基础工程2013第6章2.0

基础工程第六章主讲教师曹志军第六章沉井及其它深基础第六章沉井及其它深基础第一节概述第二节沉井的类型及一般沉井的构造第三节沉井的施工第四节沉井的设计计算第五节沉箱基础第六节墩基础第七节桩箱、桩筏基础第八节地下连续墙井箱基础第六章（一）

要求：掌握沉井基础的类型和结构掌握常用施工方法了解沉井设计计算内容第一节概述第二节沉井的类型及一般沉井的构造第三节沉井的施工第四节沉井的设计计算第一节概述一、深基础的应用与特点二、沉井的概念、作用和使用条件一、深基础的应用与特点1.埋置深度大

2.深基础的地基承载力高

特点3.深基础施工需专门设备

4.深基础技术复杂

6.深基础的造价高，应进行经济分析

5.深基础的工期长

沉井是井筒状的结构物。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他结构物的基础。二、沉井的概念、作用和使用条件沉井平面长69米，宽51米，下沉深度为58米，体积20.4万立方米,列世界最大沉井。(列世界第２的美国费雷泽诺桥的沉井体积为15万立方米)江阴长江公路大桥北锚沉井1.工程应用大型钢壳沉井

过黄浦江倒虹管沉井宝山钢铁厂取水泵房工程

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。

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，最后成为结构物基础的井筒状结构。2.沉井的定义3.沉井基础的特点

(1)埋置深度大，整体性强、稳定性好，承载面积大，承载力高(垂直与水平)；

(2)既可作基础，又可作施工时的挡土和挡水围堰结构物；

(3)施工时对邻近建筑物影响较小；

(4)内部空间可进一步利用。4.沉井的缺点

(1)施工工期较长；

(2)施工技术要求高；

(3)施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。5.沉井的适用条件

(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，经济上较为合理时；

(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。第二节沉井的类型及一般沉井的构造一、沉井的分类二、一般沉井的构造三、浮运沉井的构造一、沉井的分类（一）沉井按施工分类（二）沉井按形状分类(三)沉井按建筑材料分类（一）.沉井按施工分类

一、沉井的分类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）沉井按形状分类

1.按沉井的平面形状分类平面形状有：圆形、矩形、圆端形等井孔的布置方式有：单孔、双孔、多孔。

1．按沉井的平面形状分类2．按沉井的立面形状分类2.按沉井的立面形状主要有竖直式、台阶式及倾斜式等。

(三)沉井按建筑材料分类1．混凝土沉井2．钢筋混凝土沉井3．竹筋混凝土沉井4．钢沉井二、一般沉井的构造（一）沉井的平面形状及尺寸（二）井孔的布置及大小（三）沉井的高度（四）井壁

（五）刃脚

（六）隔墙（七）射水管组和探测管（八）凹槽（九）井顶围堰（十）封底混凝土（十一）顶盖①井壁厚度0.4～1.2m；承受水土压力。

②刃脚

宽度10～20cm

，高度约1.5m（湿封底）或0.6m（干封底），内侧倾角45

～60

；冲切硬土，减小端部阻力。③内隔墙厚度约0.5m，底面高出井壁刃脚踏面0.5～1m，增加沉井刚度、改善井壁受力条件、挖土均衡，便于纠偏。④井孔宽度（直径）不宜小于3m，挖土、排土场所和通道。⑤井壁凹槽槽高约1.0m，深度0.15~0.25m，增加封底混凝土、底版与井壁连接。⑥预埋射水管

下沉困难时减阻。⑦封底（底板）

沉井下沉到设计标高，经检验和坑底清理后浇注的混凝土底版。分为干封和湿封（水下浇灌混凝土）两种。二、一般沉井的构造

设计计算的主要构件

a）直壁式b）台级式刃脚井壁底梁和框架

当不能设置内隔墙而沉井又较大时，常常在沉井底部增设底梁或因沉井过高，常常在沉井不同高度处设置纵横梁构成框架结构。

三、浮运沉井的构造浮运沉井有不带气筒的浮运沉井和带气筒的浮运沉井及带临时性井底的浮运沉井。

1．不带气筒的浮运沉井不带气筒的浮式沉井适应于水深较浅、流速不大、河床较平、冲刷较小的自然条件。一般在岸边制造，通过滑道拖拉下水，浮运到墩位，再接高下沉到河床。这种沉井可用钢、木、钢筋混凝土、钢丝网及水泥等材料组合。2．带钢气筒的浮运沉井带钢气筒的浮运沉井适用于水深流急的巨型沉井。图5-9为一带钢气筒的圆形浮运沉井构造图，它主要由双壁的沉井底节、单壁钢壳、钢气筒等组成。3、带临时性井底的浮运沉井

图6—3—18带临时性井底的浮运沉井

第三节沉井的施工1．整平场地2．制造第一节沉井3．拆模及抽垫4．挖土下沉5．接高沉井6．筑井顶围堰7．地基检验和处理8．封底、充填井孔及浇筑顶盖一般可分为旱地施工、水中筑岛施工及浮运沉井施工一、旱地上沉井的施工图6—3—6填土内模图6—3—7挖土内模

大型沉井下沉施工中二、水中沉井的施工1．筑岛法2．浮运沉井施工1．筑岛法图6—3—2人工岛2．浮运沉井施工图6—3—14浮船搭架制作沉井深圳水库钢壳沉井施工

三、沉井下沉过程中遇到的问题及处理1．沉井发生倾斜和偏移2．沉井下沉困难1．沉井发生倾斜和偏移偏斜原因主要有：土岛表面松软，使沉井下沉不均，河底土质软硬不匀；挖土不对称；井内发生流砂，沉井突然下沉，刃脚遇到障碍物顶住而未及时发现；井内挖除的土堆压在沉井外一侧，沉井受压偏移或水流将沉井一侧土冲空等。沉井如发生倾斜可采用下述方法纠正：在沉井高的一侧集中挖土；在低的一侧回填砂石；在沉井高的一侧加重物或用高压射水冲松土层；必要时可在沉井顶面施加水平力扶正。纠正沉井中心位置发生偏移的方法是先使沉井倾斜，然后均匀除土，使沉井底中心线下沉至设计中心线后，再进行纠偏。在刃脚遇到障碍物的情况，必须予以清除后再下沉。清除方法可以是人工排除，如遇树根或钢材可锯断或烧断，遇大孤石宜用少量炸药炸碎，以免损坏刃脚。在不能排水的情况下，由潜水工进行水下切割或水下爆破。

2．沉井下沉困难这主要是由于沉井自身重力克服不了井壁摩阻力，或刃脚下遇到大的障碍物所致。

(1)增加沉井自重可提前浇筑上一节沉井，以增加沉井自重，或在沉井顶上压重物（如钢轨、铁块或砂袋等）迫使沉井下沉。对不排水下沉的沉井，可以抽出井内的水以增加沉井自重，用这种方法要保证土不会产生流砂现象。

(2）减小沉井外壁的摩阻力减小沉井外壁摩阻力的方法是：可以将沉井设计成阶梯形、钟形，或在施工中尽量使外壁光滑；亦可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。以上几项措施在设计时就应充分考虑。在刃脚下挖空的情况，可采用炸药，利用炮振使沉井下沉，这种方法对沉井快沉至设计标高时效果较好，但要避免振坏沉井，用药量要少，次数不宜太多。近年来，对下沉较深的沉井，为了减小井壁摩阻力常采用泥浆润滑套或壁后压气沉井的方法。沉井的设计与计算包括沉井尺寸拟定及验算；沉井在施工完毕后，由于它本身就是结构物的基础，就应按实体基础的要求进行各项验算；而在施工过程中，沉井是挡土、挡水的结构物，因而还要按施工要求对沉井本身进行结构设计和计算。即沉井的设计与计算包括沉井基础与沉井结构两方面的设计与计算。

第四节沉井的设计与计算

一、沉井尺寸的确定1、沉井高度沉井顶面和底面两个标高之差即为沉井的高度。沉井的底面标高须根据上部结构荷载、水文地质条件及各土层的承载力等确定。沉井基础的顶面（墩底）要求埋在地面下0.2m或在地下水位以下0.5m。较高的沉井应分节制造和下沉，每节高度不宜大于5m，对底节沉井若是在松软土层中下沉时，还不应大于沉井宽度的0.8倍。若底节沉井高度过高，沉井过重，会给制模、筑岛时岛面处理、抽除垫木下沉等带来困难。2、确定沉井平面形状和尺寸沉井的平面形状常决定于其上建筑物或墩（台）底部的形状。对矩形或圆端形墩，可采用相应形状的沉井。采用矩形沉井时，为保证下沉的稳定性，沉井的长边与短边之比不宜大于3。当墩的长宽比较为接近时，可采用方形或圆形沉井。为了挖土方便，取土井宽度一般不小于2.5m，取土井应沿沉井中心线对称布置。沉井顶面尺寸为墩（台）身底部尺寸加襟边宽度。襟边宽度不宜小于0.2m，也不宜小于沉井全高的2%，浮运沉井不小于0.4m。如沉井顶面需设置围堰，其襟边宽度根据围堰构造还需加大。墩（台）身边缘应尽可能支承于井壁上或盖板支承面上，对井孔内不以混凝土填实的空心沉井不允许墩（台）身全部置于井孔位置上。井壁厚度一般为0.7—1.5m（对一些泵房等小沉井，井壁也可用0.3--0.4m），内隔墙厚度为0.5m左右。根据沉井施工要求，其井壁及内墙要有足够的厚度，使沉井在自重作用下能克服侧面摩阻力而顺利下沉。

沉井作为整体深基础设计主要是根据上部结构特点、荷载大小以及水文、地质情况，结合沉井的构造要求及施工方法，拟定出沉井的平面尺寸，埋置深度，然后进行沉井基础的计算。沉井基础的计算，根据它的埋置深度可用两种不同的计算方法。

二、沉井作为整体深基础的设计与计算第四节沉井的设计与计算

当沉井埋置深度在最大冲刷线以下较浅仅数米时，这时可以不考虑基础侧面土的横向抗力影响，而按浅基础设计计算规定，分别验算地基强度、沉井基础的稳定性和沉降，使它符合容许值的要求；当沉井基础埋置深度较大时，由于埋置在土体内较深，不可忽略沉井周围土体对沉井的约束作用，因此在验算地基应力、变形及稳定性时，需要考虑基础侧面土体弹性抗力的影响。

假定沉井基础在横向外力作用下只能发生转动而无挠曲变形。因此，可按刚性桩计算内力和土抗力，即相当于“m”法中

h

2.5的情况。

（一）一般要求（二）桥梁沉井基础验算内容（二）桥梁沉井基础验算内容桥梁沉井基础通常需考虑沉井侧壁土体弹性抗力，按刚性桩的方法计算。这种计算方法的基本假定条件是：

1）地基土作为弹性变形介质，水平向地基系数随深度成正比例增加；

2）不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力；

3）沉井基础的刚度与土的刚度之比可认为是无限大。根据基础底面的地质情况，又可分为非岩石地基和岩石地基两种情况，分析计算沉井基础考虑土体弹性抗力的基础侧面水平压应力、基底应力和基底截面弯距。

1、非岩石地基上沉井基础的计算

沉井基础受到水平力H及偏心竖向力N作用。将水平力H及偏心竖向力N引起的力矩等效转换成水平力H距离基底

的作用：

先讨论沉井在水平力H作用下的情况，水平力的作用下，沉井将围绕位于地面下z0深度处的A点转动一

角，地面下深度z处沉井基础产生的水平位移

x和土的横向抗力

zx分别为：

x=(z0－z)tg

zx=

x

Cz=m

z(z0－z)tg

式中z0——转动中心A离地面的距离；土的横向抗力沿深度为二次抛物线变化。

基础底面处的压应力，考虑到该水平面上的竖向地基系数C0不变，故压应力图形与基础竖向位移图相似。

式中C0不得小于10m0，d为基底宽度或直径。

ΣX＝0ΣM＝0在上述三个公式中，有两个未知数z0和

，要求解其值，可建立两个平衡方程式，即式中：W为基底的截面模量。求得z0、ω（tanω），进而求得

当有竖向荷载N及水平力H同时作用时，则基底边缘处的压应力为

式中A0——基础底面积。离地面或最大冲刷线以下z深度处基础截面上的弯矩

可以认为基底不产生水平位移，则基础的旋转中心A与基底中心相吻合，即z0＝h。地面下z深度处产生的水平位移Δx和土的横向抗力

zx分别为

Δx=(h－z)tg

zx＝mzΔx

＝mz(h－z)tg

基底边缘处的竖向应力为

2、基底嵌入基岩内的沉井上述公式中只有一个未知数

，故只需建立一个弯矩平衡方程便可解出值

。由弯矩平衡方程ΣMA＝0便可解出值

，进一步求得：

式中

基底边缘处的应力为再根据ΣX＝0，可求出嵌入处未知的水平阻力P

3、验算基底计算最大压应力不应超过沉井底面处地基土的设计承载力[

]h。即

max

[

]h

1.）基底应力验算横向计算

zx值应小于沉井周围土的极限抗力值。极限抗力值计算方法：当基础在外力作用下产生位移时，在深度z处基础一侧产生主动土压力强度pa，而被挤压一侧土就受到被动土压力强度pP，故其极限抗力，以土压力表达为

zx

pp-pa

2.）横向抗力验算由朗金土压力理论可知式中

为土的容重，

和c分别为内摩擦角和粘聚力。桥梁结构中，根据试验知道出现最大的横向抗力大致在z=h/3和z=h处，即

式中——相应于z=h/3深度处的土横向抗力；

——相应于z=h深度处的土横向抗力；h为基础的埋置深度；

基础在水平力和力矩作用下，墩台顶面会产生水平位移

。

由地面处的水平位移z0tg

，地面到墩台顶范围h2内的水平位移h2tg

，在h2范围内墩台身弹性挠曲变形引起的墩台顶水平位移

0，三部分组成。

=(z0+h2)tg

+

0

1——取决于上部结构形式的系数，一般

1=1，对于拱桥

1=0.7；

2——考虑恒载对基础底面重心所产生的弯矩Mg在总弯矩M中所占百分比的系数，即

3.）墩台顶面水平位移验算现行桥梁规范中规定：墩台顶面的水平位移

应符合下列要求：式中，L为相邻跨中最小跨的跨度(m)，当跨度L<25m时，L按25m计算。考虑到转角一般均很小，可令tg

=

。如果沉井基底嵌入基岩内，z0＝h。从底节沉井拆除垫木，直至上部结构修筑完成开始使用以及营运过程中，沉井均受到不同外力的作用。因此，沉井的结构强度必须满足各阶段最不利受力情况的要求。针对沉井各部分在施工过程中的最不利受力情况，首先拟出相应的计算图式，然后计算截面应力，进行必要的配筋，保证井体结构在施工各阶段中的强度和稳定。

三、沉井施工过程的结构计算沉井结构在施工过程中主要进行下列验算。（一）沉井自重下沉验算（二）第一节沉井竖向挠曲验算（三）沉井刃脚计算1．刃脚竖向受力分析2．刃脚水平受力分析（四）井壁受力计算1．井壁水平内力计算2．井壁垂直受拉计算（五）沉井封底及顶盖的计算1、封底混凝土计算2、钢筋混凝土盖板的计算在确定沉井主体尺寸后，即可算出沉井自重，验算在沉井施工下沉时，保证在自重作用下克服井壁摩阻力Rf而顺利下沉，亦即下沉系数K1应为：

式中G——沉井在各种施工阶段时的总自重，kN；

B——下沉过程中地下水的总浮力，kN；

Rf——井壁总摩阻力，kN；

三、沉井施工过程的结构计算（一）沉井自重下沉验算在下沉过程中，构成K1的分子和分母不断变化，因此不仅要确定最终状态下，而且应跟踪整个下沉过程中K1值的变化规律。如：沉井在软弱土层中接高时有突沉可能，应根据施工情况进行下沉稳定验算：式中——下沉稳定系数，一般取0.8～0.9。

R1——刃脚踏面及斜面下土的支承力，kN；

R2——隔墙和底梁下土的支承力，kN。

K1——下沉系数，一般为1.05～1.25。对位于淤泥质土层中沉井宜取小值；位于其它土层的沉井可取较大值。当沉井沉到设计标高，在进行封底并抽除井内积水后，而内部结构及设备尚未安装，井外按各个时期出现的最高地下水位验算沉井的抗浮稳定：

式中K2——抗浮安全系数，一般取1.05～1.1。在不计井壁摩阻力时，可取1.05。

B’——封底后沉井所受的总浮力，kN；当不能要求时，可选择下列措施直至满足要求：加大井壁厚度或调整取土井尺寸；如为不排水下沉者，则下沉到一定深度后可采用排水下沉；增加附加荷载或射水助沉；采用泥浆润滑套或壁后压气法等措施。（二）第一节沉井竖向挠曲验算第一节沉井在抽除垫木及挖土下沉过程中，沉井可按承受自重的梁计算井壁产生的竖向挠曲应力。如挠曲应力超过了沉井材料的容许限值，就应增加第一节沉井高度或在井壁内设置横向钢筋，以防止沉井竖向开裂。验算时应采用的第一节沉井的支承点位置与沉井的施工方法有关.1．排水挖土下沉由于沉井是排水挖土下沉，所以不论在抽除刃脚下垫木以及在整个挖土下沉过程中，都能很好地控制沉井的支承点。为了使井体挠曲应力尽可能小些，支点距离可以控制在最有利的位置处。对矩形及圆端形沉井而言，是使其支点和跨中点的弯矩大致相等。如沉井长宽比大于1.5，支点设在长边上，支点间距可采用0.7L，L为沉井长度，如图5-20，以此验算沉井井壁顶部和下部弯曲抗拉的强度，防止开裂。圆形沉井四个支点可布置在两个相互垂直线上的端点处。

2．不排水挖土下沉

由于井孔中有水，挖土可能不均匀，支点设置也难控制，沉井下沉过程中可能会出现最不利的支承情况。对矩形及圆端形沉井，支点在长边的中点上，如图5-20b），另一种情况支点在四个角上，如图5-20c）；对于圆形沉井，两个支点位于一直径上。图5-20a)和b)情况使沉井成为一悬臂梁，在支点处，沉井顶部可能产生竖向开裂；而图5-20c）使沉井成为一简支梁，跨中弯矩最大，沉井下部竖向可能开裂。这两种情况均应对长边跨中附近最小截面上下缘进行验算。

若底节沉井内隔墙的跨度较大，还需验算内隔墙的抗拉强度。内隔墙最不利的受力情况是下部土已挖空，第二节沉井的内墙已浇筑，但未凝固。这时，内隔墙成为两端支承在井壁上的梁，承受了本身重力以及上部第二节沉井内隔墙和模板等重力。如验算结果可能使内隔墙下部产生竖向开裂，应采取措施，或布置水平向钢筋，或在浇筑第二节沉井时内隔墙底部回填砂石并夯实，使荷载传至填土上。（三）沉井刃脚计算1．刃脚竖向受力分析2．刃脚水平受力分析沉井刃脚相当于是三面固定，一面自由的双向板，为简化计算一方面可看作固着在刃脚根部处的悬臂梁，梁长等于井壁刃脚斜面部分的高度；另一方面，刃脚又可看作为一个封闭的水平框架。因此，作用在刃脚侧面上的水平外力将由悬臂梁和框架来共同承担，也即部分水平外力是垂直向传至刃脚根部，余下部分由框架承担。1、刃脚竖向受力分析

刃脚竖向受力情况一般截取单位宽度井壁来分析，把刃脚视为固定在井壁上的悬臂梁，梁的跨度即为刃脚高度。(1)刃脚向外挠曲的内力计算刃脚切入土中一定深度，由于沉井自重作用，在刃脚斜面上便产生了土的抵抗力，它使刃脚向外挠曲。这种最不利情况是刃脚斜面上土的抵抗力最大，而井壁外的土压力及水压力最小时，具体应根据沉井的构造、土层情况及施工情况分析确定。一般近似认为在沉井下沉施工过程中，刃脚内侧切入土中深度约1.Om，上节沉井均已接上，且沉井上部露出地面或水面约一节沉井高度时，为最不利情况，以此来计算刃脚的向外挠曲弯矩。(2)刃脚向内挠曲的内力计算计算刃脚向内挠曲的最不利情况是沉井已下沉至设计标高，刃脚下的土已挖空而尚未浇筑封底混凝土（图5-22），这时，将刃脚作为根部固定在井壁的悬壁梁，计算最大的向内弯矩。

2.刃脚水平钢筋的计算刃脚水平向受力最不利的情况是沉井已下沉至设计标高，刃脚下的土已挖空，尚未浇筑封底混凝土的时候，由于刃脚有悬臂作用及水平闭合框架的作用，故当刃脚作为悬臂考虑时，刃脚所受水平力乘以α，而作用于框架的水平力应乘以分配系数β后，其值作为水平框架下的外力，由此求出框架的弯矩及轴向力值。再计算框架所需的水平钢筋用量。（四）井壁受力计算1．井壁水平内力计算2．井壁垂直受拉计算1、井壁横向受力计算沉井下沉过程中，井壁始终受到水平向的土压力及水压力作用，因而应验算井壁材料的强度。验算时是将井壁水平向截取一段作为水平框架来考虑，然后计算该框架的受力情况（计算方法与刃脚框架计算同）。井壁截取位置应是在刃脚根部（如图5-28所示）。沉井的最不利下沉情况是下沉至设计标高，刃脚下土已挖空而尚未封底，此时在。一。断面（图5-28）以上截取一段高度为井壁厚入的井壁作为水平框架。其上作用的水平荷载，除了该段井壁范围内的土、水压力外，还有刃脚作为悬臂作用传来的水平剪力（其值等于刃脚向内挠曲时受到的水平外力乘以分配系数a）。2、井壁竖向拉应力验算沉井在下沉过程中，刃脚下的土已被挖空，但沉井上部被摩擦力较大的土体夹住（这一般在下部土层比上部土层软的情况下出现），这时下部沉井呈悬挂状态，井壁就有在自重作用下被拉断的可能，因而应验算井壁的竖向拉应力。拉应力的大小与井壁摩阻力分布图有关，在判断可能夹住沉井的土层不明显时，可近似假定沿沉井高度成倒三角形分布（图5-27）。在地面处摩阻力最大，而刃脚底面处为零。（五）沉井封底及顶盖的计算1、封底混凝土计算2、钢筋混凝土盖板的计算1．封底混凝土计算沉井封底混凝土的厚度应根据基底承受的反力情况而定。作用于封底混凝土的竖向反力可分为两种情况：一种是沉井水下封底后，在施工抽水时封底混凝土需承受基底水和地基土的向上反力；一种是空心沉井在使用阶段，封底混凝土须承受沉井基础全部最不利荷载组合所产生的基底反力，如沉井井孔内填砂或有水时，可扣除其重力。2．钢筋混凝土盖板的计算对于空心沉井或井孔填以砾砂石的沉井，必须在井顶筑钢筋混凝土盖板，用以支承墩台的全部荷载。盖板厚度一般是预先拟定的，只需进行配筋计算，计算时考虑盖板作为承受最不利组合传来均布荷载的双向板，然后以此计算结果来进行配筋计算。如墩身全部位于井孔内，还应验算盖板的剪应力和井壁支承压力。如墩身较大，部分支承在井壁上则不需进行盖板的剪力验算，只进行井壁压应力的验算。四、浮运沉井的计算要点在根据基础结构的需要拟订出沉井的基本尺寸后，先要拟定浮运沉井的浮体构造，进行施工步骤计算，准确计算各施工步骤的沉井重力、入水深度、浮体稳定性、井壁内外水头差、井壁露出水面高度等。

（一）浮运沉井稳定性验算浮运沉井由于其浮运阶段和就位后接高下沉至河床阶段中均属一个悬浮于水中的浮体，它必须是一个稳定的浮体，故对悬浮状态下沉井，根据每一个施工步骤中的受力情况，必须核算其稳定性。在稳定性验算中，主要是决定沉井的重心、浮心及定倾半径，然后将它们的数值进行比较，便可判断沉井在浮运和下沉过程中是否稳定。

（二）浮运沉井露出水面最小高度的验算沉井在浮运过程中受到牵引力、风力等作用，不免使沉井产生一定的倾斜，这就要求沉井倾斜后顶面露出水面0.5一1.0m作为安全高度或沉井露出水面的最小高度，以保证沉井在拖运中的安全。作业：6—1、2、3、4第五节沉箱基础一、概述二、沉箱构造三、沉箱作业的机械设备四、沉箱的制造和下沉程序一、概述二、沉箱构造（1）工作室

（2）顶盖

（3）刃脚

（4）箱顶圬工

（5）升降孔

（6）箱顶上的管路

三、沉箱作业的机械设备（1）气闸

（2）井管

（3）压缩空气机站

（4）水力机械

（5）通讯、照明设备（1）气闸

图6—5—4气闸构造（裘利尼式）（2）井管

图6—5—5单节井管构造（3）压缩空气机站

固定式

移动式

图6—5—6固定式空气压缩机站布置图四、沉箱的制造和下沉程序（1）沉箱制造（2）下沉准备和下沉①撤除垫木，支立箱顶圬工的模板。

②安装井管和气闸③挖土下沉

④接长井管

⑤沉箱下沉到达设计标高后，进行基底土质鉴定和地基处理。

⑥填封工作室和升降孔。第六节墩基础一、墩基础概述二、墩基础的特点三、墩的类型四、墩基础的承载力与受力机理五、墩基础设计要点六、墩基础的施工要点一、墩基础概述墩是一类短而粗的深基础。墩在外形和工作方式与桩尤其是灌注桩很相似，因而墩与桩的定义界限并不明确。但是，由于墩的断面尺寸较大而相对墩身较短，巨其体积巨大，故一般情况不能采用预制桩那样的打人、压入法做成，而只能采用灌注或砌筑方式形成。墩基础在桥梁及建筑工程中有着广泛的应用，尤其在高层建筑及重型构筑物设计中，单墩支持单柱的方案越来越多。随着施工机具及技术的发展，墩的断面尺寸一般可达0.8-2.0m,甚至大到6m左右，而深度也可做得很深；墩的类型也在增多，其适应性越来越广。

墩与桩相比，其主要区别在于：(1)桩是一种长细的地下结构物，而墩的断面尺寸一般较大，长细比则较小；(2)墩不能以打入或压入法施工；(3）墩往往单独承担荷载，且其承载力比桩高得多；(4)墩的荷载分担与传递机理与桩有所不同。沉井与墩相比，不但在其自身结构上不同于实心的墩，而且其外轮廓尺寸也常比墩大得多，其承载力也比墩高；更主要的差别在于沉井与墩的施工方法不同。二、墩基础的特点(1)墩具有很高的承载能力。当上部结构传来的荷载大而集中、基础平面布置受场地条件限制时，单墩可代替群桩和承台。相应地，单墩的质量要求较高，一旦出现质量事故，对整个建筑物造成的危害将很严重

(2)在较密实的砂层、卵石层地基中，打桩很困难。而做墩基则较易于施工。在打桩会造成相邻建筑物因振动及土的降起而损坏、或造成先打入桩的侧移及向上浮起等不利现象时，墩基施工常可避免这些问题。但是，墩的深层成孔施工也会引起地基因卸荷而位移，给附近建筑物及设施带来不利影响。

(3)与沉井、沉箱等深基础相比，墩基施工一般只需轻型机具，在适当的地基与环境条件下，常有较大的经济优势。墩基的施工没有像打桩那样强烈的噪音，可以减轻噪声公害。墩成孔施工中遇到地卜水位下的砂层可能引起流砂等现象，应特别注意。(4)墩基不但有较高的竖向承载力，也可承担较大的水平荷载。扩底墩还可抵抗很大的上拔力(5)由于墩身断面尺寸较大，便于在成孔后检查墩底持力层与墩侧面土层的土质情况，对勘察与设计结果进行核实。另一方面，墩的混凝土浇筑量较大，必须更仔细检查施工质量，而目不利天气条件会影响墩的施工进度与检查工作。三、墩的类型（一）按受力情况分类（二）按墩体形状分类（三）按施工方法分类（四）按钢材布置情况分类

（一）按受力情况分类

（二）按墩体形状分类1．墩轴向截面形状

墩按轴向截面形状不同可分为柱形墩、锥形墩与齿形墩三种类型。

2.墩底形式（三）按施工方法分类l．成孔方法墩按成孔方法分类有钻孔墩、挖孔墩及冲孔墩三种。

2.孔壁支护

墩按成孔侧壁支护情况可分为无护壁墩和有护壁墩两种类型。

（四）按钢材布置情况分类当墩内使用钢材作为墩体加劲材料时，按钢材的类型及布置情况，墩可分为钢筋混凝土墩、钢套筒墩、和钢核墩三种

四、墩基础的承载力与受力机理墩的承载力包括竖向抗压承载力、抗拔承载力与水平承载力三方面。墩的变形主要包括墩的沉降与水平位移。墩的承载力与变形受很多因素的影响，其机理也很复杂，故目前尚无很完善的分析方法。（1）大直径墩基础的基底受力分析（2）墩身摩阻力（3）扩大头面积对承载力的影响（1）大直径墩基础的基底受力分析图6—6—6桩墩基础受力机理（2）墩身摩阻力图6—6—7扩大头对摩阻力的影响（3）扩大头面积对承载力的影响图6—6—8扩大头面积对沉降的影响五、墩基础设计要点1．设计依据与原则

2.设计步骤及内容

3．设计中的若干重要因素1．设计依据与原则

墩基础设计的依据主要是建筑物或构筑物的结构形式及特点、场地与地基的工程地质条件、荷载的类型、量级及组合条件、墩基础承载力与沉降的设计控制准则等。墩具有体型大、承载力高而刚度大等特点，使得其在很多情况下单独工作或少数单墩共同工作，因而在墩位布置、墩承载力与变形计算等方面较群桩基础更具有简便性，同时，每个墩承担的风险也较群桩中的一根桩体大而集中。因此，墩基础的设计必须针对每一根墩的具体条件来进行。墩的工作性状与墩施工的方法、工艺密切相关，因此，墩的设计应紧密结合墩的施工技术、施工条件进行。在方案设计阶段，就应考虑每一根墩在具体土层条件、施工环境下可能存在的问题（如墩端岩土层与勘察结果不符，墩侧土层塌落，地下水涌入墩孔等），并对应地做调整方案或补救措施。表6—6—1竖向荷载下各类墩的一般设计依据

2.设计步骤及内容

①选择墩的类型。其内容主要包括确定墩在具体荷载条件下的体型、成孔方法、护壁方法及布置类型等。②初定墩的基本尺寸。其内容主要包括墩的长度、断面尺寸、扩大头形状尺寸、护壁体尺寸等。③墩的承载力特征值与变形计算。其内容主要包括核算墩在具体荷载类型及组合条件下按土体支承力与墩身材料强度确定的承载力是否满足稳定性要求，估算墩的沉降、水平位移等是否满足结构物变形要求。④墩基础本身的配筋、加筋材料的设计计算与墩身护壁结构设计，并绘制施工图。⑤提出对施工方法、质量检测等工作的意见和建议。3．设计中的若干重要因素

(1)上部结构的复杂性及对不均匀沉降的敏感程度；

(2)特殊荷载的作用，如地震力、墩上的负摩擦力、膨胀土的膨胀力等；

(3)墩基施工对邻近建筑物及设施的不利影响，如墩成孔造成土层侧移与渗水等；

(4）现在及未来的环境因素对墩基性状的不利影响，如水质的侵蚀性、河床受水流冲刷、岸坡失稳等；

(5)在复杂地质条件下中途改变设计方案的可能性及由此带来的其他工程问题；

(6)墩基施工先进、便利技术的应用及墩基质量检测的便利性与可靠性。六、墩基础的施工要点1.墩基础的施工程序

2.施工常见问题及其处理方法

1.墩基础的施工程序

（1）清整场地

（2）放线定位

（3）成孔施工

（4）验孔清底（5）放设钢材

（6）混凝土灌注

2.施工常见问题及其处理方法

（1）定位偏差问题

（2）墩孔进水问题（3）混凝土质量事故

（4）护壁处理问题

七、墩基工程质量检测（一）质量检测的阶段与内容（二）检测方法简介（一）质量检测的阶段与内容1.墩体施工阶段

（1）检查墩孔定位，垂直度及孔深是否达到设计要求；（2）孔身形状、扩底处尺寸或嵌岩深度的检测；（3）孔底沉渣厚度及沉渣处理结果的检查；（4）墩体的材料特性，如混凝土配比、钢材型号及尺寸、含钢率等的测定。2.竣工后阶段

竣工后阶段的检测主要是检查成墩的质量，包括两个方面：（1）墩身混凝土质量检测，对混凝土的强度等级、耐久性等指标进行测试和评定；（2）墩基承载力检测。（二）检测方法简介墩身施工阶段的检测，是施工方质量控制的环节与手段，施工方应在整个施工过程中进行这些工作；工程监理方则是实施检测的主体。这一阶段检测的方法，主要是尺检和较简单室内与现场测试。

竣工后阶段的检测，方法较多，主要分为四种

1．开挖直观法

2．钻芯取样法

3．载荷试验法

4．动力检测法

第七节桩箱、桩筏基础一、概述二、构造要求三、计算方法简介一、概述图6—7—2桩箱与桩筏基础典型剖面桩基础主要承担竖向荷载，一般按摩擦桩考虑。桩与箱基底板（或筏板）的嵌固连结，应符合桩与承台连结的要求。

图6—7—1桩箱（桩筏）基础的布桩方式二、构造要求桩箱（筏）基础中桩的基本构造要求参见桩基础设计有关规范，箱基底板一般为等厚度平板，筏板分为平板式和梁板式两种类型，应根据土质及布桩情况、上部结构体系、桩距、荷载大小以及施工等条件选定。①底板的平面尺寸：根据布桩情况、上部结构布置及对地基分担荷载的要求等因素确定。底板边缘至外排桩中心的距离不宜小于桩的直径或边长，且边缘挑出部分的宽度不应小于150mm。②基础底板厚度：厚度应满足整体刚度及防水的要求，桩布置在墙下或基础梁下的基础板，其厚度不得小于300mm，且不宜小于板跨的1/20；满堂布桩的平板式筏基和箱基底板的板厚应满足冲切承载力的要求。

③底板的混凝土强度等级、底板配筋率参见箱基或筏基的底板构造要求。④梁板式筏基：基础梁的宽度除满足剪压比、抗剪承载能力要求外，尚应验算其局部受压承载力；基础梁与地下室底层柱、剪力墙的连接构造应满足钢筋混凝土结构设计要求。⑤桩与箱基或筏基的连接应符合下列规定：桩顶切入箱基或筏基底板内的长度，对于大直径桩，不宜小于100mm；对于中小直径桩不宜小于50mm；桩的纵向钢筋锚入箱基或筏基底板内的长度不宜小于钢筋直径的35倍，对于抗拔桩基不应小于钢筋直径的45倍。

三、计算方法简介（一）计算方法的发展（二）刚性板法（三）弹性板法（一）计算方法的发展（1）不考虑共同作用的计算方法

（2）考虑桩箱（筏）基础和地基共同作用的计算方法

（3）考虑上部结构与地基及桩箱（筏）基础共同作用的计算方法

（二）刚性板法

内力计算的刚性板法属于第一阶段的计算方法。该方法不考虑底板地基土对荷载的分担作用，认为上部结构荷载全部由桩来承担且各桩分配的荷载相等；同时也不考虑各接触点的变形协调。以筏板基础为例。刚性板法计算筏板内力是按截条多跨连续梁法。计算时从纵横两个方向分别截取跨中或跨中到板边的板带，将板带简化为以板下的桩作为支座的多跨连续梁，以板带上的墙、柱脚荷载作为连续梁的荷载，按结构力学方法近似计算各板带的内力。该方法存在以下几方面问题。①桩筏基础的桩顶反力并非均等，而是角桩、边桩大，内部桩小，桩顶反力存在较大的差异，而这种差异将导致筏板内力，特别是板的弯矩增加，因而刚性板法的计算结果偏于不安全。②刚性板法忽略了（也无法考虑）各板带之间的变形协调和内力，其计算结果是相当粗糙的，有时可能会导致严重的失真。

③各纵横板带交点处的墙、柱脚荷载由该处纵横板带共同承担并在该处产生相同的竖向变位，因而，各纵横板带上的计算荷载应按竖向变位协调条件由交点处荷载在纵横两个方向上的分配得到。但实际上由于桩反力分布和桩筏基础竖向刚度不易获得，因而目前桩筏基础计算时还无法对板带进行纵横向荷载分配，设计中大部分计算还是直接将纵横板带交点处的墙、柱荷载分别作用在纵横板带上。这种荷载的不合理考虑势必造成筏板内力（特别是板中部的内力）计算偏大，这就是以前桩箱（筏）基础设计中底板厚度和配筋量居高不下的重要原因之一。④刚性板法算得的是各板带的平均内力，不能反映内力沿板带宽度上的分布。⑤刚性板法计算的内力没有计及基础板整体弯曲的影响。（三）弹性板法

内力计算的弹性板法属于第二阶段的计算方法。该方法根据弹性地基上板的计算理论，采用较为灵活的数值计算方法，按线性或非线性弹簧反力来考虑桩的作用，该方法考虑了地基与基础的共同作用，是当前技术水平下计算筏板基础内力的一种较为可靠的办法。弹性板法的数值计算采用的是有限差分法和有限单元法，计算中考虑板下地基土对荷载的分担作用。该类计算方法最关键的问题是地基模型的选用，目前采用较多的是文克尔地基模型或双参数地基模型（如巴斯捷纳克地基模型），也有采用其他非线性模型和弹塑性模型的。第八节地下连续墙井箱基础一、地下连续墙概述二、地下连续墙井箱基础的特点三、地下连续墙井箱基础的施工四、地下连续墙井箱基础计算简介一、地下连续墙概述（一）地下连续墙用途和特点（二）地下连续墙主要形式与分类（一）地下连续墙用途和特点地下连续墙（简称地下墙）就是用专用的挖槽孔设备，顺序沿着拟修建深基础或地下结构物的周边位置，采用泥浆护壁的方法，在土中开挖一条一定宽度、长度和深度的深槽，然后安放钢筋笼，浇注混凝土（或水下混凝土），形成一个单元的墙段，各单元墙段之间以各种特制的接头互相连结，逐步形成一道就地灌注的连续的地下钢筋混凝土墙。它用作基坑开挖时防渗、挡土，对邻近建筑物基础的支护或直接成为承受垂直荷载的基础的一部分。

图6—8—1地下连续墙施工示意图

地下连续墙在工程应用

1．作为地下工程基坑的挡土防渗墙，它是施工用的临时结构；

2.在开挖期作为基坑施工的挡土防渗结构，以后与主体结构侧墙以某种形式结合，作为主体结构侧墙的一部分；

3．在开挖期作为挡土防渗结构，以后单独作为主体结构侧墙使用；

4．作为建筑物的承重基础、地下防渗墙、隔振墙等。国际上地下连续墙发展的趋势有以下几点：

1．逐渐广泛地应用预制桩式及板式连续墙，这种连续墙墙面光滑、质量好、强度高；

2．地下连续墙技术向大深度、高精度方向发展，国内外已有将连续墙用于桥梁深基础施工的工程实例；

3．聚合物泥浆已实用化，高分子聚合物泥浆已得到愈来愈多的应用，这种泥浆与传统的膨润土泥浆相比，可减少废浆量，增加泥浆重复使用次数；

4．废泥浆处理技术得到广泛应用，有些国家达到全部处理后排放。地下连续墙优点：

1、作为深基坑支护结构刚度大，对邻近建筑物和地面交通影响小。施工时无噪音，无振动，特别适宜于城市内或密集的建筑群中施工。

2、能适应各种地质条件，可穿过软土层、砂卵石层和进入风化岩层。其施工深度国内已起过80m，国外已超过100m。不受高地下水位的影响，无须采取降水措施，可避免降水对邻近建筑的影响。

3、施工可以全盘机械化，工效高，施工速度快。劳动条件得到改善。

4、适用范围广。由于其整体性，防水性能和耐久性好，又有较大的强度和刚度，故可用作地下主体结构的一部分，或单独作为地下结构的外墙。既可作为防渗结构及隔震墙等，亦可作为承重的深基础。地下连续墙的缺点是施工技术比较复杂，对施工质量要求高，若施工管理不善，则效率低下，质量达不到要求，易发生施工事故。（二）地下连续墙主要形式与分类按槽孔形式

壁板式

桩排式

按施工方法

现浇预制

现浇与预制组合

按用途

临时挡土墙、防渗墙

用作多边形基础的墙体

砼

钢筋砼

粘土砼按墙体材料分

粉煤灰砼

塑型砼

固化灰浆

自凝灰浆按构造形式

分离壁式

整体壁式单独壁式

重壁式

图6—8—2“逆作法”工艺原理1—地下连续墙；2—中间支撑柱；3—地下室顶板；4—底板图6—8—3日本青森大桥斜拉桥塔墩基础（a）全桥概貌；（b）地下连续墙井箱基础图6—8—