地下结构工程-沉井基础

东南大学远程教育地下结构工程主讲教师：穆保岗第08章第8章沉井基础8.1概述8.1.1沉井基础的特点及其应用范围是以沉井法施工的地下结构物和深基础的一种型式。先在地表制作成一个井筒状的结构物（沉井），然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构。广泛应用于桥梁、烟囱、水塔的基础；水泵房、地下油库、水池竖井等深井构筑物和盾构或顶管的工作井。技术上比较稳妥可靠，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，沉井基础埋置较深，稳定性好，能支承较大的荷载。8.1.2沉井的分类（1）按下沉环境可分为陆地沉井（包括在浅水中先筑岛制作的沉井）和浮运沉井；（2）按沉井构造形式可分为独立沉井和连续沉井；（3）按沉井平面形式可分为圆形、椭圆形、正方形、矩形和多边形等；也可分为单孔和多孔沉井（见图8-1）；（4）按沉井制作材料可分为混凝土、钢筋混凝土、钢、砖、石以及组合式沉井等。沉井按平面形式分类a—圆形单孔沉井；b—正方形单孔沉井；c—矩形单孔沉井；d—矩形双孔沉井；e—椭圆形双孔沉井；f—矩形多孔沉井8.1.3沉井的设计原则结构简单对称，受力合理，施工方便。沉井的长短边之比越小越好，以保证下沉时的稳定性。一般沉井应分节制作，每节高度不宜大于5m。沉井底节高度应满足拆除支承时沉井纵向抗弯要求之外，在松软土层中下沉的沉井，底节高度不宜大于0.8b。8.1.4沉井的施工步骤沉井施工步骤示意图8.2沉井构造沉井组成：刃脚、井壁、内隔墙、取土井、凹槽、封底、顶板1）沉井刃脚：作用在于减少沉井下沉阻力

a—混凝土刃脚；b—设角钢的刃脚；c—尖刃脚2）井壁主要承担井外水土压力和自重的部分

设计时通常先假定井壁厚度再进行承载力验算；井壁厚度一般为0.8~1.5m；

a）、（b）竖直的；（c）、（d）台阶形的；（e）锥形的；（f）倒锥形的图8-5沉井外壁的形式3）内隔墙加强沉井刚度度、缩小外壁计计算跨度，同同时又将沉井井分成多个取取土井，便于于掌握挖土位位置以控制下下沉的方向；；内隔墙的间距距一般不大于于5~6m，厚度一般为为0.5~1.0m。一般要求隔墙墙底高出刃脚脚底面0.5~1.0m。4）取土井位置：取土井井的平面布置置应与中轴线线对称，以利利于沉井均匀匀下沉；大小：由取土土方法而定，，采用挖土斗斗取土时，应应能使挖土斗斗自由升降，，最小边长不不宜小于2.5m。处理：以素混凝土、、片石混凝土土或砌片填充充。5）凹槽为了封底混凝土嵌嵌入井壁，形形成整体，使传至沉井井壁上的力能能更好地传递递给封底混凝凝土底面。遇到意外困难，还可在在凹槽处浇筑筑钢筋混凝土土盖板，将沉沉井改为沉箱箱。尺寸：凹槽深深约0.15~0.25m，高约1.0m左右，其距刃刃脚底面一般般在1.5m以上。6）射水管组、、探测管、气气管和压浆管管射水管组：压入高压水水把井壁四周周的土冲松，，以减少摩擦擦力和端部阻阻力。高压水水压一一般不小于0.6MPa，每一水管的的排水量不小小于200L/min；探测管：探测刃脚和隔隔墙底面下的的泥面标高，，清基射水或或破坏沉井正正面土层以利利下沉；气管：空气幕下沉沉沉井；压浆管：埋设压浆管7）封底渗水率小于6mm/min时，排干水后后用C15或C20普通混凝土浇浇筑；当井中的渗水水率大于6mm/min时，宜采用导导管法浇注C20级水下混凝土土封底。厚度按其承载载力条件计算算确定，一般般其顶面应高高出凹槽0.5m。8）顶板以混凝土填心的沉井可用素素混凝土顶板板；空心或以其他松散散料填心的沉沉井需用钢筋筋混凝土顶板板，厚度一般般为1.0~2.0m；排水下沉的沉沉井，其顶面在地地面或水位以以下时，应设设挡土防水墙墙连接在井壁壁的顶部。8.3沉井结构设计计计算8.3.1下沉系数计算验算沉井自重重是否能克服服下沉时土的的摩阻力，，用下沉系数数k表示：表8-1沉井井壁与土土体之间的摩摩阻力f（kPa）土的种类粘性土砂性土砂卵石砂砾石软土泥浆套f(kPa)25~5012~2518~3015~2010~123~5摩擦力分布假定从地表到到5m深度范围内，，单位摩阻力力按直线规律律由零增加至至最大值；超过深度5m以后取常数值值8.3.2沉井底节验算算刃脚下的支承承位置不断断在变，三种种情况：1）在排水或无水水情况下下沉沉井2）对于不排水下沉的沉井（1）假定底节沉沉井仅支承于于长边的中点点（2）假定底节沉沉井支承于短短边的两端点点本讲要点了解沉井构造造；掌握下沉系数数计算。沉井底节验算算8.3.3沉井井壁计算沉井井壁应进进行竖直和水平两两个方向的内力计算。。1）竖直方向在沉井的下沉沉过程中，当当沉井被四周周土体箝固着着而刃脚下的的土已被掏空空时，应验算算井壁接缝处处的竖向拉应力。接缝处：混凝土不承受受拉应力而由由接缝处的钢钢筋承受，此时钢筋的抗抗拉安全系数数可采用1.25；同时并须验验算钢筋的锚锚固长度。井壁摩阻力可假定沿沉井井全高按倒三三角形分布，，即在刃脚底底面处为零，，在地面处为为最大，此时时最危险的截截面在沉井入入土深度的1/2处沉井外侧直立立时的井壁受受拉计算图图按《公路桥涵地基基与基础设计计规范》，最大竖向拉拉力Plmax为此时沉井全全部重力G的1/4，即实际工程中，，沉井被卡住较为常见，也也出现过被拉拉裂的沉井。。验算建议值表8-2沉井竖向拉力力计算及其最最小配筋率沉井施工状态沉井结构或受其影响建筑物的安全等级与拉力计算取值纵向钢筋最小构造配筋率一级二级三级钢筋混凝土最小配筋率不宜于少0.1%；少筋混凝土不宜少于0.05%排水下沉0.50G0.30G0.25G不排水下沉0.40G0.25G0.20G泥浆套中下沉0.30G0.25G0.20G2）水平方向根据排水或不不排水的情况况，沉井井壁壁在水压力和和土压力等水水平荷载作用用下，应作为为水平框架验验算其水平方方向的挠曲。。（1）验算刃脚根部以上上，其高度等等于该处井壁壁厚度t的一段井壁，依此设置该该段的水平钢钢筋。计算简图Q——由刃脚传来的的剪力，其值值等于求算刃脚竖直外外力时分配于于悬臂梁上的的水平力（kN/m）。（2）其余各段井壁壁的计算，可按按井壁断面的的变化,取每一段中控控制设计的井井壁（位于每一段最下端端的单位高度度）进行计算。。上部井段按照照作用在水平框框架上的均布布荷载q=W+E。然后用同样样的计算方法法，求得水平平框架的最大大弯矩M、轴向压力N、剪力Q，并据此设计计水平钢筋。。8.3.4沉井刃脚验算算沉井刃脚部分分可分别作为悬臂或水水平框架验算其竖向及及水平向的弯弯曲强度。1）按悬臂梁计计算刃脚竖直直方向的挠曲曲强度此时，刃脚根部可以以认为与井壁壁嵌固，刃脚高度作为为悬臂长度，并可根据以以下两种不利利情况分别计计算：（1）当沉井下沉沉途中，刃脚内侧已切切入土中深约约1m;①沿井壁的水平平方向取一个个单位宽度，，计算作用在在刃脚上的土土压力E和水压力W。②作用在井壁单位宽宽度上的摩阻力T，取其最小值③刃脚下单位宽度上上土的垂直反力刃脚斜面上的土反反力联立方程式即可求求得V1和V2。④作用在刃脚斜面上上的水平反力U可按下式计算：U的作用点在距刃脚脚底面1/3高处。⑤刃脚重力g按下式计算：⑥求得作用在刃脚上的所有外力力的大小、方向和和作用点之后，即可求算刃脚根部部处截面上每单位位周长内（井壁））的轴向压力N、水平剪力Q及对截面重心轴的的弯矩M。并据此计算在刃刃脚内侧的钢筋（竖直直）数量。（2）当沉井已沉到设计计标高，刃脚下的的土已被掏空，这这时刃脚处于向内内挠曲的不利情况况，①计算刃脚外侧的土土压力和水压力。。②由于刃脚下的土已已被掏空，故刃脚脚下的垂直反力Rv和刃脚斜面水平反反力U等于零③作用在井壁外侧的的摩阻力T④刃脚计算时重力g与前面相同⑤计算在刃脚外侧的的钢筋（竖直）数数量2）按封闭的水平框框架计算刃脚水平平方向的挠曲强度度作用在刃脚侧面上上的水平外力将由由悬臂梁和框架来来共同承担。分配系数公式如:悬臂作用:框架作用:本讲要点掌握:沉井井壁计算沉井刃脚验算8.3.5沉井封底计算封底混凝土在基底底反力作用下，将将其当作支承于刃刃脚斜面及隔墙上上的周边支承板考虑；支承情况（简支或嵌固）和和计算强度在设计中应视具体体情况而定。1）规定（1）封底混凝土应承承受基底水和土的向上反力，此时时混凝土的龄期不不足，应降低容许应力；；（2）混凝土填实时，，计入井孔内填充充物的重力；（3）封底混凝土的厚厚度，一般不宜小小于1.5D；2）干封底及有关计计算（a）下有足够厚粘土层层；（b）待底板达到足够强强度后方停止降水水沉井可干封底的情情况（1）沉井刃脚停留在在不透水粘土层中中；不透水粘土层的厚厚度：A——沉井底部面积（m2）；——土的有效重度（即即浮重度）（kN/m3）；——刃脚下面不透水粘粘土层厚度（m）；c——粘土的粘聚力（kPa）；U——沉井刃脚踏面内壁壁周长（m）；（2）在沉井内设吸水鼓鼓并有良好滤层的情情况下降水，一直直降到钢筋混凝土底板足够承担地下水回回升后的水土压力力，方可拆除并封封闭降水管，在这这种情况下，可采用干封底。3）水下封底混凝土土的厚度计算封底要求是：（1）按最不利情况混凝土厚度：即即在沉井封底后，，将井内水排干，，在钢筋混凝土底底板尚未施工前。。（2）水下封底混凝土土最好不让其中出现拉应力。分配线相交于素素混凝土封底上，，可以认为不承受受拉应力。中央锅底挖深可形形成倒拱。若出现拉应力，计计算方法：注意计算跨度；①周边简支支承的圆圆板在承受均匀荷荷载时，可计算板板中心的最大弯矩矩值：②周边简支支承的双向板在承受均均布荷载时，计算算跨中弯矩Mx和My：简支支承双向板计计算简图③求出弯矩矩值后，，封底混混凝土的的厚度——考虑封底底混凝土土因与井井底泥土土掺混需需要增加的厚厚度，宜取0.3~0.5m；若基底底采取铺铺块石或或碎石灌灌浆抹平平处理后后再封底底，可不考虑虑此增加加值。④封底混凝凝土剪应应力计算算应加大封封底混凝凝土的抗剪面积积。如在井壁壁和隔墙墙内设置置凹槽等等。8.3.6沉井底板板计算1）底板荷荷载计算算A：沉井结构构的最大大自重除除以沉井井外围底面积的的商，不不计井壁壁侧面摩摩阻力。B：假定水水压力全全部由钢钢筋混凝凝土底板板承受。。土反力和和水压力力中数值较大大者2）沉井底底板内力力计算内力可按按单跨或或多跨板板计算;边界支承承条件,根据具体体情况决决定;8.3.7沉井抗浮浮稳定验验算可能出现现的最高高地下水水位进行行验算,一般的沉沉井依靠自重重获得抗抗浮稳定定。在不计井井壁摩阻阻力的情情况下，，抗浮稳稳定验算算公式为为：8.3.8沉井下沉沉对周围围环境的的影响