沉沉深深度度不不很很大大时时，，井井壁壁上上部部用用混混凝凝土土，，下下部部(刃脚脚)用钢钢筋筋混混凝凝土土，，在在桥桥梁梁工工程程中中得得到到较较广广泛泛的的应应用用。。当当沉沉井井平平面面尺尺寸寸较较大大时时，，可可做做成成薄薄壁壁结结构构，，沉沉井井外外壁壁采采用用泥泥浆浆润润滑滑套套，，壁壁后后压压气气等等施施工工辅辅助助措措施施就就地地下下沉沉或或浮浮运运下下沉沉。。此此外外，，钢钢筋筋混混凝凝土土沉沉井井井井壁壁隔隔离离墙墙可可分分段段(块)预制制，，工工地地拼拼接接，，做做成成装装配配式式。。3.竹筋筋混混凝凝土土沉沉井井：：沉井井在在下下沉沉过过程程中中受受力力较较大大因因而而需需配配置置钢钢筋筋，，一一旦旦完完工工后后，，它它就就不不再再承承受受多多大大的的拉拉力力，，因因此此，，在在南南方方产产竹竹地地区区，，可可以以采采用用耐耐久久性性差差但但抗抗拉拉力力好好的的竹竹替替部部分分钢钢筋筋，，我我国国南南昌昌赣赣江江大大桥桥等等曾曾用用这这种种沉沉井井。。在在沉沉井井分分节节接接头头处处及及刃刃脚脚仍仍用用钢钢筋筋。。一般般沉沉井井构构造造上上主主要要由由井壁壁、、刃刃脚脚、、隔隔墙墙、、井井孔孔、、凹凹槽槽、、射射水水管管、、封封底底和和盖盖板板等组组成成。。二、、沉沉井井基基础础的的构构造造1.井壁壁井壁壁是是沉沉井井的的主主要要部部分分。。它它在在沉沉井井下下沉沉过过程程中中起起挡挡土土、、挡挡水水及及利利用用本本身身重重量量克克服服土土与与井井壁壁之之间间的的摩摩阻阻力力的的作作用用。。当当沉沉井井施施工工完完毕毕后后，，它它就就成成为为基基础础或或基基础础的的一一部部分分而而将将上上部部荷荷载载传传递递给给地地基基。。因因此此，，井井壁壁必必须须具具有有足足够够的的强强度度和和一一定定的的厚厚度度。。根根据据井井壁壁在在施施工工中中的的受受力力情情况况，，可可以以在在井井壁壁内内配配置置竖竖向向及及水水平平向向钢钢筋筋，，以以增增加加井井壁壁强强度度。。井井壁壁厚厚度度按按下下沉沉需需要要的的自自重重，，本本身身强强度度以以及及便便于于取取土土和和清清基基等等因因素素而而定定，，一一般般为为0.80～1.50m，为为便便于于绑绑扎扎钢钢筋筋及及浇浇筑筑混混凝凝土土，，其其厚厚度度不不宜宜小小于于0.4m。钢钢筋筋混混凝凝土土薄薄壁壁沉沉井井可可不不受受此此限限制制。。井井壁壁的的混混凝凝土土强强度度等等级级不不低低于于C15。2.刃脚脚井壁下下端形形如楔楔状的的部分分称为为刃脚脚。其其作用用是在在沉井井自重重作用用下易易于切切土下下沉。。刃脚脚底面面(踏面)宽度一一般为为0.1～0.2m，对软软土可可适当当放宽宽。下下沉深深度大大，且且土质质较硬硬，刃刃脚底底面应应以型型钢(角钢或或槽钢钢)加强(图5-7)，以防刃脚脚损坏。刃刃脚内侧斜斜面与水平平面的夹角角一般为45°～60°。刃脚高度度视井壁厚厚度、便于于抽除垫木木而定，一一般当沉井井湿封底时时，取1.5m左右；干封封底时，取取0.6m左右。由于于刃脚在沉沉井下沉过过程中受力力较集中，，故刃脚宜宜采用C20以上的钢筋筋混凝土制制成。刃脚构造3.隔墙沉井平面尺尺寸较大，，也即井壁壁跨径较大大时，应在在沉井内设设置隔墙，，以加强沉沉井的刚度度，使井壁壁的挠曲应应力减小，，其厚度一一般小于井井壁。隔墙墙底面应高高出刃脚底底面0.5m以上，避避免隔墙墙下的土土顶住沉沉井而妨妨碍下沉沉。也可可在刃脚脚与隔墙墙联结处处设置埂埂肋加强强刃脚与与隔墙的的连结。。如为人人工挖土土，在隔隔墙下端端应设置置过人孔孔，便于于工作人人员井孔孔间往来来。4.井孔井孔是挖挖土排土土的工作作场所和和通道。。井孔尺尺寸应满满足施工工要求，，宽度(直径)不宜小于于3m。井孔布布置应对对称于沉沉井中心心轴，便便于对称称挖土使使沉井均均匀下沉沉。5.凹槽凹槽设在在井孔下下端近刃刃脚处，，其作用用是使封封底混凝凝土与井井壁有交交好的接接合，封封底混凝凝土底面面的反力力更好的的传给井井壁(如井孔全全部填实实的实心心沉井也也可不设设凹槽)。凹槽深深度约0.15～0.25m，高约1.0m。6.射水管6.射水管当沉井下下沉深度度大，穿穿过的土土质又较较好，估估计下沉沉会产生生困难时时，可在在井壁中中预埋射射水管组组。射水水管应均均匀布置置，以利利于控制制水压和和水量来来调整下下沉方向向。一般般水压不不小于600kPa。如使用用泥浆润润滑套施施工方法法时，应应有预埋埋的压射射泥浆管管路。7.封底和盖盖板沉井沉至至设计标标高进行行清基后后，便浇浇筑封底底混凝土土。混凝凝土达到到设计强强度后，，可从井井孔中抽抽干水井井填满混混凝土或或其它圬圬工材料料。如井井孔中不不填料或或仅填以以砂砾则则须在沉沉井顶面面筑钢筋筋混凝土土盖板。。封底混混凝土底底面承受受地基土土和水的的反力，，这就要要求封底底混凝土土有一定定的厚度度(可由应力力验算决决定)，其厚度度根据经经验也可可取不小小于井孔孔最小边边长的1.5倍。封底底混凝土土顶面应应高出刃刃脚根部部不小于于0.5m，并浇灌灌到凹槽槽上端。。封底混混凝土标标号对岩岩石地基基用C15；一般地地基用C20。盖板厚厚度一般般为1.5～2.0m。井孔中中充填的的混凝土土，其强强度等级级不应低低于C10。§10.3沉井基础础的设计计计算主要内容容：①拟定外形形尺寸、、高度、、壁厚②视为天然然地基上上深基础础的地基基强度及及变形验验算③施工阶段段刃脚、、井壁的的强度计计算④使用阶段段井壁及及顶板、、底板强强度计算算基本假定定：①地基土为为弹性变变形介质质，水平平向地基基系数随随深度成成正比例例增加(即m法)②不考考虑虑基基础础与与土土之之间间的的粘粘着着力力和和摩摩阻阻力力③沉井井刚刚度度与与土土刚刚度度之之比比为为无无限限大大，，横横向向力力作作用用下下只只产产生生转转动动而而无无挠挠曲曲变变形形根据据基基底底地地质质情情况况，，可可分分为为非非岩岩石石地地基基和和基基底底嵌嵌入入基基岩岩内内两两种种情情况况分分析析考虑虑土土体体弹弹性性抗抗力力的的沉沉井井设设计计与与计计算算10.3.1沉井井作作为为整整体体深深基基础础的的计计算算1.非岩岩石石地地基基在FH作用用下下，，沉沉井井将将围围绕绕位位于于地地面面下下深深度度z0处点点A转动动ω角则深深度度z处沉沉井井水水平平位位移移Δx为：：Δx=(z0z)··tanω将水水平平力力FH和偏偏心心竖竖向向力力FV(=F＋G)等效效为为距距基基底底作作用用高高度度为为λ的水水平平力力FH，即即：：非岩岩石石地地基基计计算算示示意意沉井井底底面面受受到到的的抗抗力力：：其中中：：Cz=mzC0=mh即土土的的横横向向抗抗力力沿沿深深度度呈呈二二次次抛抛物物线线变变化化，，若若基基底底竖竖向向地地基基系系数数C0不变变，，σzx=ΔxCz=Cz(z0z)··tanω沉井井受受到到的的横向向抗抗力力σzx式中中C0按桩桩基基计计算算方方法法确确定定，，但但不不得得小小于于10m0。非岩岩石石地地基基计计算算示示意意上述述各各式式z0和ω为未未知知数数，，可可由由静静力力平平衡衡导导得得：：式中中b1为基基础础计计算算宽宽度度，，W为基基底底截截面面模模量量。。联立立求求解解可可得得：：其中中：：将此此代代入入上上述述各各式式得得土体体横横向向抗抗力力：：基底底边边缘缘处处压压应应力力：：式中中A0为基基底底面面积积。。离地面面下深深度z处截面面弯矩矩为：：基底嵌嵌入基基岩，，在水水平力力和竖竖直偏偏心荷荷载作作用下下，可可假定定基底底不产产生水水平位位移，，故旋旋转中中心A与基底底中心心重合合，即即z0=h。基底嵌嵌入处处将存存在一一水平平阻力力FR，其对对A点的力力矩可可忽略略不计计。取弯矩矩平衡衡可导导得：：2.基底嵌嵌入基基岩内内基底嵌嵌入基基岩内内计算算由∑X=0可得：：地面下下深度度z处截面面上的的弯矩矩为：尚需注注意,当基础础仅受受偏心心竖向向力FV作用时时,λ→∞，上述述各式式不能能应用用。此此时应应以M=FV·e代替上上述各各式中中FHh1，同理理可导导得上上述两两种情情况下下相应应的计计算公公式。。土体横横向抗抗力：：基底边边缘处处压应应力基底嵌嵌入处处水平平阻力力FR横向抗抗力经验表表明最最大横横向抗抗力大大致在在z=h/3和z=h处，故故式中η1—取决决于于上上部部结结构构形形式式的的系系数数，，一一般般取取η1＝1，对对于于拱拱桥桥η1＝0.7；η2—考虑虑恒恒载载弯弯矩矩Mg对总总弯弯矩矩M的影影响响系系数数，，即即3.沉井井基基础础验验算算要求求σzx应小小于于井井周周土土的的极极限限抗抗力力值值，，而而极极限限抗抗力力以以土土压压力力表表示示，，即即：：σzx≤PpPa由朗金土压力力理论可得：：墩台顶水平位位移其中：L为相邻跨中最最小跨的跨度度（m），当L<25m，取L＝25m。此外，对高而而窄