基础工程第二版沉井.ppt

l 第一节 概 述 l 第二节 沉井的构造及施工工艺 l 第三节 沉井的设计与计算 第五章 沉井基础 *1 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。 *2 Date3 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。 Date4 Date5 Date6 Date7 3. 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。 Date8 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。 Date9 1. 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0.41.2m。 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1020cm，内侧倾角一般为4560， 刃脚高度当沉井湿封底取1.5m左右，干封底取0.6m左右。 Date10 Date11 Date12 3. 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0.51m，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0.81.2m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。 Date13 5. 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。 Date14 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0.51.0m。 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 Date15 3. 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12m) 一般采用 机械除土，如土质较硬，还需配以水枪将土冲松。 Date16 5. 接高沉井 第一节沉井顶面下沉至距地面还剩12m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。 Date17 Date18 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。 Date19 Date20 第三节 沉井的设计与计算 如果沉井被用作结构物的基础，就应按基础的使用要 求进行各项验算；如果沉井被用作工作井，也应按工作 井的使用要求进行各项验算。但在施工过程中，沉井是 挡土、挡水的结构物，因而还要对沉井本身进行结构设 计和计算。本节着重介绍作为深基础的沉井计算。 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。 一、沉井作为整体深基础的设计与计算 Date21 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，按刚性桩计算内力和土抗力，即相当 于“m”法中h2.5的情况。 下面具体讨论这种计算方法。 Date22 （一）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 = (z0z)tg zx = xCz = mz(z0z)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。 Date23 Date24 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。 X0 M0 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。 Date25 求得z0、tg，代入式(5-3)和式(5-4)，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 Date26 若沉井基底嵌入基岩内，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z0h。地 面下z深度处产生的水平位移x和土的横向抗力zx分别为 x=(hz)tg zxmzx mz(hz)tg 基底边缘处的竖向应力为 （二）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。 Date27 Date28 由MA0便可解出tg，代入式(5-13)和式(5-14)，可进 一步求得： 式中 基底边缘处的应力为 再根据X0，可求出嵌入处未知的水平阻力P Date29 （三）验算 基底计算最大压应力不应超过沉井底面处地基土的容 许承载力fh。即 max f 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 Date30 由朗金土压力理论可知 式中 为土的重度，和c分别为内摩擦角和粘聚力。 桥梁结构中，根据试验可知出现最大的横向抗力大 致在深度 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； Date31 基础在水平力和力矩作用下，墩台顶面会产生水平 位移。由三部分组成： (1) 地面处的水平位移z0 tg ； (2) 地面到墩台顶范围h2内的水平位移h2 tg ； (3) 在h2范围内墩台本身弹性挠曲变形引起的墩台顶 水平位移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 Date32 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L25m 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，z0h。 =(z0+h2)tg+ 0 因此，墩台顶面会产生水平位移为： Date33 Date34 Date35 Date36 Date37 Date38 Date39 Date40 Date41 作业：习题5-1 Date42 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； Gw 沉井结构在下沉过程中所受的总浮力； kN； Rf 井壁总摩阻力，kN； 沉井是一种预制构件，在施工过程中受到各种外力的 作用，沉井结构强度必须满足各阶段最不利受力情况的 要求，沉井结构在施工过程中应主要进行下列验算。 二、沉井的结构设计 （一）下沉系数K1，下沉稳定系数K1和抗浮安全系数K2 Date43 在下沉过程中，沉井重量和井壁摩阻力在不断变化， 因此应跟踪整个下沉过程中下沉系数的变化规律，而不仅 仅是最终状态的情况。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0.80.9。 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1.051.25。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。 Date44 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1.051.1。在不计 井壁摩阻力时，可取1.05。 F 封底后沉井所受的总浮力，kN； Date45 （二）刃脚计算 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。 悬臂作用： 框架作用： Date46 1. 竖向挠曲计算（沉井抽承垫木时计算） （三）井壁计算 (1) 排水挖土下沉 (2) 不排水挖土下沉 图5-16 第一节沉井支承点布置示意 Date47 2. 沉井均布竖向拉力计算（井壁竖直钢筋验算） 3. 沉井井壁水平应力计算（井壁水平钢筋计算） 沉井下沉过程中，上部可能被四周坚硬土体夹住， 而刃脚下的土已被挖除，此时最危险截面在沉井入土深 度一半处，其竖向拉力Smax为：Smax=0.25G 因此，井壁应有足够的竖直钢筋承