任务13 沉井基础的设计

任务13沉井基础的设计任务13-1沉井基础的类型和构造一、理论知识1.沉井基础的基本知识a）定义：用一个事先筑好的、以后能充当桥梁墩台或结构物基础的井筒状结构物；b）井筒状结构物四周有壁、上部无盖、下部无底、通常用混凝土或钢筋混凝土作成；c）沉井基础适用于地基浅层较差而深部较好的底层，尤其适用于软土中地下建筑物的基础；任务13沉井基础的设计任务13-1沉井基础的类型和构造一、理论知识1.沉井基础的基本知识d）下列情况可优先考虑沉井基础：i）上部结构荷载较大，表层地基土承载力不足，而在一定深度下有较好的持力层，且与其他基础方案相比较为经济合理；ii）山区河流中浅层地基土虽然较好，但冲刷大，或河中有较大卵石不便桩基础施工时；iii）倾斜不大的岩面，在掌握岩面高差变化的情况下，可通过高低刃脚与岩面倾斜相适应或岩面平坦且覆盖薄、但河水较深、采用扩大基础施工围堰有困难时。任务13沉井基础的设计任务13-1沉井基础的类型和构造一、理论知识2.沉井基础的类型（1）按平面形状分a）圆形沉井；b）矩形沉井：边角土不易挖除，下沉易产生倾斜；c）圆端形沉井任务13沉井基础的设计任务13-1沉井基础的类型和构造一、理论知识2.沉井基础的类型（2）按沉井的井孔布置方式分a）单孔沉井；b）双孔沉井；c）多孔沉井。任务13沉井基础的设计任务13-1沉井基础的类型和构造一、理论知识2.沉井基础的类型（3）按沉井的竖向剖面形状分a）柱形；b）阶梯形；c）锥形。任务13沉井基础的设计任务13-1沉井基础的类型和构造一、理论知识2.沉井基础的类型（4）按沉井的建筑材料分a）混凝土沉井：多做成圆形，适用于下沉深度不大（4～7m）的松软土层中；b）钢筋混凝土沉井：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制造的沉井。在桥梁工程中应用广泛；c）竹筋混凝土沉井；d）钢沉井；任务13沉井基础的设计任务13-1沉井基础的类型和构造一、理论知识3.沉井基础的构造主要由外井壁、刃脚、隔墙、井孔、凹槽、射水管、封底及顶板等组成。（1）井壁沉井的外壁，是沉井的主体部分。井壁必须具有足够的强度和一定的厚度，并根据施工过程中的受力情况配置竖向及水平向钢筋。一般壁厚为0.80～1.50m，最薄不宜小于0.4m，混凝土强度等级不低于C15.（2）刃脚刃脚是井壁下端形如楔形的部分，其作用是利用沉井切土下沉。刃脚地面（踏面）宽度一般小于150mm。刃脚内侧斜面与水平面夹角不宜小于45度，刃脚高度一般大于1.0m，混凝土强度等级宜大于C20.任务13沉井基础的设计任务13-1沉井基础的类型和构造一、理论知识3.沉井基础的构造（3）隔墙作用是将沉井空腔分隔成多个井孔。隔壁厚度一般小于井壁约0.5～1.0m。隔墙底面应高出刃脚底面0.5m以上，避免被土挡住而妨碍下沉。若为人工挖土，还应在隔墙下端设置过人孔，以便工作人员井孔间往来。（4）井孔为挖土排土的工作场所和通道。最小边长不宜小于3m。井孔应对称布置，以便对称挖土，保证沉井均匀下沉。（5）凹槽凹槽位于刃脚内侧上方，用于沉井封底时使井壁与封底混凝土较好地结合，使封底混凝土底面反力更好地传递给井壁。凹槽高约1.0m，深度一般为150～300mm。任务13沉井基础的设计任务13-1沉井基础的类型和构造一、理论知识3.沉井基础的构造（6）射水管当沉井下沉较深，土阻力较大，估计下沉困难时，可在井壁中预埋射水管组。射水管应均匀布置，一般水压不小于600kPa。（7）封底沉井沉至设计标高进行清基后，便在刃脚踏面以上至凹槽处浇注混凝土形成封底。封底混凝土顶面应高出凹槽0.5m，混凝土强度等级一般不低于C15，并孔内填充的混凝土强度等级不低于C10。（8）顶板顶板厚度一般为1.5～2.0m，钢筋配置由计算确定。沉井井孔是否填充，应根据受力或稳定要求决定。在严寒地区，低于冻结线0.25m以上部分，必须使用混凝土或圬工填实。任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识沉井基础设计与计算的内容：a）沉井尺寸拟定及验算（计算）；b）按实体基础进行各项验算；c）结构强度计算。任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识沉井基础在设计前，应收集相关资料，主要包括：a）水文地质资料；b）上部结构资料；c）拟采用的施工方法；沉井基础的设计内容：a）拟定沉井各部分尺寸；b）各部分结构计算；c）沉井基础作为整体基础的计算；d）验算：基底应力、稳定性、基底偏心、沉降量等等。任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识1.沉井各部分尺寸的选定（1）沉井高度和分节a）沉井顶面和底面两个标高之差为沉井的高度；b）沉井基础底面标高应根据冲刷深度和地基、承载力等因素确定；c）沉井顶面不应高出最低水位；d）较高、较重的沉井应分节制造下沉，沉井的分节高度一般为5～7m，底节不宜过高，一般为5～6m。在松软土层中下沉的沉井，为保证稳定，其底节高度不应大于沉井宽度的0.8倍。为减少下沉时同土对井壁的摩阻力，在分节处一般留有台阶，台阶宽度为10～20cm。任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识1.沉井各部分尺寸的选定（2）确定沉井平面形状和尺寸a）沉井顶面的平面尺寸在设计时应满足墩台身底面尺寸及基底受力两方面的要求；b）沉井平面形状应当根据其上部建筑物或墩台底部的平面形状决定。对矩形或圆端形桥墩，可采用相应形状的沉井，采用矩形沉井时，为保证下沉的稳定性，沉井的长边与短边之比不宜大于3；当墩的长宽较为接近时，可采用方形或圆形沉井；c）设计时一般先按墩台身底面尺寸的要求初拟沉井平面尺寸，经基底受力检算合格后确定。沉井顶面尺寸等于墩台身底面尺寸加襟边宽度，襟边的最小宽度一般不小于沉井度的1/50，且不小于200mm，若为浮式沉井，再另加宽250mm。任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识1.沉井各部分尺寸的选定（2）确定沉井平面形状和尺寸d）沉井基础的验算也称为沉井基础的设计计算。包括沉井作为整体深基础的计算和在施工过程中的计算两部分；e）根据沉井基础的埋置深度不同有两种计算方法：i）当沉井埋深在最大冲刷线以上仅数米时，可不考虑基础侧面土的横向抗力影响，按浅基础设计计算；ii）当埋深较深时，沉井周围土体对沉井的约束作用不可忽视，此时在验算地基应力、变形及沉井的稳定性时，应考虑基础侧面土体弹性抗力的影响。任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识2.沉井施工过程中的结构强度计算沉井结构在施工过程中主要需进行下列验算：（1）沉井自重下沉验算沉井自重应大于土对井壁的摩阻力，两者之比称为下沉系数K，一般要求（2）底节沉井竖向挠曲验算若挠曲应力大于沉井材料纵向抗拉强度，应增加底节沉井高度或在井壁内设置水平向钢筋，防止沉井竖向开裂。任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识2.沉井施工过程中的结构强度计算沉井结构在施工过程中主要需进行下列验算：（3）沉井刃脚受力计算沉井在下沉过程中，刃脚受力可简化为竖向和水平受力。竖向分析时，根据刃脚内外侧作用力的不同可能向外或向内挠曲；在水平面上，在水、土压力作用下在水平面内发生弯曲变形。（4）井壁受力计算a）井壁竖向拉应力验算b）井壁横向受力计算任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识2.沉井施工过程中的结构强度计算沉井结构在施工过程中主要需进行下列验算：（5）混凝土封底及顶板计算a）封底混凝土计算b）钢筋混凝土顶板计算顶板厚度一般预先拟定再进行配筋计算，计算时按承受最不利均布荷载的双向板考虑。任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识3.考虑土体弹性抗力的沉井设计与计算考虑沉井侧壁土体弹性抗力时，通常可作如下基本假定：a）地基土为弹性变形介质，水平向地基系数随深度以正比例增加；b）不考虑基础与土之间的黏着力和摩阻力；c）沉井刚度与土的刚度之比视为无限大，横向力作用下职能发生转动而无挠曲变形。任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识3.考虑土体弹性抗力的沉井设计与计算根据基础底面的地质情况，又可分为两种情况：（1）非岩石地基（包括沉井立于风化岩层内和岩面上）a）土体横向抗力b）基底边缘处压应力c）离地面或zuida冲刷线以下z深度处基础截面上的弯矩为任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识3.考虑土体弹性抗力的沉井设计与计算根据基础底面的地质情况，又可分为两种情况：（2）基底嵌入基岩内a）土体横向抗力b）基底边缘处压应力c）离地面或zuida冲刷线以下z深度处基础截面上的弯矩为任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识3.考虑土体弹性抗力的沉井设计与计算（3）墩台顶水平位移基础在水平力和力矩作用下，墩台顶水平位移由地面处水平位移z0tanw、地面至墩顶h2范围内水平位移h2tanw及台身弹性挠曲变形在h2范围内引起的墩顶水平位移三部分所组成：基础的实际刚度并非无穷大，对墩顶的水平位移必有影响。故通常采用系数K1和K2来反映实际刚度对地面处水平位移及转角的影响。因此任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识3.考虑土体弹性抗力的沉井设计与计算（4）验算a）基底应力要求计算所得的最大压应力不超过沉井底面处土的承载力，即b）横向抗力考虑到桥梁结构性质和荷载情况，且经验表明最大的横向抗力大致在z＝h/3和z＝h处，即任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识3.考虑土体弹性抗力的沉井设计与计算（4）验算c）墩台顶面水平位移现行规范规定墩顶水平位移应满足cm，L为相邻跨中最小跨的跨度，当L<25m时，取L＝25m。任务13沉井基础的设计任务13-2沉井基础的设计一、理论知识4.沉井基础标准图的应用对铁道部第一勘测设计院编制壹桥4203图的适用条件：a）沉井穿过的土层是软土及松散砂类土，土对井壁的摩擦力f<=12k