土力学地基与基础课程讲义沉井基础

第十章沉井基础§10.1沉井基础概述§10.2沉井基础的类型与构造§10.3沉井基础的设计计算§10.4沉井基础设计计算示例主要内容§10.1沉井基础概述

沉井的概念:是井筒状的结构物(图1)。它是以井内挖土，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井孔，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础(图2)。沉井下沉示意图

沉井基础

沉井的优点：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土围堰结构物，施工工艺并不复杂，因此在桥梁工程中得到较广泛的应用。同时，沉井施工时对邻近建筑物尤其是软土中地下建筑物的基础，也常用作为矿用竖井、地下油库等。沉井的缺点：施工期较长；对粉细砂类土在井内抽水易发生流砂现象，造成沉井倾斜；沉井下沉过程中遇到的大孤石、树干或井底岩层表面倾斜过大，均会给施工带来一定困难。沉井根据经济合理、施工上可能的原则，一般在下列情况，可以采用沉井基础：

1.上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力不足，做扩大基础开挖工作量大，以及支撑困难，但在一定深度下有好的持力层，采用沉井基础与其他深基础相比较，经济上较为合理的；

2.在山区河流中，虽然土质较好，但冲刷大，或河中有较大卵石不便桩基础施工时；

3.岩层表面较平坦且覆盖层薄，但河水较深；采用扩大基础施工围堰有困难时。§10.2沉井基础的类型与构造一、沉井的分类(一)按沉井的施工方法分类

1.一般沉井：指就地制造下沉的沉井，这种沉井是在基础设计的位置上制造，然后挖土靠沉井自重下沉。如基础位置在水中，需先在水中筑岛，再在岛上筑井下沉。

2.浮运沉井：在深水地区筑岛有困难或不经济，或有碍通航当河流流速不大时，可采用岸边浇筑浮运就位下沉的方法，这类沉井称为浮运沉井或浮式沉井。(二)按沉井形状分类

常用的有圆形、圆端形和矩形等。根据井孔的布置方式，又有单孔、双孔及多孔的分别。沉井平面形式a)单孔沉井；b)双孔沉井；c)多孔沉井1.按沉井的平面形状：圆形沉井：沉井在下沉过程中易控制方向；使用抓泥斗挖土，要比其他类型的沉井，更能保证其刃脚均匀地支承在土层上；在侧压力作用下，井壁只受轴向力(侧压力均布时)，或稍受挠曲(侧压力非均布时)；对水泥方向正交或斜交均有利，也即承受水平土压力和水压力性能良好。矩形沉井：具有制造简单，基础受力有利的优点，常能配合墩台(或其他结构物)底部平面形状。四角一般做成圆角，可有效改善转角处的受力条件，减缓应力集中现象，以降低井壁摩阻力和避免取土清孔的困难。矩形沉井在侧压力作用下，井壁受较大的挠曲力矩；在流水中阻水系数较大，冲刷较严重。圆端形沉井：控制下沉、受力条件、阻水冲刷均较矩形者有利，但沉井制造较复杂。对平面尺寸较大的沉井，可在沉井中设置隔墙，使沉井由单孔变成双孔或多孔2.按沉井的立面形状主要有竖直式、倾斜式及台阶式等。采用形式应视沉井需要通过的土层性质和下沉深度而定。上述各类沉井的适用条件：

外壁竖直形式的沉井，它在下沉过程中不易倾斜，井壁接长较简单，模板可重复使用。故当土质较松软，沉井下沉深度不大，可以采用这种形式。

倾斜式及台阶式井壁可以减少土与井壁的摩阻力，其缺点是施工较复杂，消耗模板多，同时沉井下沉过程中容易发生倾斜。故在土质较密实，沉井下沉深度大，要求在不太增加沉井本身重量的情况下沉至设计标高，可采用这类沉井。台阶式井壁的台阶宽度约为100～200mm。倾斜式的沉井井壁坡度一般为1/20～1/50，外壁倾斜式沉井同样可以减少下沉时井壁外侧土的阻力，但这类沉井具有下沉不稳定，制造困难等缺点，故较少使用。1.混凝土沉沉井：混凝土沉沉井的特特点是抗抗压强度度高，抗抗拉能力力低，因因此这种种沉井宜宜做成圆圆形，并并适用于于下沉深深度不大大(4～7m)的软土层层中。2.钢筋混凝凝土沉井井：这种沉井井的抗拉拉及抗压压能力较较好，下下沉深度度可以很很大(达数十十米以以上)，当下下沉深深度不不很大大时，，井壁壁上部部用混混凝土土，下下部(刃脚)用钢筋筋混凝凝土，，在桥桥梁工工程中中得到到较广广泛的的应用用。当当沉井井平面面尺寸寸较大大时，，可做做成薄薄壁结结构，，沉井井外壁壁采用用泥浆浆润滑滑套，，壁后后压气气等施施工辅辅助措措施就就地下下沉或或浮运运下沉沉。此此外，，钢筋筋混凝凝土沉沉井井井壁隔隔离墙墙可分分段(块)预制，工地地拼接，做做成装配式式。3.竹筋混凝土土沉井：沉井在下沉沉过程中受受力较大因因而需配置置钢筋，一一旦完工后后，它就不不再承受多多大的拉力力，因此，，在南方产产竹地区，，可以采用用耐久性差差但抗拉力力好的竹替替部分钢筋筋，我国南南昌赣江大大桥等曾用用这种沉井井。在沉井井分节接头头处及刃脚脚仍用钢筋筋。一般沉井井构造上上主要由由井壁、刃刃脚、隔隔墙、井井孔、凹凹槽、射射水管、、封底和和盖板等组成。。二、沉井井基础的的构造1.井壁井壁是沉沉井的主主要部分分。它在在沉井下下沉过程程中起挡挡土、挡挡水及利利用本身身重量克克服土与与井壁之之间的摩摩阻力的的作用。。当沉井井施工完完毕后，，它就成成为基础础或基础础的一部部分而将将上部荷荷载传递递给地基基。因此此，井壁壁必须具具有足够够的强度度和一定定的厚度度。根据据井壁在在施工中中的受力力情况，，可以在在井壁内内配置竖竖向及水水平向钢钢筋，以以增加井井壁强度度。井壁壁厚度按按下沉需需要的自自重，本本身强度度以及便便于取土土和清基基等因素素而定，，一般为为0.80～1.50m，为便于于绑扎钢钢筋及浇浇筑混凝凝土，其其厚度不不宜小于于0.4m。钢筋混混凝土薄薄壁沉井井可不受受此限制制。井壁壁的混凝凝土强度度等级不不低于C15。2.刃脚井壁下端形如如楔状的部分分称为刃脚。。其作用是在在沉井自重作作用下易于切切土下沉。刃刃脚底面(踏面)宽度一般为0.1～0.2m，对软土可适适当放宽。下下沉深度大，，且土质较硬硬，刃脚底面面应以型钢(角钢或槽钢)加强(图5-7)，以防刃脚损损坏。刃脚内内侧斜面与水水平面的夹角角一般为45°～60°。刃脚高度视视井壁厚度、、便于抽除垫垫木而定，一一般当沉井湿湿封底时，取取1.5m左右；干封底底时，取0.6m左右。由于刃刃脚在沉井下下沉过程中受受力较集中，，故刃脚宜采采用C20以上的钢筋混混凝土制成。。刃脚构造3.隔墙沉井平面尺寸寸较大，也即即井壁跨径较较大时，应在在沉井内设置置隔墙，以加加强沉井的刚刚度，使井壁壁的挠曲应力力减小，其厚厚度一般小于于井壁。隔墙墙底面应高出出刃脚底面0.5m以上，避免隔隔墙下的土顶顶住沉井而妨妨碍下沉。也也可在刃脚与与隔墙联结处处设置埂肋加加强刃脚与隔隔墙的连结。。如为人工挖挖土，在隔墙墙下端应设置置过人孔，便便于工作人员员井孔间往来来。4.井孔井孔是挖土排排土的工作场场所和通道。。井孔尺寸应应满足施工要要求，宽度(直径)不宜小于3m。井孔布置应应对称于沉井井中心轴，便便于对称挖土土使沉井均匀匀下沉。5.凹槽凹槽设在井孔孔下端近刃脚脚处，其作用用是使封底混混凝土与井壁壁有交好的接接合，封底混混凝土底面的的反力更好的的传给井壁(如井孔全部填填实的实心沉沉井也可不设设凹槽)。凹槽深度约约0.15～0.25m，高约1.0m。6.射水管6.射水管当沉井下沉深深度大，穿过过的土质又较较好，估计下下沉会产生困困难时，可在在井壁中预埋埋射水管组。。射水管应均均匀布置，以以利于控制水水压和水量来来调整下沉方方向。一般水水压不小于600kPa。如使用泥浆浆润滑套施工工方法时，应应有预埋的压压射泥浆管路路。7.封底和盖板沉井沉至设计计标高进行清清基后，便浇浇筑封底混凝凝土。混凝土土达到设计强强度后，可从从井孔中抽干干水井填满混混凝土或其它它圬工材料。。如井孔中不不填料或仅填填以砂砾则须须在沉井顶面面筑钢筋混凝凝土盖板。封封底混凝土底底面承受地基基土和水的反反力，这就要要求封底混凝凝土有一定的的厚度(可由应力验算算决定)，其厚度根据据经验也可取取不小于井孔孔最小边长的的1.5倍。封底混凝凝土顶面应高高出刃脚根部部不小于0.5m，并浇灌到凹凹槽上端。封封底混凝土标标号对岩石地地基用C15；一般地基用用C20。盖板厚度一一般为1.5～2.0m。井孔中充填填的混凝土，，其强度等级级不应低于C10。§10.3沉井基础的设设计计算主要内容：①拟定外形尺寸寸、高度、壁壁厚②视为天然地基基上深基础的的地基强度及及变形验算③施工阶段刃脚脚、井壁的强强度计算④使用阶段井壁壁及顶板、底底板强度计算算基本假定：①地基土为弹性性变形介质，，水平向地基基系数随深度度成正比例增增加(即m法)②不考虑基础与与土之间的粘粘着力和摩阻阻力③沉井刚度与土土刚度之比为为无限大，横横向力作用下下只产生转动动而无挠曲变变形根据基底地质质情况，可分分为非岩石地地基和基底嵌嵌入基岩内两两种情况分析析考虑土体弹性性抗力的沉井井设计与计算算10.3.1沉井作为整体体深基础的计计算1.非岩石地基在FH作用下，沉井井将围绕位于于地面下深度度z0处点A转动ω角则深度z处沉井水平位位移Δx为：Δx=(z0z)·tanω将水平平力FH和偏心心竖向向力FV(=F＋G)等效为为距基基底作作用高高度为为λ的水平平力FH，即：：非岩石石地基基计算算示意意沉井底底面受受到的的抗力力：其中：：Cz=mzC0=mh即土的的横向向抗力力沿深深度呈呈二次次抛物物线变变化，，若基基底竖竖向地地基系系数C0不变，，σzx=ΔxCz=Cz(z0z)·tanω沉井受受到的的横向抗抗力σzx式中C0按桩基基计算算方法法确定定，但但不得得小于于10m0。非岩石石地基基计算算示意意上述各各式z0和ω为未知知数，，可由由静力力平衡衡导得得：式中b1为基础础计算算宽度度，W为基底底截面面模量量。联立求求解可可得：：其中：：将此代代入上上述各各式得得土体横横向抗抗力：：基底边边缘处处压应应力：：式中A0为基底底面积积。离地面下深度z处截面弯矩为：基底嵌入基岩，在在水平力和竖直偏偏心荷载作用下，，可假定基底不产产生水平位移，故故旋转中心A与基底中心重合，，即z0=h。基底嵌入处将存在在一水平阻力FR，其对A点的力矩可忽略不不计。取弯矩平衡可导得得：2.基底嵌入基岩内基底嵌入基岩内计计算由∑X=0可得：地面下深深度z处截面上上的弯矩矩为：尚需注意意,当基础仅仅受偏心心竖向力力FV作用时,λ→∞，上述各各式不能能应用。。此时应应以M=FV·e代替上述述各式中中FHh1，同理可导得得上述两种情情况下相应的的计算公式。。土体横向抗力力：基底边缘处压压应力基底嵌入处水水平阻力FR横向抗力经验表明最大大横向抗力大大致在z=h/3和z=h处，故式中η1—取决于上部结结构形式的系系数，一般取取η1＝1，对于拱桥η1＝0.7；η2—考虑恒载弯矩矩Mg对总弯矩M的影响系数，，即3.沉井基础验算算要求σzx应小于井周土土的极限抗力力值，而极限限抗力以土压压力表示，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，对高而而窄的沉井还还应验算产生生施工容许偏偏差时的影响响。（cm）要求：基底应力σmax≤fah要求：在抽出垫木以以及挖土可能能有不均匀等等不利条件下下，第一节井井壁在自重作作用下应按单单支点、简支支梁等验算井井壁强度。1.第一节井壁的的应力验算10.3.2沉井施工过程程的结构强度度计算排水除土下沉沉不排水除土下下沉图5.19底节沉井支点点布置示意考虑下两种最最不利情况：：刃脚外挠：沉井下沉至一一半深度，上上部井壁已全全部加高，刃刃脚入土1m。此时刃脚斜斜面上土的横横向推力向外外作用，产生生向外挠曲。。刃脚内挠：沉井下沉至接接近设计标高高，刃脚下土土已掏空，沉沉井自重全部部由外侧摩阻阻力承担。此此时在外侧水水、土压力作作用下，使刃刃脚产生向内内挠曲。2.刃脚计