基础工程第二二二

第一节概述第二节沉井的构造及施工工艺第三节沉井的设计与计算

第五章沉井基础

4/29/20231第五章沉井基础

第一节、概述1.工作原理沉井基础是井筒状的结构物，它是从井内挖土、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孔，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。2.应用范围桥墩、锚碇、矿用竖井、地下泵房、水池、油库、地下设备基础、盾构隧道、顶管的工作井和接收井等。如：南京长江大桥9个桥墩中的6个，江阴长江大桥悬索桥主缆的北锚碇均采用了沉井基础方案。

4/29/202324/29/20233江阴长江大桥(1999年)北锚沉井工程在大桥建设中属A标段工程，是整个大桥工程中的重中之重。沉井平面长69米，宽51米，下沉深度为58米，相当于九个半篮球场那么大的20层高楼埋进地底下，比美国纽约费雷泽诺桥(Verrazano,1964年)的锚碇沉井还要大。费雷泽诺桥的沉井体积为15万立方米，而江阴长江公路大桥北锚沉井体积为20.4万立方米，堪称世界最大沉井。按设计要求，这样的沉井要穿过粉细沙土层、粉质粘土层（硬土层）、粗沙砾石层，其难度可想而知。此锚碇要承担大桥主缆6.4万吨的拉力。如果锚碇向前位移一厘米，高达192米的塔墩就要偏移6厘米，重达1.8万吨的桥面就要下降12厘米。如果发生左右位移，整个设计方案就会前功尽弃。4/29/202344/29/202354/29/20236

4/29/202373.沉井基础的特点

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水围堰结构物，施工时对邻近建筑物影响较小且内部空间可资利用。4.沉井的缺点

施工期较长；对粉细砂类土在沉井内抽水时易发生流砂现象，造成沉井倾斜；沉井下沉过程中遇到的大块石、树干或井底岩层表面倾斜过大，均会给施工带来一定困难。4/29/20238第二节沉井的构造及施工工艺

一、沉井的组成构造

沉井按平面形状可分圆形、矩形、圆端形等，根据井孔的布置方式又有单孔、双孔、多孔的。

4/29/202391.井壁在下沉过程中，沉井井壁必须承受水土压力所引起的弯曲应力，以及要有足够的自重，克服井壁摩阻力而顺利下沉到达设计标高。设计时通常先假定井壁厚度，再进行强度验算。井壁厚度一般为0.4～1.2m。

井壁可有等厚度的直壁式和阶梯式（图5-5）两种。2.刃脚井壁刃脚底部应做成水平踏面和刀刃（图5-6）。

刃脚作用是冲切硬土，以减小下沉时的端部阻力。

踏面宽度一般为10～20cm，内侧倾角一般为45～60，刃脚高度当沉井湿封底取1.5m左右，干封底取0.6m左右。4/29/2023104/29/2023114/29/2023123.内隔墙内隔墙的主要功能是增加下沉时的沉井刚度、减小井壁跨径以改善井壁受力条件、使沉井分隔成多个取土井后挖土和下沉可较为均衡，以便于纠偏。

内隔墙的底面一般比井壁刃脚踏面高出0.5～1m，以免土顶住内墙妨碍下沉。隔墙的厚度一般为0.5m左右，隔墙下部应设0.8×1.2m的过人孔，以便于人与施工机具的转移。4.井孔井孔是挖土排土的工作场所和通道。

井孔尺寸应满足挖土机具能自由升降，宽度（直径）不宜小于3m。井孔布置应对称于沉井中心轴，便于对称挖土使沉井均匀下沉。4/29/2023135.封底及浇筑底板当沉井下沉到设计标高，经检验和坑底清理后即可进行封底。封底可分干封和湿封（水下浇灌混凝土），有时需在井底设有集水井后才进行封底。待封底素混凝土达到设计强度后，抽干积水，再在其上浇筑钢筋混凝土底板。

为了使封底混凝土和底板与井壁间更好联结和传递地基反力，于刃脚上方的井壁设置凹槽。6.底梁和框架在较大型的沉井中，由于使用要求而不能设置内隔墙时，则可在沉井底部增设底梁，构成框架以增加沉井的整体刚度。沉井高度过大，常在井壁不同高度处设置若干道由纵横大梁组成的水平框架，以减少井壁的跨度，使沉井结构受力合理。4/29/202314

旱地沉井：就地制造、挖土下沉、封底、充填井孔以及浇注顶板。主要施工工序如下：1.整平场地天然土质较好，整平地面就可在其上制造沉井。为减小沉井下沉深度，也可在基础位置处挖一浅坑，在坑底制造沉井下沉，坑底应高出地下水面0.5~1.0m。2.制造第一节沉井先在刃脚踏面位置处对称地铺满一层垫木(可用200200mm的方木，使压应力不大于100kPa)。然后在刃脚位置处放上刃脚角钢，竖立内模，绑扎钢筋，立外模，最后浇灌第一节沉井混凝土。二、旱地沉井的施工4/29/2023153.拆模及抽垫沉井混凝土达到设计强度70%时可拆除模板，强度达设计强度后才能抽撤垫木。抽撤垫木应按一定顺序进行，以免引起沉井开裂、移动或倾斜。其顺序是：撤除内隔墙下的垫木，再撤沉井短边下的垫木，最后撤长边下的垫木。拆长边下的垫木时，以定位垫木（最后抽撤的垫木）为中心，对称地由远到近拆除，最后拆除定位垫木。在抽垫木过程中，抽除一根垫木应立即用砂回填进去并捣实。4.挖土下沉分为排水下沉和不排水下沉。土层较稳定，不会因排水而产生大量流砂时，可采用排水下沉(常用人工挖土)。不排水下沉(维持井内水位高出井外水位1~2m)一般采用机械除土，如土质较硬，还需配以水枪将土冲松。4/29/2023165.接高沉井第一节沉井顶面下沉至距地面还剩1~2m时，应停止挖土，接筑第二节沉井。待第二节混凝土强度达设计要求后再拆模继续挖土下沉。6.地基检验和处理沉井沉至设计标高后，应进行基底检验。检验内容是地基土质、平整情况，以决定是否对地基进行处理。如果是排水下沉的沉井，可以直接进行检查，不排水下沉的沉井由潜水工进行检查或钻取土样鉴定。7.封底、充填井孔及浇筑井盖地基经检验及处理合乎要求后，应立即进行封底。如封底是在不排水情况下进行，则可用导管法浇注水下混凝土，待混凝土达设计强度后，再抽干井孔中的水。4/29/2023174/29/202318三、水上沉井的施工水上施工沉井有两种方法，如果水的流速不大，水深在3或4m以内，可用水中筑岛的方法；如果水深较大，筑岛法很不经济，且施工也困难，可改用浮运法施工，沉井在岸边做成，利用在岸边铺成的滑道滑入水中，然后用绳索引到设计墩位。如果预计沉井下沉困难，应采取措施尽量降低井壁侧面摩阻力，方法有：将沉井井壁设计成阶梯形；在井壁内埋设高压射水管组，利用高压水流冲松井壁附近的土，且水流沿井壁上升而润滑井壁，使沉井摩阻力减小；也可采用壁外喷射高压空气或触变泥浆，这也需要在井壁中预埋管道。4/29/2023194/29/202320第三节纺沉井的惊设计与计旬算如果沉井泼被用作结父构物的基凭础，就应圣按基础的缝使用要求袍进行各项同验算；如野果沉井被假用作工作宋井，也应粉按工作井颤的使用要倒求进行各绪项验算。肯但在施工介过程中，萝沉井是挡独土、挡水奔的结构物数，因而还垃要对沉井星本身进行摊结构设计失和计算。羽本节着重惜介绍作为懂深基础的摔沉井计算愚。沉井作为斗整体深基困础设计主腾要是根据靠上部结构艳特点、荷饶载大小以贤及水文、珠地质情况望，结合沉倚井的构造畏要求及施茫工方法，按拟定出沉必井的平面怖尺寸，埋镜置深度，丽然后进行偷沉井基础希的计算。沉井基础钓的计算，逃根据它的策埋置深度躲可用两种领不同的计宏算方法。一、沉井夫作为整体辅深基础的繁设计与计绞算4/24踪蝶/202羞321当沉井挪埋置深照度在最前大冲刷辜线以下获较浅仅贼数米时其，这时印可以不滨考虑基接础侧面模土的横霉向抗力蹄影响，酱而按浅亲基础设皂计计算坐规定，而分别验毕算地基吐强度、桐沉井基挤础的稳削定性和币沉降，惹使它符震合容许登值的要锹求；当沉井猾基础埋港置深度缠较大时梳，由于划埋置在算土体内证较深，吊不可忽粮略沉井斗周围土参体对沉蔬井的约仗束作用左，因此靠在验算拍地基应劝力、变挤形及稳快定性时虚，需要啊考虑基沫础侧面漆土体弹谎性抗力异的影响镜。假定沉抱井基础棕在横向泥外力作牧用下只另能发生荷转动而扛无挠曲算变形。赞因此，按刚性桩暂计算内力猜和土抗力，即相当亦于“m”法中h2.5的情况卖。下面具闻体讨论挤这种计奏算方法蔑。4/2交4/2授02322（一）康非岩石虫地基上针沉井基照础的计盲算沉井基留础受到恳水平力H及偏心论竖向力N作用。将锁水平力H及偏心竖希向力N引起的三力矩等吵效转换献成水平型力H距离基乌底的作用拔：先讨论工沉井在沾水平力H作用下榆的情况认，水平巨力的作虽用下，裤沉井将插围绕位昂于地面范下z0深度处的A点转动谊角，地面下钱深度z处沉井滴基础产址生的水诵平位移闻x和土的横樱向抗力zx分别为：污x=(z0－z)tgzx=xCz=mz(z0－z)tg式中z0——锅转动中漠心A离地面询的距离土的横向蒸抗力沿深甲度为二次仅抛物线变迹化。4/2厚4/2所023234/2蛾4/2嗓02324基础底面谷处的压应粥力，考虑订到该水平车面上的竖卖向地基系缴数C0不变，故型压应力图陈形与基础涂竖向位移发图相似。式中C0不得小于片10m0，d为基底宽顾度或直径轧。ΣX＝0ΣM＝0在上述劈燕三个公田式中，昌有两个问未知数星z0和，要求木解其值咏，可建究立两个炊平衡方纤程式，浑即式中：W为基底扒的截面畏模量。4/2魄4/2视02325求得z0、tgω，代入掏式(5蔬-3)键和式(俭5-4浙)，进钢而求得当有竖垫向荷载N及水平轿力H同时作或用时，冲则基底惨边缘处吉的压应河力为式中A0——基后础底面缩慧积。离地面抱或最大远冲刷线者以下z深度处闪基础截早面上的悼弯矩4/2逗4/2另02326若沉井僻基底嵌金入基岩里内，可琴以认为剥基底不而产生水亡平位移鞠，则基蒸础的旋漆转中心A与基底中桶心相吻合肥，即z0＝h。地面下z深度处呈产生的严水平位多移Δx和土的誓横向抗森力zx分别为Δx=(h－z)tgzx＝mzΔx＝mz(h－z)tg基底边扒缘处的头竖向应惰力为（二）宰基底嵌告入基岩括内的沉困井上述公式色中只有一江个未知数，故只需拾建立一个哨弯矩平衡仅方程便可壮解出值。4/2捉4/2捡023274/2锡4/2核02328由ΣMA＝0便可烛解出tg，代入换式(5丑-13破)和式软(5-样14)纤，可进刚一步求状得：式中基底边缘棍处的应力渡为再根据ΣX＝0，可凯求出嵌入亭处未知的送水平阻力P4/2徒4/2抗02329（三）午验算基底计精算最大雾压应力夏不应超填过沉井讲底面处勒地基土捡的容许勿承载力fh。即晴maxfh。1.基羞底应力验泽算横向计攀算zx值应小传于沉井楚周围土谨的极限妻抗力值庙。极限抗力原值计算方营法：当基础在港外力作用锡下产生位其移时，在劳深度z处基础役一侧产压生主动根土压力敬强度pa，而被挤如压一侧土任就受到被广动土压力趣强度pP，故其泼极限抗稻力，以杏土压力软表达为zxpp-pa2.傍横向抗找力验算4/24壮/202殿330由朗金土丙压力理论咳可知式中为土的逢重度，和c分别为术内摩擦府角和粘裤聚力。桥梁结构跌中，根据劲试验可知串出现最大份的横向抗择力大致在复深度z=h/3和z=h处，即式中话—亿—相应于z=h/3深度需处的土横淡向抗力；——相应禁于z=h深度处的座土横向抗俗力；h为基础剖的埋置替深度；4/2凭4/2挠02331基础在水纤平力和力多矩作用下担，墩台顶秤面会产生刺水平位移。由三部分组白成：(1)地面处的绑水平位移z0tg；(2)地面到急墩台顶内范围h2内的水平各位移h2tg震；(3)在h2范围内齿墩台本欣身弹性遇挠曲变奶形引起痕的墩台轮顶水平乘位移0。1——取决倚于上部结完构形式的鞠系数，一言般1=1，酒对于拱蓝桥1=0.7跃；2——考虑船恒载对基匆础底面重势心所产生克的弯矩Mg在总弯植矩M中所占榴百分比遣的系数屿，即3.瞒墩台顶左面水平贯位移验施算4/24敏/202薯332现行桥装梁规范数中规定述，墩台楼顶面的统水平位胳移应符合分下列要阿求：式中，L为相邻凑跨中最阻小跨的蔽跨度(阵m)，村当跨度L<25m舟时，L按25m桃计算。考虑到焦转角一赛般均很钥小，可播令tg忌=。如果撞沉井基杂底嵌入洁基岩内活，z0＝h。=(z0+h2)tg+0因此，墩泥台顶面会归产生水平柿位移为：4/2攻4/2屈023334/24间/202震3344/2够4/2指023354/2绵4/2次023364/24堵/202妻3374/24虎/202匹3384/2技4/2咱023394/24圈/202呈3404/2窜4/2予02341作业：穿习题5垄-14/2余4/2膀02342在确定谦沉井主哗体尺寸归后，即办可算出烦沉井自闹重，验拐算在沉哄井施工绕下沉时蚁，保证苗在自重缘瑞作用下熔克服井态壁摩阻竿力Rf而顺利厨下沉，猜亦即下沉系数K1应为：式中G——沉污井在各种窝施工阶段漏时的总自络重，kN宜；Gw——沉皂井结构下在下沉衫过程中凯所受的蝴总浮力果；kN；Rf——井脏壁总摩阻艇力，kN良；沉井是扩一种预崇制构件某，在施相工过程姿中受到举各种外软力的作芹用，沉案井结构朴强度必蜂须满足册各阶段豆最不利脏受力情泪况的要牲求，沉星井结构购在施工侵过程中胁应主要粱进行下宪列验算陶。二、沉晋井的结气构设计（一）僵下沉系址数K1，下沉嚼稳定系摊数K1’和抗浮纪安全系仁数K24/24愿/202叹343在下沉过冲程中，沉慰井重量和忽井壁摩阻伴力在不断久变化，因耽此应跟踪浓整个下沉律过程中下乒沉系数的堵变化规律牵，而不仅夫仅是最终难状态的情痕况。如：绢沉井在软喉弱土层中裂接高时有梅突沉可能便，应根据颗施工情况嚷进行下沉旺稳定验算要：式中舒——下沉稳定斩系数，一般取烂0.8～洗0.9。R1——刃蛋脚踏面及纲斜面下土拍的支承力炭，kN；R2——器隔墙和向底梁下道土的支帝承力，kN。K1——下近沉系数嚼，一般令为1.昌05～桶1.2腰5。对番位于淤错泥质土明层中沉岔井宜取名小值；筋位于其饲它土层仆的沉井均可取较姐大值。4/24奶/202环344当沉井嚼沉到设猜计标高幼，在进柱行封底稼并抽除南井内积鼠水后，隆而内部弄结构及斯设备尚边未安装搭，井外领按各个恢时期出插现的最含高地下医水位验受算沉井材的抗浮劲稳定：式中K2——抗浮安防全系数，一般室取1.滨05～事1.1欧。在不止计井壁宏摩阻力范时，可晃取1.枣05。F——封领底后沉井川所受的总努浮力，kN；4/2辜4/2忠02345（二）时刃脚计完算沉井刃脚孙相当于是钳三面固定震，一面自劈燕由的双向尽板，为简虑化计算一攻方面可看被作固着在柿刃脚根部杯处的悬臂梁，梁长等飘于井壁刃怪脚斜面部隙分的高度也；另一方建面，刃脚催又可看作厌为一个封晴闭的水平框逗架。因此，尿作用在刃亏脚侧面上给的水平外舞力将由悬戚臂梁和框从架来共同斧承担，也傻即部分水旧平外力是眼垂直向传津至刃脚根遵部，余下冬部分由框牛架承担。悬臂作用：框架作用：4/24致/202役3461.盈竖向挠效曲计算记（沉井壁抽承垫陷木时计尊算）（三）奸井壁计青算(1)跃排水疲挖土下番沉(2)昆不排球水挖土惜下沉图5-1刚6第五一节沉井武支承点布岸置示意4/24备/202刮3472.货沉井均轧布竖向依拉力计宵算（井窗壁竖直杏钢筋验喉算）3.离沉井井且壁水平怖应力计仿算（井始壁水平惑钢筋计俊算）沉井下转沉过程管中，上虑部可能蛋被四周来坚硬土革体夹住切，而刃欺脚下的惜土已被怀挖除，聪此时最庸危险截框面在沉线井入土本深度一佩半处，唐其竖向赢拉力Smax为：Smax=0.织25G因此，井蜘壁应有足眉够的竖直胀钢筋承受跪拉力。作用在挂井壁上炮的水、哲土压力投沿沉井继深度是洒变化的奸，井壁志水平应冷力应沿古沉井高取度分段谅计算。必对于刃并脚根部气以上，冤高度等亩于该处侨井壁厚暂度的一味段井壁谁框架是木刃脚悬陪臂梁的总固端，桂除承受殊框架本极身高度眠范围内滋的水、糠土压力滤外，尚认需承受拌由刃脚巾部分水孝、土压慎