基础工程-沉井基础培训课件.ppt

5. 沉井基础,内容提要,沉井基础的分类、构造及施工 沉井作为整体深基础的计算 沉井施工过程的结构强度计算 地下连续墙简介,5.1 概 述,沉井：带刃脚的井筒状构造物，用人工或机械方法清除井内土石，主要借自重克服井壁与土层摩阻，逐节下沉至基底设计标高的基础。,图5.1 沉井基础示意,特点 下基深，hmax=220m，适用于深水，整体性强， 稳定性好，承载力大 造价高，施工期长，不排水施工时难于克服刃脚下孤石、沉船、树干等障碍物，易发生流砂现象 适用条件 上部荷载较大 在山区河流中冲刷大 河水较深，采用扩大基础施工围堰有困难,5.1.1 沉井的作用及适用条件,下沉方式：就地制造下沉沉井(一般沉井)、浮运沉井 制作材料：砼沉井，钢筋砼沉井，竹筋沉井(南昌赣江大桥、白沙沱长江大桥)，钢,砖石,木,外观形状： 平面: 力求简单对称，利于受力，便于施工，有圆形、矩形和圆端形等 剖面:柱形(下沉过程不易倾斜、井壁接长简单，模板反复利用)、阶梯形(下沉阻力小)、锥形(下沉阻力小),5.1.2 沉井的分类,图5.2 沉井的平面形式,5.1.3 沉井基础的构造,沉井组成 刃脚 井壁 内隔墙 井孔 凹槽 封底 盖板,图5.3 沉 井 的 一 般 构 造,井壁:沉井主要部分，下沉过程起挡土、挡水及压重作用，为深基础的护壁和建筑物的基础。,5.1.3 沉井基础的构造,a) 柱形; b) 阶梯形; c) 阶梯形; d) 锥形,一般：厚0.81.5m，每节高5m，砼强度等级C15。 例：湘江大桥(一桥)8#墩，上节厚2.6m，下节3.0m，22125m，下沉12.6m,图5.4 沉井立面形状,刃脚：井壁下端楔状部分，利于切入土中加速下沉,5.1.3 沉井基础的构造,一般底面(踏面)厚100200 mm，以型钢加强，高1m以上，砼强度等级C20,图5.5 刃脚构造示意,隔墙：加强沉井整体刚度,5.1.3 沉井基础的构造,内隔墙的间距一般不大于56m，厚度一般为0.51.0m 一般要求隔墙底高出刃脚底面0.51.0m,图5.6 隔墙构造示意,井孔：挖土排土的工作场所和通道,位置：取土井的平面布置应与中轴线对称，以利于沉井均匀下沉 大小：由取土方法而定，采用挖土斗取土时，应能使挖土斗自由升降，一般宽度3m，对称布置 处理：以素混凝土、片石混凝土或砌片填充。,图5.7 井孔构造示意,5.1.3 沉井基础的构造,凹槽：使封底砼和井壁结合良好,深约0.15-0.25m，高约1.0m，距刃脚底面一般在1.5m以上,图5.8 凹槽构造示意,5.1.3 沉井基础的构造,封底和盖板： 封底厚由计算确定，顶面突出刃脚根部不小于0.5m，并达凹槽上端，砼强度一般地基C20，岩石地基C15。盖板厚一般1.52.0m，井孔充填砼时砼应C10。,图5.9 封底和盖板示意,5.1.3 沉井基础的构造,5.2 沉井的施工,旱地沉井施工：平整场地，制造第一节沉井、拆模及抽垫、挖土下沉、接高沉井、井顶围堰、地基检验和处理、封底、充填井孔、浇筑顶盖。 水上筑岛：水流速不大，水深34m时采用，砂岛应高出施工最高水位0.5m以上，在岛上浇筑沉井。 浮运沉井：水深筑岛困难时采用，岸边制作，滑入水中，井壁为空体可浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。,5.2.1 旱地沉井施工,铺垫木 立模板绑钢筋 注混凝土、养生 拆模及抽垫 土内模制造沉井刃脚,清理场地,图5.10 制造第一节沉井实例,制造第一节沉井,拆模及抽垫,拆模顺序：井孔模板、外侧模板、隔墙支撑及模板、 刃脚面支撑及模板,抽垫顺序：内壁、短边及长边下对称同步。长边下隔1根撤1根，最后以定位桩为中心由远而近对称撤除,5.2.1 旱地沉井施工,图5.11 沉井垫木 （a）圆形沉井垫木；（b）矩形沉井垫木,除土下沉,5.2.1 旱地沉井施工,图5.12 除 土 下 沉 示 意,接高沉井 设置井顶防水围堰 基底检验和处理 封底 井孔填充和顶板浇筑,5.2.1 旱地沉井施工,5.2.2 水中沉井施工,水中筑捣,无围堰防护土岛,有围堰防护土岛,围堰筑岛,水流速不大，水深34m时采用,图5.13 水中筑岛下沉沉井,浮运沉井,水深筑岛困难时采用，岸边制作，滑入水中，井壁为空体浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。,5.2.2 水中沉井施工,图5.14 浮运沉井施工示意图,浮式沉井：双壁钢壳,直径21.4米 净高13.6米,5.2.4 沉井下沉所遇问题及处理,偏斜：沉井偏斜大多发生在下沉不深时，导致偏斜原因有多种；纠偏方法有：除土、压重、顶部施加水平力 难沉：即沉井下沉过慢或停沉；原因（侧阻过大、踏面过大、孤石树根等）；解决方法（射水、加重井壁、减小踏面、小型爆破） 突沉：沉井产生较大的倾斜或超沉，突沉常发生于软土地区；主要原因是井壁侧阻较小 流砂：在粉、细砂层中下沉沉井，易出现流砂现象；主要原因是土中动水压力的水头梯度大于临界值；防治措施有：采用井点降水及不排水除土，或向井内回灌水,主要内容： 拟定外形尺寸、高度、壁厚 视为天然地基上深基础的地基强度及变形验算 施工阶段刃脚、井壁的强度计算 使用阶段井壁及顶板、底板强度计算,5.3 沉井的设计与计算,沉井高度 沉井底面标高，主要根据上部荷载、水文地质条件及各土层的承载力等确定。 沉井作为基础，其顶面应埋入地面0.2m或地下水位以下0.5m。 沉井平面形状和尺寸 沉井平面形状应根据上部建筑物的平面形状决定。 为防止下沉过程中少许偏斜对建筑物影响，要求留襟边，其宽度下沉总深度的2%，且不得小于20cm。,5.3.1 沉井作为整体深基础的计算,沉井尺寸设计,下沉系数: 确定沉井的外形尺寸和壁厚时，应保证沉井在各种施工阶段能克服四壁摩阻力R1而顺利下沉，即要求K1：,G各种施工阶段沉井的自重； Rt沉井井壁土的摩阻力。,下沉系数K1、抗浮稳定系数K2,抗浮稳定系数:当沉井下沉到设计标高，砼封底并做好钢筋砼顶板、抽除井内积水后，而内部结构及设备尚未安装，井外地下水位达最高时，应考虑沉井的抗浮稳定，即要求K2：,G沉井结构的自重； P水对沉井的浮力，等于地下水位以下沉井排开同体积的水重,地基强度：沉井作为深基础时，一般要求下沉至坚实土层或岩层上，且地基强度须满足：,F作用于沉井顶面处荷载 G沉井自重 Rf井侧总摩阻力 Rj沉井底部地基土的总反力 Rj=faA(fa为基底土承载力特征值),F + G Rj + Rf,沉井作为天然地基基础计算,式中：,5.3.1 沉井作为整体深基础的计算,井侧总摩阻力Rf：可假定井侧总摩阻力Rf沿深度成梯形分布，距地面5m范围内按三角形分布，5m以下为常数，故总摩阻力为,Rf U(h2.5)q,U沉井周长 q单位面积摩阻力加权平均值，可按表5-1取值。,图5.15 井壁摩阻力分布假设,式中：,5.3.1 沉井作为整体深基础的计算,基本假定： 地基土为弹性变形介质，水平向地基系数随深度成正比例增加(即m法) 不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力 沉井刚度与土刚度之比为无限大，横向力作用下只产生转动而无挠曲变形 根据基底地质情况，可分为非岩石地基和基底嵌入基岩内两种情况分析,考虑土体弹性抗力的沉井设计与计算,5.3.1 沉井作为整体深基础的计算,非岩石地基,在FH作用下，沉井将围绕位于地面下深度z0处点A转动角则深度z处沉井水平位移x为：,将水平力FH和偏心竖向力FV (=FG)等效为距基底作用高度为的水平力FH，即：,图5.16 非岩石地基计算示意,x = (z0z)tan,5.3.1 沉井作为整体深基础的计算,其中： Cz = mz C0 =mh,即土的横向抗力沿深度呈二次抛物线变化，若基底竖向地基系数C0不变，沉井底面受到的抗力：,zx =xCz =Cz (z0z)tan,沉井受到的横向抗力zx,式中C0按桩基计算方法确定，但不得小于10 m0。,图5.17 非岩石地基计算示意,5.3.1 沉井作为整体深基础的计算,上述各式z0和为未知数，可由静力平衡导得：,b1为基础计算宽度，W为基底截面模量。联立求解得：,其中：,5.3.1 沉井作为整体深基础的计算,将此代入上述各式得土体横向抗力：,基底边缘处压应力：,式中A0为基底面积。 离地面下深度z处截面弯矩为：,5.3.1 沉井作为整体深基础的计算,基底嵌入基岩，在水平力和竖直偏心荷载作用下，可假定基底不产生水平位移，故旋转中心A与基底中心重合，即z0 = h。 基底嵌入处将存在一水平阻力FR，其对A点的力矩可忽略不计。由弯矩平衡得：,基底嵌入基岩内,图5.18 基底嵌入基岩内计算,5.3.1 沉井作为整体深基础的计算,地面下深度z处截面上的弯矩为,尚需注意,当基础仅受偏心竖向力FV作用时,，上述各式不能应用。此时应以 M=FVe 代替上述各式中FHh1，同理可导得上述两种情况下相应的计算公式。,土体横向抗力,基底边缘处压应力,基底嵌入处水平阻力FR由X= 0可得：, = ( z0h2 ) tan+ 0,0为h2范围内台身弹性挠曲变形引起的墩顶水平位移,其中：FH、M为墩顶作用的水平力及弯矩,墩台顶水平位移,计入基础实际刚度对地面处水平位移及转角的影响后(tan)，可写为： =(z0 K1+h2 K2)+0 K1、K2水平位移影响系数，根据h及/h查书表5-2。,墩台顶水平位移：,横向抗力,经验表明最大横向抗力大致在z = h/3和z = h处，故,1取决于上部结构形式的系数，一般取1=1，拱桥1=0.7； 2考虑恒载弯矩Mg对总弯矩M的影响系数，即,验算,要求zx应小于井周土的极限抗力值，而极限抗力以土压力表示，即： zx PpPa 由朗金土压力理论可得：,墩台顶水平位移,其中：L为相邻跨中最小跨的跨度（m），当L25m，取L25m。 此外，对高而窄的沉井还应验算产生施工容许偏差时的影响。,（cm）,要求：,基底应力,max f ah,要求：,在抽出垫木及挖土可能有不均匀等不利条件下，第一节井壁在自重作用下应按单支点、简支梁等验算井壁强度。,第一节井壁的应力验算,5.3.2 沉井施工过程的结构强度计算,排水除土下沉,不排水除土下沉,图5.19 底节沉井支点布置示意,考虑下两种最不利情况：,刃脚外挠：沉井下沉至一半深度，上部井壁已全部加高，刃脚入土1m。此时刃脚斜面上土的横向推力向外作用，产生向外挠曲。 刃脚内挠：沉井下沉至接近设计标高，刃脚下土已掏空，沉井自重全部由外侧摩阻力承担。此时在外侧水、土压力作用下，使刃脚产生向内挠曲。,刃脚计算,图5.20 刃脚向外绕曲受力示意图,图5.21 刃脚向内绕曲受力示意图,井壁的水平配筋 下沉到设计标高，刃脚下土已掏空，水、土压力最大，按水平框架计算内力。,井壁的竖直配筋 下沉到设计标高，刃脚下土已掏空，且上部井壁被土夹住，下部似悬挂在土中的最不利位置计算井壁拉力。 等截面沉井产生的最大拉力max等于沉井自重的1/4，即tmaxG/4，其位置在沉井的h/2处。,井壁计算,此外，还应验算井壁在使用阶段中各种受力时的强度。,图5.22 单孔矩形框架受力,干封底：可按构造要求确定厚度，一般为0.61.2m 水下封底:砼厚度由抗浮要求和强度条件确定 按抗浮计算时，封底砼厚度作为沉井重量的一部分，应满足抗浮要求； 按强度条件计算时，当封底砼达设计强度，井中水被抽除，且未浇筑钢筋砼底板时，将封底所受最大水压减去砼自重作为荷载、素砼板承受水压来计算弯矩，验算强度。 计算模式： 底板可视为四边嵌固于井壁(或隔墙、格梁)上的单向或双向板。荷载取最大水浮力或沉井最大自重时引起的反力。 顶板按动、静荷载作用下的单向或双向板计算。,封底砼及底板、顶板厚度计算,地下连续墙：成槽机沿着深基础或地下构筑物周边，开挖出具有一定宽度(或直径)与深度的沟槽(或孔)，在槽内设置钢筋笼，浇注砼，筑成一个单元的墙段。再继续开挖、浇筑砼，并以某特定接头方式连接墙段，形成一道连续的,概 述,作用:基坑开挖时防渗、挡土，邻近建筑物的支护，以及作为基础的一部分。,5.5.2 地下连续墙,现浇壁式地下钢筋砼 连续墙。,优点 无噪音、无振动，适用于城市与密集建筑群中施工(法国最小距离0.5m，日本0.2 m)； 土方量小,无需井点降水，造价低，施工速度快，适用于各种地质条件(如钢板桩难以进入砂卵石层和风化岩)； 能防渗、截水、承重、挡土、抗滑、防爆等。 缺点 施工技术要求高，槽段接头质量控制比较复杂，小型工程造价较高，不适用于岩溶地区、粉、细砂地层。,5.5.2 地下连续墙,发展 逐渐广泛地应用预制桩式及板式地下连续墙，其墙面光滑、墙体质量好，强度高；,向大深度、高精度方向发展，日本液化天然气地下储库工程施工深度达100m，施工垂直精度可达1/2000； 高分子聚合物泥浆的应用、废泥浆处理技术的实用化。,5.5.2 地下连续墙,步骤：修筑导墙泥浆护壁成槽槽段连接浇筑砼。 修筑导墙 成槽施工前先开挖导沟，修筑钢筋砼(钢、木)导墙，并设临时支撑，其作用：导向、容蓄泥浆，支撑设备荷载，维护表土稳定，防止槽口塌方。 泥浆护壁 作用：平衡水土压力，护壁、防渗、携渣、冷却润滑钻头。,地下连续墙的施工,成槽 无粘性土、硬土和夹有孤石等较复杂地层可用冲击式钻机粘性土和N20m时宜优先考虑 采用多头钻机开槽，每段槽孔长可取68m，采用抓斗式或冲击式钻机成槽，每段长度可更大。墙体深度可达几十米。,槽段的连接 接头应满足受力和防渗要求。国内多用接头管连接非刚性接头。在挖除单元槽