第5章沉井基础

5.沉井基础内容提要

沉井基础的分类、构造及施工地下连续墙简介5.1概述

沉井：带刃脚的井筒状构造物，用人工或机械方法清除井内土石，主要借自重克服井壁与土层摩阻，逐节下沉至基底设计标高的基础。

特点埋深大（hmax=220m），适用于深水，整体性强，稳定性好，承载力大；既是基础，又是挡土和挡水围堰构造物；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。

适用条件上部荷载较大在山区河流中冲刷大河水较深，采用扩大基础施工围堰有困难5.1.1沉井的作用及适用条件下沉方式：就地制造下沉沉井(一般沉井)、浮运沉井制作材料：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,砖石沉井,木沉井5.1.2沉井的分类

外观形状：平面：力求简单对称，利于受力，便于施工，有圆形、矩形和圆端形等a)柱形；b)阶梯形；c)阶梯形；d)锥形

沉井立面形状剖面：柱形(下沉过程不易倾斜、井壁接长简单，模板反复利用)；阶梯形；锥形(下沉阻力小)5.1.3沉井基础的构造

沉井组成刃脚井壁隔墙井孔凹槽封底盖板井壁:沉井主体部分，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。一般厚0.8～1.5m，每节高≤5m，砼强度等级≥C15。刃脚：井壁下端楔状部分，利于切入土中加速下沉一般底面(踏面)宽度不大于150mm，软土可适当放宽；若下沉深度大，土质较硬，底面以型钢（角钢或槽钢）加强；刃脚内侧斜面与水平面夹角不宜小于45度。隔墙：将沉井空腔分隔成多个井孔，便于控制挖土下沉，防止或纠正倾斜和偏移，并加强沉井刚度，减小井壁挠曲应力。一般要求厚度为0.5~1.0m，隔墙底高出刃脚底面0.5~1.0m

，避免被土搁住而妨碍下沉。

井孔：挖土排土的工作场所和通道

尺寸：由取土方法定，采用挖土斗取土时，应能使挖土斗自由升降，一般宽度≥3m；井孔应对称布置，以便于对称挖土，保证沉井均匀下沉。

凹槽深约0.15-0.25m，高约1.0m，距刃脚底面1.5m以上封底砼和井壁结合良好，使封底混凝土底面反力更好地传给井壁。

封底和顶板：封底可防止地下水涌入井内，底面承受地基土和水的反力。封底混凝土顶面应高出凹槽0.5m。在井顶设置钢筋混凝土顶板，承托上部结构的全部荷载。顶板厚一般1.5～2.0m，钢筋配置由计算确定。

5.2沉井的施工旱地沉井施工：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、基底检验和处理、封底、充填井孔、浇筑顶盖。水中筑岛：水流速不大，水深<3m时采用，砂岛应高出施工最高施工水位0.5m以上，在岛上浇筑沉井。浮运沉井：水深较大、人工筑岛困难时，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河床。5.2.1旱地沉井施工

铺垫木立模板绑钢筋浇筑混凝土立内模制造沉井刃脚清整场地防止沉井在混凝土浇筑之初因地面沉降不均产生裂缝。制造第一节沉井实例图制造第一节沉井

拆模及抽垫

拆模顺序：井孔模板、外侧模板、隔墙支撑及模板、刃脚面支撑及模板。抽垫顺序：内壁、短边及长边下对称同步。长边隔1根撤1根，最后以定位桩为中心由远而近对称撤除。沉井垫木

除土下沉沉井正常下沉时，应自中间向刃脚处均匀对称除土，排水下沉时应严格控制设计支承点土的排除，并随时注意沉井正位，保持竖直下沉。接高沉井：第一节沉井井顶露出地面不小于0.5m时设置井顶防水围堰：沉井顶面低于地面或水面时基底检验和处理：检验基底地质情况是否与设计相符封底：一般为素混凝土，必须与地基紧密结合井孔填充和顶板浇筑

5.2.2水中沉井施工

水中筑岛无围堰防护土岛有围堰防护土岛围堰筑岛流速≤1.5m/s，水深<3m时水中筑岛下沉沉井

浮运沉井水深筑岛困难时，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。5.2.4沉井下沉所遇问题及处理

偏斜：沉井偏斜大多发生在下沉不深时，由于土质不均、井壁与刃脚中线不重合、抽垫方法欠妥、除土不均匀对称等原因导致沉井偏斜；

纠偏方法：除土、压重、顶部施加水平力、刃脚下支垫难沉：沉井下沉过慢或停沉；原因（正面阻力大、侧阻过大、偏斜、孤石树根等）；解决方法：增加压重和减少井壁摩阻力（射水辅助下沉、加重井壁、增大开挖范围和深度等）突沉：常发生在软土地区，沉井产生较大的倾斜或超沉；主要原因：井壁侧阻较小。

防治措施：均匀挖土，在刃脚处挖土不宜过深；增大刃脚踏面宽度，增设底梁，提高刃脚阻力。流砂：在粉、细砂层中下沉沉井，易出现流砂现象；主要原因：土中动水压力的水头梯度大于临界值；防治措施：井点降水及不排水除土，或向井内回灌水，降低井外水位。5-5其他深基础简介5.5.1

墩基础定义：墩是一种利用机械或人工在地基中开挖成孔后灌注混凝土形成的大直径桩基础，由于其粗大如墩，故称为墩基础。功能：与桩相似，沉降量极小。适用于复杂地质条件，常用于高层建筑中的柱基础。不宜用于荷载较小、地下水位较高、水量较大的小型工程，及相当深度内无坚硬持力层的地区。墩基承载力高，原则上采用一柱一墩；

墩基持力层必须承载力较高且具有一定厚度；

墩基的混凝土强度等级和配筋率应满足最低构造要求；

设计时应明确规定施工和质检方案；

施工前应查明场地的水文地质条件。

墩基础的设计施工要求：定义：成槽机沿着深基础或地下构筑物周边，开挖出具有一定宽度与深度的沟槽，在槽内设置钢筋笼，浇注砼，筑成一个单元的墙段。再继续开挖、浇筑砼，并以某特定接头方式连接墙段，形成一道连续的现浇壁式地下钢筋砼连续墙。作用:基坑开挖时防渗、挡土，邻近建筑物的支护，作为基础的一部分。5.5.2地下连续墙

优点无噪音、无振动，适用于城市与密集建筑群中施工(法国最小距离0.5m，日本0.2m)；土方量小，无需井点降水，造价低，配合逆筑法施工速度快，适用于各种地质条件；能防渗、截水、承重、挡土、抗滑、防爆等。

缺点

施工技术要求高，槽段接头质量控制比较复杂，小型工程造价较高，不适用于岩溶地区、粉、细砂地层。修筑导墙→泥浆护壁→成槽→槽段连接→浇筑砼。修筑导墙：成槽施工前先开挖导沟，修筑钢筋砼(钢、木)导墙，并设临时支撑。作用：导向、容蓄泥浆，支撑设备荷载，维护表土稳定，防止槽口塌方。

地下连续墙的施工泥浆护壁：以膨润土和细粒土在现场加水搅拌制成。作用：平衡水土压力，护壁、防渗、携渣、冷却润滑钻头。成槽采用多头钻机开槽，每段槽孔长可取6～8m，采用抓斗式或冲击式钻机成槽，每段长度可更大。墙体深度可达几十米。

槽段的连接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。在挖除单元槽段土体后，在一端先吊放接头管，再吊入钢筋笼，浇筑砼后逐渐拔出接头管，形成半圆形接头。

槽段砼浇注吊放钢筋笼前须检测槽段；制作、吊放钢筋笼；钢筋绑扎一般可先用铅丝临时固定，再点焊焊条、拆除铅丝；浇灌水下砼:一般控制水灰比在0.6以内，d≤25mm，塌落度180～200mm，尽量使用外掺剂以减少水灰比，增大流动度，减少离析现象，防止导管堵塞。第五章结束

主要内容：拟定外形尺寸、高度、壁厚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、井壁的强度计算使用阶段井壁及顶板、底板强度计算

5.3沉井的设计与计算

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。

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决定。为防止下沉过程中少许偏斜对建筑物影响，要求留襟边，其宽度≮下沉总深度的2%，且不得小于20cm。5.3.1沉井作为整体深基础的计算

沉井尺寸设计

下沉系数: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R1而顺利下沉，即要求K1：G—各种施工阶段沉井的自重；Rt—沉井井壁土的摩阻力。

下沉系数K1、抗浮稳定系数K2

抗浮稳定系数: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，井外地下水位达最高时，应考虑沉井的抗浮稳定，即要求K2：∑G—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重

地基强度：沉井作为深基础时，一般要求下沉至坚实土层或岩层上，且地基强度须满足：F—作用于沉井顶面处荷载G—沉井自重Rf—井侧总摩阻力Rj—沉井底部地基土的总反力Rj=faA(fa为基底土承载力特征值)F+G≤Rj+Rf

沉井作为天然地基基础计算式中：5.3.1沉井作为整体深基础的计算

井侧总摩阻力Rf：可假定井侧总摩阻力Rf沿深度成梯形分布，距地面5m范围内按三角形分布，5m以下为常数，故总摩阻力为Rf

＝U(h－2.5)q

U—沉井周长q—单位面积摩阻力加权平均值，可按表5-1取值。图5.15井壁摩阻力分布假设式中：5.3.1沉井作为整体深基础的计算基本假定：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(即m法)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，横向力作用下只产生转动而无挠曲变形根据基底地质情况，可分为非岩石地基和基底嵌入基岩内两种情况分析

考虑土体弹性抗力的沉井设计与计算5.3.1沉井作为整体深基础的计算

非岩石地基在FH作用下，沉井将围绕位于地面下深度z0处点A转动ω角则深度z处沉井水平位移Δx为：

将水平力FH和偏心竖向力FV(=F＋G)等效为距基底作用高度为λ的水平力FH，即：

图5.16非岩石地基计算示意Δx=(z0z)·tanω5.3.1沉井作为整体深基础的计算其中：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，沉井底面受到的抗力：σzx=ΔxCz=Cz(z0z)·tanω沉井受到的横向抗力σzx式中C0按桩基计算方法确定，但不得小于10m0。图5.17非岩石地基计算示意5.3.1沉井作为整体深基础的计算上述各式z0和ω为未知数，可由静力平衡导得：

b1为基础计算宽度，W为基底截面模量。联立求解得：其中：

5.3.1沉井作为整体深基础的计算将此代入上述各式得土体横向抗力：

基底边缘处压应力：

式中A0为基底面积。离地面下深度z处截面弯矩为：5.3.1沉井作为整体深基础的计算

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。由弯矩平衡得：

基底嵌入基岩内图5.18基底嵌入基岩内计算5.3.1沉井作为整体深基础的计算地面下深度z处截面上的弯矩为尚需注意,当基础仅受偏心竖向力FV作用时,λ→∞，上述各式不能应用。此时应以M=FV·e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。土体横向抗力基底边缘处压应力基底嵌入处水平阻力FR由∑X=0可得：δ=(z0h2)tanω+δ0δ0为h2范围内台身弹性挠曲变形引起的墩顶水平位移其中：FH、M为墩顶作用的水平力及弯矩

墩台顶水平位移计入基础实际刚度对地面处水平位移及转角的影响后(tanω≈ω)，可写为：

δ=(z0

K1+h2

K2)ω+δ0K1、K2—水平位移影响系数，根据αh及λ/h查书表5-2。墩台顶水平位移：

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η1—取决于上部结构形式的系数，一般取η1=1，拱桥η1=0.7；η2—考虑恒载弯矩Mg对总弯矩M的影响系数，即

验算

要求σzx应小于井周土的极限抗力值，而极限抗力以土压力表示，即：

σzx≤PpPa

由朗金土压力理论可得：

墩台顶水平位移其中：L为相邻跨中最小跨的跨度（m），当L<25m，取L＝25m。此外，对高而窄的沉井还应验算产生施工容许偏差时的影响。（cm）要求：

基底应力σmax≤f

ah要求：在抽出垫木及挖土可能有不均匀等不利条件下，第一节井壁在自重作用下应按单支点、简支梁等验算井壁强度。

第一节井壁的应力验算5.3.2沉井施工过程的结构强度计算

排水除土下沉

不排水除土下沉图5.19底节沉井支点布置示意考虑下两种最不利情况：刃脚外挠：沉井下沉至一半深度，上部井壁已全部加高，刃脚入土1m。此时刃脚斜面上土的横向推力向外作用，产生向外挠曲。刃脚内挠：沉井下沉至接近设计标高，刃脚下土已掏空，沉井自重全部由外侧摩阻力承担。此时在外侧水、土压力作用下，使刃脚产生向内挠曲。

刃脚计算图5.20刃脚向外绕曲受力示意图图5.21刃脚向内绕曲受力示意图井壁的水平配筋下沉到设计标高，刃脚下土已掏空，水、土压力最大，按水平框架计算内力。

井壁的竖直配筋下沉到设计标高，刃脚下土已掏空，且上部井壁被土夹住，下部似悬挂在土中的最不利位置计算井壁拉力。

等截面沉井产生的最大拉力τmax等于沉井自重的1/4，即tmax＝G/4，其位置在沉井的h/2处。

井壁计算

此外，还应验算井壁在使用阶段中各种受力时的强度。图5.22单孔矩形框架受力干封底：可按构造要求确定厚度，一般为0.6～1.2m水下封底:砼厚度由抗浮