foundation14沉井.ppt

,1,沉 井,1,基础工程 2007,14,中国地质大学 工程技术学院 马孝春 , 010.8232.2628,2007.10.21,2,基础工程7-111-17913-7,中国建筑工业出版社 ISBN 7-112-06739-1,+,p199,3,目录,概述 沉井的类型和构造 沉井基础的设计与计算 沉井的施工 问题与对策,4,1 概述,沉井的含义 应用范围 沉井的特点 发展状况 用途与分类 设计要点,5,凹槽,刃脚,取土孔,顶板,井壁,封底,过人孔,6,1.1 沉井的含义,沉井可在水下取土且无需在井内加压。,沉井-在地面上制作、通过取除井内土体的方法使之沉到地下某一深度的井体结构。 施工时作为临时围护结构 竣工后合为基础,7,1.2 沉井的应用范围,地下厂房、地下油库、大型取水泵房、地下水库、地下停车场、特大桥梁的桥墩、缆索桥的锚固墩及高层建筑的地下室,当构筑物埋置较深，采用沉井方式较经济时或采用其他施工方式有困难时； 附近有建筑物，开挖施工不可能时； 江心和岸边的井式构筑物，排水施工有困难时；,8,沉井用途,构筑物类 给排水工程中的集水井、水泵房、废水池 矿山工程中的竖井等。 基础类 桥梁工程中的桥墩 高层建筑物的地下室 基坑支护类 如软土地基中的深基础施工 顶管工程中的临时工作井、接收井等,1.3 沉井的结构特点,埋置深度大 整体性强 稳定性好 有较大的承载面积 能承受较大的垂直和水平荷载 可做为补偿性基础，避免过大沉降,9,10,1.4 沉井施工的特点,开挖限制在沉井范围内，土方量和占地面积不大。 省去了开挖支护的费用。 节省了降水或排水的费用。 深度越大，沉井的优点越突出。 在下沉深度范围内，沉井刃脚下必须无大块孤石、坚硬的土层或其他障碍物。,11,1.5 沉井技术的发展状况,由古老的掘井作业发展而来； 20世纪50年代借鉴国外的设计理论和经验，我国建造的沉井不下1000座。 其体积从直径2m的集水井到巨大的江阴长江大桥的主索平衡墩(体积达60m 58m50m)； 沉井形状包括方形、矩形、多边形、圆形和椭圆形； 施工方法有陆地沉井、筑岛沉井和浮运沉井等。 我国已有了自己的设计规程和施工验收规范。,12,2 沉井的类型和构造,材料 平面形状 场地,13,按材料分类,混凝土沉井 适宜圆形，小直径、下沉深度不大的沉井。 钢筋混凝土沉井 适宜作各种类型各种用途的沉井。 钢沉井 钢沉井又分为钢板沉井和钢壳沉井。 钢板沉井宜做成圆形，小型，临时沉井。自重轻，压重和水冲沉至设计标高。 钢壳沉井适用于做浮运沉井。,14,按平面形状分类,1圆形沉井 受力性能好，只产生轴向压力，在江河中使用时阻力系数小，适于下沉较深的沉井。 2矩形沉井 使用性能好，易于布置。但在河道中使用水流体型系数大，在侧压力作用下产生的力矩也较大。 3圆端沉井和尖端沉井 减少阻水系数，对河床冲刷小。适于桥墩和河中心的取水构筑物。 4多格沉井 因使用要求或受力要求分格,15,按场地分类,陆地沉井 陆地上制作和下沉 筑岛沉井 河水较浅，砂石筑岛，岛面标高在水位50cm以上。 浮运沉井 河水较深，筑岛困难时使用。河岸上选场地制作，浮运至预定位置下沉 大型浮运沉井可采用钢壳沉井，小型浮运沉井可采用钢筋混凝土沉井。,16,沉井的构造,结构布置 刃脚形式和构造 沉井井壁构造 底板及底部构造 顶管工作井与接收井 连续沉井构造 一般构造规定,井壁、刃脚、内隔墙、横梁、框架、封底、顶盖板,井壁,17,土软，浅,土密，深,土软，深,省料,P202,壁厚要求能够靠自重下沉，保证强度与刚度，过重时台阶状,18,井壁配筋,沉井井壁的垂直钢筋一般不宜小于10，在台阶处钢筋交叉搭接的延伸长度不小于锚固长度。井壁顶和井壁底须配若干粗钢筋加强。,刃脚,19,踏面,踏面宽度,20,刃脚形式和构造,-刃脚斜面倾角；C-刃脚底宽；1-底板；2-垫层；3-封底混凝土,干封底 无地下水 不适于软土,常用 适于带水下沉,外壁台阶 下沉阻力小 适于难沉层,硬土区 角铁护角 保护砼刃脚,钢板包裹 适于爆破法清障沉井,21,井壁与底板的连接,井壁与底板的连接，要求构造上能可靠传力，底板的反力通过连接点传给池壁。连接点处也不允许漏水。通常的办法是在沉井壁上设凹槽或凸缘，凹槽适用于厚壁沉井，凸缘适用于薄壁沉井。,22,隔墙,沉井井体内可设置多道隔墙； 隔墙下也可设置刃脚 沉井高度大时可分节浇筑； 每节高度不宜大于6m，沉井底节一般46m,23,底板封底,干封底： 无地下水或可降水至封底标高以下50cm时 先浇筑素混凝土垫层，再浇筑钢筋混凝土底板。 水下封底: 带水下沉的沉井 水下封底混凝土的强度等级达到设计要求时，方可将井内水抽除。 封底前须有潜水员水下抛石和整平。,24,3 沉井基础的设计与计算,尺寸的确定 沉井基础的计算 施工过程中的结构计算,沉井尺寸的确定,沉井高度 平面尺寸 壁厚,25,P205,沉井基础的计算,垂直荷载 水平力与偏心力 验算,26,垂直荷载,27,沉井底部地基土反力,水平力与偏心荷载,28,（1）基底为非岩石层，沉井绕某一深度z0处扭转,任一深度处的水平应力,基底边缘处竖向力,P208,（6-8）,（6-9）,水平力与偏心荷载,29,（2）基底为岩石层，沉井绕基底中心处扭转,任一深度处的水平应力,基底边缘处竖向力,（6-10）,（6-11）,验算,P208 基底边缘处,30,(6-12),压应力,水平应力,(6-13),沉井在施工过程中的计算,沉井下沉验算 底节井筒强度验算 刃脚计算 沉井井壁计算 沉井封底计算 沉井抗浮计算,31,沉井下沉验算,重力足以克服摩阻力,32,(6-16),底节井筒强度验算,第一节井筒到达下沉深度后，最后支撑在几个垫木上，处于最不利状态 矩形井筒，(6-17)-(6-20) 剪力，弯矩 圆形沉井，表6-2，p211,33,刃脚计算,34,刃脚竖向内力,刃脚水平内力,刃脚向外挠曲,刃脚向内挠曲,接高完毕，刚下沉时 P211, (6-21)(6-36) 根据刃脚F、V、M值配筋,下沉至设计标高，刃脚已挖空，未浇砼时，水平力最大。,下沉至设计标高，刃脚已挖空，未浇砼时，水平力最大。,P211,沉井井壁计算,35,水平内力及配筋,垂直受拉及配筋,P = E + W + V P M，N，V,P215,下沉至设计标高，刃脚已挖空，未浇砼时。,下沉至设计标高，刃脚已挖空，上部井壁被卡住时。,求最大拉力及位置,沉井封底计算,36,干封底,水下封底,验算粘性土层厚，避免地下水压刺透,底部砼层抗拉计算，求最小砼厚度，按双向板求最大弯矩,沉井抗浮验算,验算沉井封底后，整个沉井受地下水的浮力作用。 验算抗浮系数。 p218,37,38,4 沉井的施工,施工准备 井墙制作 沉井下沉 沉井接高 沉井封底,39,4.1 施工准备,场地准备:三通一平 文件准备：施工组织设计 工程概况； 主要工序施工工艺； 施工总进度计划； 劳动力与主要物资资源的需要量计划； 施工总平面图； 施工计量； 质量安全技术措施； 文明标化管理。,平整场地,旱地：平整、地基处理 水中：筑岛 浅水：土岛 (流速不大) 水深流急：围堰 海中：浮运下沉 枯水期，中砂、粗砂或砂夹砾石，岛面高出浪0.5m以上,40,草袋围堰筑岛,41,草袋装砂或土，水深在3.5m以内，流速在1.2ms ，河床为砂、砂夹卵石或硬粘土等不易沉陷基底，心墙也可装砂土，草袋装量1223。 粘土心墙厚0.51.0m，堰顶宽2.02.5m。,板桩围堰筑岛,适用范围：水深流急，河床土质适宜打入 板桩：木板桩、混凝土板桩、钢板桩等。 板桩围堰的计算：钢板桩或槽钢的断面、最小入土深度、桩间距、拉杆的间距和截面面积以及整体稳定性核算等。 施工：打桩船,42,43,石笼围堰筑岛,适用于水深流急，且不宜打板桩的岩石、砂夹卵石等的河床上。 石笼有木、竹、钢筋笼等数种。木笼只有在特殊情况下才使用，南方因竹材较多，故亦有用竹笼。 先用其它材料制作成笼，然后向笼内填装块石或卵石做成围堰后，再向围堰内填砂筑岛。,44,砂垫层,(1) 分散压力：使沉井荷重经过砂垫层的扩散作用后，传至下卧层面上的应力小于地基土的承载力特征值。保证沉井第一节混凝土在浇灌过程中的稳定性。 (2) 整平及抽模方便：当沉井第一节制作高度较大因而重量也较大时，常沿井壁周边刃脚下铺设承垫木，以加大支承面积。当采用有承垫木施工时，为了便于整平、支模及下沉时抽除承垫木，在承垫木下应铺设砂垫层。 砂垫层材料：级配较好的中砂、粗砂或砾砂。,45,混凝土垫层,为了扩大沉井刃脚的支承面积，减轻对砂垫层或地基土的压力，省去刃脚下的底模板，便于沉井下沉，在砂垫层或地基上，应先铺筑素混凝土垫层。其厚度一般可采用1015cm，太薄则容易压碎，太厚则对沉井下沉不利。为了固定沉井刃脚钢(木)模板，可在混凝土垫层内埋入小方木，长度较井壁所用拉杆螺栓稍长。,46,4.2 沉井制作 模板-钢筋-混凝土,模 板,沉井模板应具有足够的强度、刚度、整体稳定性和缝隙严密不漏浆等。,沉井模板表面应平整光滑。 分节制作时一次制作高度一般可控制在68m，可使模板工作始终位于地面以上，而且高度也不大，操作比较方便和安全。 模板的设计、安装及预埋件和预留洞设置偏差，应符合混凝土结构工程施工质量验收规范GB 50204-2001的有关规定。 常用的有木模、钢模及滑模三种。,由于沉井自重较大，浇筑时可能产生较大沉降，故不宜从地面用斜撑支撑井墙模板。以免因沉井继续下沉，而造成斜撑折断。,47,4.3 沉井下沉,1排水下沉 地下水位不高，或弱透水层，涌水量不大时采用，缩短工期。 2不排水下沉 粉土、砂土，流砂危险 强透水层，补给水量大； 附近有已建的建(构)筑物及其他设施 3分次下沉 沿高度方向分次浇筑分次下沉。,48,沉井下沉,当沉井制作时采用了承垫木时，下沉前须将沉井下的承垫木抽除 沉井下沉主要是通过从沉井内用机械或人工的办法均匀取土，消除或减小沉井内侧土的摩阻力及刃脚下的正面阻力，有时也同时采取减小井壁外侧土的摩阻力办法，使沉井依靠自身的重量逐渐地从地面沉入地下。 沉井下沉的施工方法有：机械抓土人工配合或人工挖土的排水明挖法下沉；用水力机械出土的排水下沉；空气吸泥潜水员配合或机械抓土潜水员配合的不排水下沉等。 对于陆上沉井，以排水明挖法下沉为主；而对于水中、人工筑岛上的沉井、浮运沉井或者水边滩地粉砂层上的沉井以水下除土的不排水法下沉为主。排水与不排水下沉，应视具体情况而定。 有时由于沉井入土较深，下沉后期沉井外壁摩阻力将会很大，或者由于沉井井壁较薄，自重较轻，沉井的下沉系数偏低。这时，沉井下沉施工应考虑采用井壁外设置泥浆润滑，或者在井壁外侧高压射水、喷射压缩空气等办法降低摩阻力，以及采用井体上加压重、井内降低水位等措施，使沉井能够顺利地下沉至设计标高。,49,沉井排水及人工挖土下沉 地层：当沉井所穿过的土层透水性较差，渗水量不大；或者虽然沉井所穿过的土层透水性较强，渗水量较大，但排水不致产生流砂现象时，应尽可能将沉井内积水排干，采用明挖法下沉。 优势：排水明挖法下沉，劳动条件好，视线清晰，下沉比较容易控制，若土层中有障碍物，易于发现和清除，沉井发生倾斜也易于纠正。沉井下沉至设计标高时，能直接观察到地基土层情况，可在无水的情况下进行混凝土封底工作，这样既可减薄封底混凝土的厚度，节约砂、石、水泥等建筑材料，又能加快施工进度。所以沉井下沉时，应尽量采取措施实现排水明挖下沉。 排水： 沉井排水，分井内排水和井外降水。井内排水即是用各种类型水泵从井内抽水，并将水排到井外。 井外降水主要是采用井点系统或深井泵以及其他方法降低沉井附近区域的地下水位，使沉井内锅底无水，达到干施工的目的，在有流砂产生的地区，采用这种方法施工很有效。,50,(1) 沉井在软土中下沉 沉井在软土中下沉时，一般在分层挖去井内泥土的过程中。挖土顺序先中间后四周。,每层挖土厚度0.40.5m，在刃脚处留1.01.5m台阶，然后往刃脚方向逐渐全面、对称、均匀地挖土，使沉井将剩余的台阶部分土挤压坍塌，靠自重均匀下沉。如沉井下沉很少时，可继续在中间挖土，然后向四周扩大，使沉井下沉。当沉井有多个井格同时挖土时，应保持高差不超过1.0m。,开挖前,挖锅底,掏锅底,自重下沉,1234为刷坡顺序,51,(2) 沉井在砂夹卵石或坚硬土层中下沉,挖土可按普通土层的方法进行。当土挖至刃脚，沉井仍不下沉，可对称 地将刃脚下挖空，且可向外挖出少许(约1%)，挖完后用原地土填塞并尽 量击实，待全部刃脚下挖空并回填结束后，再分层挖掉回填的土层，使下沉,挖锅底,对称部分掏空,填上掏空部分,挖其它处,逐渐挖去填土部分,52,(3) 沉井中遭遇岩层,先钻眼放炸药进行松动爆破，开挖至刃脚处仍不能使沉井将硬层压碎下沉时，可将炮眼向刃脚外伸出150300mm，以挖除刃脚下的岩层，使沉井下沉。 不管在什么土层中下沉，最初5m的下沉应尽量保持沉井均匀下沉，以 确保平面位置及垂直度的准确性，这样可形成正确的下沉轨道，使以后的下沉能正常地进行下去。在沉井快沉到设计标高时，要控制挖土，以控制下沉速度，避免刹不住，从而引起超沉。,钻眼松动爆破,挖锅底,钻眼松动刃脚,下沉,53,机械挖土下沉,抓斗(抓铲)一般均配以双滚筒吊机。这 种方式施工速度较慢，尤其当下沉较深时，抓斗上下需花费大量时间。而且吊车的吊杆长度受限，往往不能在沉井的全范围内抓土，当沉井的井格很多时，吊机仅能在外圈井格内抓土，中间各井格需要装固定的吊机进行抓土。,54,水力机械下沉,利用高压射水来代替人工进行沉井下沉的全部作业，它包括土的切割、冲刷、搅动及泥浆排除。,主要设备：水泵、进水管路、水力冲泥机、水力吸泥机、排泥管路。,55,空气吸泥器,应有成套的空气吸泥的设备及潜水工人，以便对沉井刃脚四周进行必要的冲掏，或经常检查水下的除土情况，使沉井能顺利地下沉。 反循环钻进原理,56,触变泥浆减阻措施,泥浆润滑套使沉井在下沉过程中与周围的土体隔离，达到减小摩阻力的目的，并维护土壁不产生坍塌使沉井周围的土体稳定，减小沉井下沉时对周围建筑物沉降的影响。 触变泥浆，是由水、粘土、化学处理剂及其他一些惰性物质组成。,(1)泥浆本身必须是稳定的，在长时间静置下不能有水分离析现象发生，保持泥浆适量的稠度，不致发生土粒的沉淀。 (2)泥浆和土壁接触，泥浆不能大量失去水分，或为地下水所稀释。泥浆在接触土壁部分，失去少量水分之后，能形成一层不透水的固体颗粒胶结物泥皮，维持内部泥浆的稳定。 (3)泥浆必须具有触变性。在静置之后，泥浆流动性很小，在沟槽内足以防止土体坍塌；在搅动时必须具有足够的流动性，以便在工程上使用。,57,空气幕减阻措施,1-电动空压机；2-气包；3-供气总管；4-气龛(kn)；5-空气分流器；6-井壁,空气幕法又称壁后压气法、空气喷射法、空气膜法等，该法是在沉井井壁内预设若干管路，每根管上钻有许多小孔，然后向管内通具有一定压力的压缩空气，通过小孔向沉井井壁外面喷射，在沉井周围形成一层空气帷幕，使井壁与土层之间摩阻力降低，以增加沉井的下沉深度。,压气助沉效果,58,4.4 沉井封底,当沉井下沉至设计标高，并基本稳定以后8小时内下沉量不大于10mm，进行沉井的封底工作。 沉井封底分干封底和水下封底两种。,干封底,59,干封底,适用条件：基底透水性低，涌水量小，无流砂。 优势：砼强度和密实性好，省去水下封底混凝土的养护和抽水时间。 新浇砼底板未达强度不得承受地下水压力，多用集水井。 沉井重而大时，可分格下沉，先角后中。,60,水下封底,61,62,浮运沉井的定位与沉放,浮运沉井一般多采用薄壁结构，井壁可采用钢板、木模板或钢丝网水泥薄板制成，待沉井就位下沉后，再用水下混凝土填充。 设定位锚船 锚锭设备的选择与计算 浮运沉井的沉放,63,设定位锚船,离岸较远,离岸较近,锚碇设备的选择与计算,锚缆受力计算 浮船上的水流阻力 浮运沉井上的水流阻力 船及沉井上的风力 锚缆和锚链的长度计算,64,浮运沉井的沉放,1对河床表面的检查 清除河床表面的障碍物，如沉船、大块孤石、电缆、沉树等杂物，整平下沉区域。 2浮运就位 灌水下沉，缆绳定位，潜水员检查,65,沉井中的问题及处理,沉井井位偏差及纠偏 井内流砂及处理 沉井下沉周边土体塌方范围及应对措施 沉井接高时的稳定措施 保护沉井周围环境的措施,66,沉井倾斜,67,p229,68,井内流砂,示例：某沉井长28.1m、宽8.6m、深9.73m，外井壁厚0.8m。其中设有三道隔墙平面上分为四仓，为一重2000t的椭圆形结构。当沉井下沉3m深度以后已遇流砂层，由于地下水量不大，未采用降水措施。沉井产生了倾斜，后经多次纠偏均未达到目的，最后造成沉井大量超沉。 最大超沉量(6点)为2.862m； 最小超沉量(3点)为1.635m； 最大高差(3点与6点)为1.227m。,在粉、细砂层中下沉沉井，经常会遇到流砂现象，如未事先处理，可能造成严重倾斜。,一些沉井虽未产生严重倾斜，但由于井内大量抽水，流砂将随地下水大量涌入井内，随挖随涌，井外地面可能出现严重坍塌现象。某沉井，下沉深度约30m，而井外坍陷影响半径达35m以上。,69,1向井内灌水 如发生流砂现象应向井内灌水，使Ikp中的H2增加、L加长以达到减小水力梯度的目的，排除产生流砂现象的条件。 在井内灌水后，可采用水下挖土(即用吊车水中抓土或水下空气吸泥等方法)，即改用带水下沉方法施工。 2井点降水 采用井点降水后，井内土体就没有地下水，挖土时砂土不受动水压力作用，从根本上排除了流砂产生的条件。 3地基处理 在条件允许时，通过地基处理(例如注浆加固)，改变土体可能产生流砂的特性。,防止发生流砂现象的措施,70,沉井超沉,土的破坏棱体范围与有关： 下沉深度 土质 施工方法,土的破坏棱体范围内有永久性设施时，必须采取有效的保护措施,沉井四周土的破坏棱体范围估算：,71,工程实例 某沉井外径9.2m，下沉深度约80m，在施工中多次出现触变泥浆漏入井内和少量涌砂等，在井筒外围地表亦出现了环状裂缝和沉陷区。地面沉陷平均约为1m左右，因施工需要曾进行了部分回填土，裂缝坍陷区从井中心算起约17m左右。,72,减少沉井对四周土体破坏的措施 1加长刃脚，使沉井刃脚埋入土中1.53.0m，形成了一个沿刃脚四周的土堤，以阻碍土体从井外向井内涌入，这样对稳定井外的土体有利。 2在粉、细砂土层中下沉作业时，为避免产生管涌现象和流砂大量流入井内，不应采用井内明排水施工，而改用由潜水员配合的不排水下沉。在邻近没有永久建筑物时，可采用井点降水措施。 3沉井四周如坍陷较严重时，应及时回填。对四周不均匀坍陷更应注意，以免由于沉井四周土压力不均匀而引起沉井过大的倾斜。,73,沉井接高时的稳定措施,沉井下沉可分为一次制作一次下沉，或分节制作一次下沉，或分节制作分次下沉，主要取决于沉井的规模和地基承载力。 注意：沉井在砂垫层上制作时，当地基不能承受沉井的压力时，地基产生塑性破坏而引起井四周地面变形，突沉，地面沉降。,示例： 某沉井外径12.5m，高18.75m，无内隔墙及底梁，在入土9.7m后进行沉井接高，第二次开始下沉时，突然下沉5.78m，井内涌土高度约10m，造成重大伤亡事故和井周大幅度坍陷。,74,大桥位于江苏省江阴市（无锡市辖）西山与靖(jing)江市（泰州市辖）十圩村间。该桥采用一跨过江、大跨径钢悬索桥桥型。主跨1385米，当时为“中国第一、世界第四”。大桥南引桥168米，北引桥1518米，全长3071米。桥面按六车道高速公路设计，宽33.8米；设计行车速度为100公里/小时；设计通过量27000辆/日，实际可通行能