第六章-沉井基础构造与设计

桥梁墩台与基础

第六章

沉井基础构造与设计第一节

沉井适用条件

沉井是一种四周有壁，下部无底，上部无盖，通常用钢筋混凝土作成的筒形结构物。一般先在地面或人工筑岛的岛上制作井筒，就地在井内不断地挖土，随着井内土面逐渐挖深，沉井依靠其本身自重，克服井壁与土层之间的摩阻力及刃脚下土的阻力不断下沉，直至预定的设计标高。最后，进行沉井封底及混凝土填心。沉井基础特点稳定性好能承受较大的垂直荷载和水平荷载沉井既是基础,施工时是的土和挡水围堰结构物施工工艺也不复杂,但施工工期较长桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计

埋置深度大

整体性强

基础选型，应根据经济、施工等因素综合考虑确定。一般在下列情况，可采用沉井基础：

1．上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力不足，做扩大基础开挖量大，以及支撑困难，或场地狭窄与有结构物有干扰，但在一定深度下有好的持力层，采用沉井较其他深基础经济合理时；

2．地震区土质液化深度大；山区河流中，土质较好，但冲刷大，或河卵石较大不便桩基施工时；

3．岩层表面较平且覆盖层较薄，但河水较深，采用扩大基础施工围

护困难时，可采用浮运沉井。桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计

①对细砂及粉砂类土在井内抽水易发生流沙现象，造成沉井倾斜；

②沉井下沉过程中遇到大孤石、树干或井底岩层面倾斜过大，会给施工带来一定困难。不适用沉井基础的情况桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计江阴长江公路大桥桥梁墩台与基础

第六章

沉井基础构造与设计国内采用沉井基础的结构物北岸南岸•

99年建成通车的江阴长江公路大桥

北锚沉井基础平面尺寸69m×51m

，埋深58m，是目前世界上平面尺

寸最大的钢筋混凝土沉井基础，总

体规模也堪称世界之最。桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计南京长江大桥的沉井下沉深度达54.87米桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计•日本明石海峡大桥，最大施工水深60m，两主塔分别采用直径80m*高70m和78m*67m的浮式钢壳沉井，壁厚12m，分为16个舱，是目前规模最大的桥梁沉井基础国外采用沉井基础的桥梁桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计

使用沉井基础的其他结构物

宝山钢铁厂取水泵房工程桥梁墩台与基础

第六章

沉井基础构造与设计

第二节

沉井基础构造与设计一

沉井分类1、沉井平面形状有矩形、圆形和圆端形三种。

按其结构特征可分为单孔、双孔及多孔沉井2、按竖直剖面形状分主要有竖直式，倾斜式及阶梯式等桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计3．按使用材料分

(1)混凝土及钢筋混凝土沉井

混凝土沉井宜做成园形，适用于下沉深度不大(4-7m)的软土层中，

钢筋混凝土沉井其抗垃和抗压性能均较好，下沉深度可以很大（达数十米以上）。

当下沉深度不很大时，沉井壁大部用混凝土，下部(刃脚)用钢筋混凝土的沉井。在桥梁工程中是最为常见的。桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计

(2)钢沉井

用钢板焊制成井壁的沉井，具有强度高、重量轻。易于拼装的特点，宜作浮运沉井和高低刃脚沉井之用。但用钢量大，国内较少采用。

(3)其它材料的沉井

有竹筋混凝土沉井、砖石沉井和木沉井等，一般情况下不大采用，除非在特定条件下。考虑因地制宜、就地取材时才应用。桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计

4．按下沉方式分

(1)就地制造下沉的沉井

这种沉井是在基础设汁位置上制造，然后在井孔中挖土，靠沉井自重而下沉。如基础位于浅水处，需先在水中筑岛．再在岛面筑井下沉。

(2)浮运沉井

在深水区，筑岛困难或不经济时，或有碍通航，或河流流速较大，可在岸边制拼井体，滑移下水，再拖运到设计位置下沉。桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计沉井组成如图

井壁

隔墙

刃脚

井孔

凹槽封底混凝土桥梁墩台与基础

第六章

沉井基础构造与设计二、沉井构造

顶盖

足够的强度

、足够的井壁：

重量,施工中挡土防水，施工

完成后成为基础重要组成

部分增加沉井刚度，多个施工井孔(取土井),挖土均衡，底部高于井壁

使底板与井壁有更好联结，底距刃脚踏面2.5m，槽高约1.0m

，凹入深度约150~250mm

隔墙：凹槽：桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计100×100×10hb(a)

(b)图6-2

沉井的刃脚构造

500×16

Φ16

l=500交错焊于角钢头588×16(c)桥梁墩台与基础第五章

桩基础构造与设计

减少下沉阻力

，宽10～20cm

，高约1.5m，内侧刃脚：

倾角45°～60°

Φ20焊于

加劲板上

封底：

防止地下水渗入井内,

浇注

的混凝土底板顶盖：

钢筋混凝土

，顶盖达设计强度后方可砌筑墩、台及其它结构桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计井顶围堰当沉井顶面按设计要求位于地面或岛面以下一定深度时，井顶需接筑围堰，以挡土防水。待刃脚沉至设计标高后，直至墩身混凝土高出地面或水面时，即可将这一临时结构拆除。围堰用材料，应视井顶埋入深度和水位(含地下水位)高低而定，常用的有木板、砖石、钢板桩，如图6—3示。桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计20

3010(a)木板井顶围堰锚栓

井壁木板围木

顶撑立柱砖砌圬工

汇水槽钢板桩顶撑钢环砖砌圬工

汇水槽板桩槽

A

环墙沉井壁A2cm厚木板钢板桩混凝土

粘土夯实

预埋钢筋

环墙45

(b)钢板桩井顶围堰图6-3

井顶围堰构造桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计

三、沉井各部分尺寸拟定(如图)

沉井的平面尺寸，首先必须满足构造和施工求，即沉井外轮廓尺寸不得小于墩台底平面尺寸加最小襟边宽。沉井顶面襟边的最小宽度，应根据施工容许偏差而定，一般不得小于沉井总高度的1/50，并不得小于20厘米。对浮式沉井还应另加25厘米。对需设井顶围堰者，其襟边宽度尚应满足安装墩台身模板的需要。通常用算出的最小构造尺寸作为初拟尺寸。然后进行地基承载力的验算，直至符合为止。井孔布置应对称，平面尺寸应满足取土机具所需净空和除土范围要求。采用抓土斗除土时，净空一般不宜小于2.5—3.0m(容量0.75m*m*m的抓、张开尺寸为2．65*1．27m)。桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计一、基本假定与弹性抗力•㈠基本假定•1地基土作为弹性变形介质，地基系数随深度成正比例增加；•2不考虑基础与土之间的黏着力和摩阻力；•3沉井基础刚度与土的刚度之比可认为是无限大。•沉井基础在横向外力作用下只发生转动而无挠曲变形，因此可按刚性基础计算内力和土抗力。桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计

•第三节

沉井作为整体基础的计算基底嵌入岩层的计算式基底嵌入基岩内，在水平力和竖向偏心荷载作用下，可认为基底不产生水平位移，基础的旋转中心A与基底中心相吻合，即

而基底嵌入处将产生水平阻力Ph由于嵌入不深，通常

Ph

，力矩A点很近，可认为

Ph即作用于基础底面，则

Ph

对A点的力矩可略去不计桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计=

+

ωC0ayN

aF

2σ

max

a

2NF桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计σ

h

=

C0atanω

=

mhaωM

+Qh

−∫

b0σ

x(h−

y)dy−σ

hW

=

0(6-4)，故只需建立一个弯矩平衡方上述式中只有一个未知数程便可解出ω

值。ΣMh

=0代入并积分:

h0地面下y深度处产生的水平位移Δx和水平土抗力σx分别为

x

=

(h−

y)tanω

≈

(h−

y)ω

σ

x

=

Δx•Cy

=

(h−

y)ωmy基底的竖向应力为（水平力P作用）：112

2桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计M

+Qh

−b0mω∫

(h

−

y)2ydy

−WPh

+Q

−∫

b0σ

xdy

=

0代入并积分:整理得:则:令ΣFx=0，得基础嵌入处的水平力

112a2a2

h0ωC0

=

0b0mωh4

−WωC

=

M

+Qh

−12(M

+Qh)

−(b0mh4

+

6WaC0)ω

=

0

12(M

+Qh)b0mh4

+

6WaC0ω

=

h0

h

10桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计M

y

=

M

+

y⎢Q

−b0ω(2h−

y)⎥则:Ph

=16b0mωh3

−Q当求得的Ph为负值时,则Ph

的方向与图示相反,作用于基础的另一侧.基础底面竖向压应力:基础前后侧横向压力:

min

F

2

σ

x

=

my(h

−

y)ω基础身体—截面内的弯矩:⎤⎦⎡⎣my2

12桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计三、基底置于非岩石地基上的计算式

以基础为脱离体，自两个静力平衡条件ΣFx=0及

ΣM0=0

可列出包括

yA

和ω

的两个方程式；联立求解便可

得出yA

和ω

的表达式。弹性力σx

、σh

可自ω和yA

求得。

(一)土的水平弹抗力

Δx

=

(yA

−

y)tgω

=

(yA

−

y)ω

σ

x

=

Δx⋅Cy

=

(yA

−

y)ω

⋅m⋅

y桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计dy

yyAhσ

h

=

ωC0=

+

ωC0ΔyayNAQMΔxωa2N

aF

2σ

maxNF

由上式可以看出，土的水平压应力σx

图随深度按二次抛物线变化。（二）基底竖向压应力由两部分合成：N1．在竖向力N作用下，基底压应力呈均布状

F2．由于基础是刚性的，所以当基础转动ω角时，基底面也旋转了ω

角，在基底的一侧产生向下位移Δy，另一侧向上位移Δy:

a

2

2桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计Q

−∫

σ

xb0dy

=

03yAb0mωh

−

2b0mωh

−6Q

=

0M

+∫

b0σ

xydy

−Wσ

h

=

0和转角3．转动中心位置令ΣFx=0展开整理得:令所以，基底前后边缘最大和最个竖向压应力为以上两者之叠加

N

a

min

F

2

h0

h

1

2

1

302

3ΣM

0

=

0

h0桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计M

+b0mω∫

(yA

−

y)y

dy

−W2ωC0

=

M

+b0mωh3(

A

−

)−W

ωC0

=

0展开整理而得:联解①、②式得：y

ha

3

4

2a2

h012M

+

4yAb0mωh3

−3b0mωh4

−6WaωC0

=

0ω

=

12

3M

+2Qh)b0mh4

+18WaC0（yA

=b0mh3(4M

+3Qh)+6QWaC0

2b0mh2(3M

+2Qh)桥梁墩台与基础

第六章

沉井基础构造与设计代入积分:M

y

=

M

+

y⎢Q

−(2yA

−

y)⎥⎤⎦⎡⎣b0ωmy2

12（三）任意截面弯矩

地面下任一深度y处基础截面内的弯矩

M

y为：但通常情况下，沉井基础横截面上由

M

y产生的应力不控制设计，可不必检算。桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计

四、弹性固着验算

弹性固着验算亦即水平土抗力验算，即基础前后侧某一深度处水足不了这一条件，则不能考虑基础侧向土的弹性抗力作用。

当基础在外力作用下产生位移时，在深度y处基础一侧产生主动土压力强度Pa，而被挤压一侧土体受到被动土压力强度Pp

，其极限抗力以土压力表达为：

σ

x

≤

Pp

−

Pa由朗金土压力理论可知，在地面以下深度y处

，桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计，由朗金土压力理论可知，在地面以下深度y处

2

φ

φ

2

2

2

φ

φ

2

2

4cosφσ

x

≤(γ

ytgφ

+C)代入（6—19）整理得桥梁墩台与基础第六章

沉井基础构造与设计σ≤η1

2ηcosφ(

)x4出现最大的水平压应力大致在

h

3

h

3h3y

=

(γ

和

y

=

h

处tgφ

+C)

4

cosφη1

—取决于上部结构形式的系数，一般取

η1

=1

，对于静不定结构

η1

=

0.7中所占的百分比的系数，当M