第五章 沉井基础

第五章沉井基础

土木工程本科生专业课程——基础工程主要内容5.1天然地基上深基础的修筑方法5.2沉井的类型和构造5.3沉井的施工方法5.4沉井的设计计算5.1天然地基上深基础的修筑方法概述基础埋深施工难度施工安全系数水中施工需采用特殊的处理方式需更多更强的支撑结构施工困难造价上升沉井基础沉箱基础新方法施工方法制作井筒挖土下沉到达设计标高封底填充制盖修筑上部结构5.1天然地基上深基础的修筑方法特点施工过程：沉井挡土、挡水，起临时围堰作用运营阶段：深埋的实体基础优点刚度大、横向抗力大、抗震性能较好机具简单、施工方便5.1天然地基上深基础的修筑方法5.1天然地基上深基础的修筑方法5.2沉井的类型和构造5.3沉井的施工方法5.4沉井的设计计算主要内容5.2沉井的类型及构造5.2.1沉井类型按下沉方法一般沉井浮运沉井按沉井材料混凝土沉井钢筋混凝土沉井钢沉井其他沉井1——井壁2——刃脚3——隔墙4——井孔5——凹槽6——射水管7——封底8——顶盖5.2沉井的类型及构造5.2.2沉井构造1平面形状平面形状圆形沉井矩形沉井圆端形沉井①受力性能好，充分发挥混凝土抗压强度②挖土方便，下沉均匀，易于控制方向③基底σmax>同面积的矩形①制造方便，下沉方向不易控制②能充分利用地基承载力①介于前两者之间5.2沉井的类型及构造5.2沉井的类型及构造2平面尺寸★顶面尺寸：大于墩底尺寸★底面尺寸：由地基承载力确定3沉井高度★顶面标高H1：低于最低水位或低于地面★底面标高H2：由最小埋深和地基承载力确定★沉井高度H:H=H1-H2●高沉井可分节制造：每节高不大于5~6m，首节不大于4~6m●第二节沉井过高，会导致沉井下沉发生倾斜以及使下沉不深的首节沉井发生问题5.2沉井的类型及构造4井孔设置及大小★设置目的：排土★平面尺寸：挖土机具能顺利通过，对称布置★设置方式:单孔、双孔及多孔5井壁应有足够的强度和重量竖直形台阶形斜坡形易于控制方向，但阻力大，不易下沉台阶宽度10~20mm多设在沉井分节处有利下沉但易偏斜100：1至50：15.2沉井的类型及构造6隔墙★作用：①减小受弯跨度，提高沉井刚度，降低沉井应力②均匀挖土，控制下沉方向，不致倾斜★特点：①厚0.8~1.2m，底面高出刃脚踏面不小于0.5m②h较大时，设梗肋于隔墙底部与刃脚连接处③排水下沉，隔墙底留1.0-1.2m2过人通道④设置透水孔，一般20-20cm2，设置在隔墙上部离顶部2~3m5.2沉井的类型及构造7射水管组★作用：①利用高压水流冲松井壁四周的土，降低侧阻力端阻力②控制水量、水压大小，调整下沉方向5.2沉井的类型及构造8探测管组★作用：①探测刃脚和隔墙底面下的泥面标高②清基射水或破坏沉井正面土层以利下沉③沉井水下封底后，可作为刃脚或隔墙下封底混凝土的质量检查孔★使用条件：平面尺寸大，不排水下沉较深的沉井5.2沉井的类型及构造9凹槽★作用：①使封底混凝土更好的与井壁联结②如将沉井改为沉箱，凹槽处可制作箱顶10井顶围堰★作用：防止井顶以上的土，水落入井内11封底混凝土12顶盖受力和稳定条件确定是否填充厚度由计算确定5.1天然地基上深基础的修筑方法5.2沉井的类型和构造5.3沉井的施工方法5.4沉井的设计计算主要内容江阴长江公路大桥

北锚碇采用大型深沉井基础，平面尺寸为69米×51米，下沉58米，为世界第一大沉井(面积近９个半篮球场，高度相当于２２层楼)。世界第一大沉井南岸重力嵌岩锚北岸南岸5.3沉井的施工5.3.1陆地沉井的施工场地准备立模、绑扎钢筋垫木法无垫木法土模法方法填土内模挖土内模5.3沉井的施工垫木布置示意图挖土内模5.3沉井的施工浇筑混凝土对称均匀地进行，防止不均匀沉降引起沉井开裂，且尽量一次性浇筑拆除模板和垫木★模板拆除时间：侧面直立模板≥设计强度25%刃脚斜面、隔墙底面≥设计强度75%垫木=设计强度★垫木拆除顺序：先内壁，后外壁；先短边，后长边长边下的垫木是隔一根撤一根，以定位垫木为中心，由远而近地对称拆除5.3沉井的施工挖土下沉接筑沉井地基检验和处理井底填充制作顶盖★排水挖土下沉：无地下水或土层渗水量较小且稳定★不排水挖土下沉：与上述情况相反为避免沉井发生倾斜，挖土应分层均匀进行先挖井孔中心，再挖隔墙下，后挖刃脚下土5.3沉井的施工5.3.2水中沉井的施工筑岛法在河流浅滩或水位不深水流速度不大时采用5.3沉井的施工浮运法浮运沉井下水双壁浮运沉井带气筒浮运沉井带临时性井底浮运沉井在深水河道中，水流速度较大，人工筑岛有困难时5.3沉井的施工①沉井倾斜★偏挖土：在下沉少的一侧多挖土，下沉多的一侧少挖土或不挖土★偏压重：在井顶不对称加重，不对称射水，或在井顶施加水平力将沉井扶正★在沉的少的一侧挖土，底面灌注膨润土泥浆，以减小井壁与土之间的摩擦力5.3沉井的施工5.3.3沉井下沉问题及处理方法②沉井偏移★先偏挖土使之倾斜，再均匀挖土至井底中心接近设计标高时，再纠倾斜5.3沉井的施工③难沉问题井底有障碍物井壁阻力过大④突沉问题高压射水法泥浆套法空气幕法炮震法主要发生在软土地区，可加宽刃脚踏面解决★清除障碍物★加重法★减小井壁摩阻力5.3沉井的施工5.1天然地基上深基础的修筑方法5.2沉井的类型和构造5.3沉井的施工方法5.4沉井的设计计算主要内容5.4沉井的设计计算5.4.1集资料设计资料：①上部结构、墩台类型及尺寸、沉井基础的设计荷载②水文、地质资料等设计内容：①作为基础本身的检算，深埋刚性基础②沉井结构的设计计算施工过程中沉井所受到的外力及其结构的设计计算5.4.2沉井各部尺寸的拟定包括沉井高度及分节平面形状及尺寸井孔布置及大小刃脚形状及尺寸封底及顶盖厚度上部结构的特点设计荷载的大小水文、地质情况沉井构造及施工方法依据5.4沉井的设计计算5.4.3沉井的检算作为整体深基础的设计计算埋深较小，不考虑基础侧面土的横向抗力，按浅基础进行计算埋深较大，需要考虑基础侧面土的横向抗力，按刚性桩进行计算5.4沉井的设计计算5.4沉井的设计计算Ⅰ非岩石地基上沉井基础的计算如右图所示，在横向力H和M的作用下，基础将沿轴线上的a点发生转动，转动角度为ω则在z深度处基础的横向位移为——a点的深度则在z深度处基础侧面土的横向抗力为基础转动引起基础底面边缘的竖向位移为5.4沉井的设计计算相应的基底反力为对a点取矩有忽略基础侧面和底面的摩擦力，由水平方向的力平衡方程有5.4沉井的设计计算5.4沉井的设计计算则在z深度处基础的弯矩为5.4沉井的设计计算同时考虑竖向力N时，基础底面的竖向应力为Ⅱ嵌入岩层的沉井基础的计算①基础绕底面中心点a转动，并假设a点的坐标为z0=l②忽略岩面以下基础侧面的横向抗力P引起的弯矩则基础侧面土的横向抗力为5.4沉井的设计计算对a点取矩可以得到基础的转角为则在z深度处基础的弯矩为由水平方向的力平衡条件可得若P为负，则说明其作用方向与图示方向相反5.4沉井的设计计算作为围护结构的设计计算Ⅰ沉井自重的计算①下沉系数K1G——沉井自重B——水的浮力Rf——井壁摩阻力5.4沉井的设计计算②下沉稳定系数R1——刃脚下土的支持力R2——隔墙下土的支持力③抗浮安全系数K2B1——封底后水的浮力5.4沉井的设计计算Ⅱ刃脚计算①刃脚向外挠曲的计算●计算刃脚外侧的土压力E’和水压力W’●计算井壁自重G’●计算刃脚自重g●计算土对刃脚外侧的摩擦力T●计算刃脚下土的抗力●计算刃脚根部的截面内力●根据截面内力进行钢筋计算5.4沉井的设计计算②刃脚向内挠曲的计算沉井下沉到设计标高刃脚下的土掏空且未浇筑混凝土井壁外侧作用最大的水、土压力忽略刃脚自重和土的摩阻力影响各水平外力应乘以分配系数α5.4沉井的设计计算计算要点③刃脚水平受力分析计算要点计算图式为一闭合的水平框架沉井下沉到设计标高刃脚下的土掏空且未浇筑混凝土框架上的力等于作用在刃脚上的水平力乘以分配系数β5.4沉井的设计计算Ⅲ井壁计算①竖向挠曲计算5.4沉井的设计计算排水挖土下沉5.4沉井的设计计算不排水挖土下沉5.4沉井的设计计算②井壁竖向拉力计算由竖向力平衡方程有假设该等截面沉井自重为G，沉井入土深度为h,U为井壁周长，为地面处井壁单位摩阻力，为距刃脚底x处的摩阻力距离刃脚底x处的拉力为5.4沉井的设计计算③井壁水平受力分析5.4沉井的设计计算Ⅳ封底混凝土厚度计算封底混凝土看作支撑在凹槽，按周边支撑的双向板或圆板计算封底混凝土按受剪计算：封底混凝土在井孔范围内荷载作用下，有沿刃脚斜面高度截面剪断的可能封底混凝土剪应力计算图5.4沉井的设计计算Ⅴ