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桥梁桩基础 第一节概述一 桥梁的组成及概念 基础的分类 浅基础 刚性扩大基础 材料 砖石 素混凝土 钢筋混凝土 深基础 桩 沉井 钢筋混凝土 浅基础和深基础的区别 浅基础 埋深h小于或等于5m 施工简单 可以明挖 计算时不考虑土抗力 深基础 埋深h 5m 施工较复杂 计算时 要考虑周围土抗力 埋置深度h 对于有冲刷的河流 是从最大冲刷线至基础底面的距离 对于无冲刷河流 是从河底或地面至基础底面的距离 地基的分类 人工地基 需要经过人工加固或处理的地基 天然地基 可直接放置基础的地基 桥梁桩基础的概念 组成 承台 基桩作用 将上部结构传来的力传入地基中 二 桩的适用条件 1 荷载较大 地基上部土层软弱 适宜的持力层较深 2 河床冲刷大 采用浅基础施工困难或不够安全 3 结构对不均匀沉降敏感时 4 施工水位过高 避免水下施工 5 地震区 第二节桩基的类型和构造 一 按受力条件分 1 摩擦桩和柱桩 摩擦桩 桩穿过并支撑于各可压缩土层中 主要依靠桩侧摩阻力支承荷载 柱桩 桩穿过土层 支撑在岩石等非压缩土层中 主要依靠桩底支承力荷载 忽略桩侧摩阻力 2 竖直桩和斜桩 竖直桩 常用于承受垂直力 斜桩 为了承受较大水平力 一般用于拱桥桥台 3 高承台桩 台底位于地面 或冲刷线 以上 圬工少 施工方便 低承台桩 台底位于地面 或冲刷线 以下 圬工多 稳定性好 二 按施工方法分 钻孔灌注桩打入桩静力压桩沉管灌注桩爆扩桩管柱桩 三 桩基础的构造钢筋组成和作用 摩擦桩 分段配筋 柱桩 全长均匀配筋 桩与承台连接时 应成喇叭形 并放置钢筋网在顶端 第三节钻孔灌注桩的施工 施工特点 简单 方便 适用于 各种砂性土 粘性土 碎卵石类土 岩层 慎用 在有淤泥 可能有流砂或有承压水的土质地点 施工顺序 1 准备场地 三通一平浅水施工 筑岛围堰深水施工 搭支架 搭便桥 安装水中平台 用浮船 2 埋护筒 种类 木 钢 混凝土作用 1 固定桩位 做钻孔导向 2 保护孔口 防止坍塌 3 隔离地面水 保持水头差 埋护筒要求 1 平面位置应埋设正确 2 筒顶标高应高出地下水位和施工最高水位1 5 2 0m 3 筒底应低于施工最低水位0 1 0 3m4 护筒四周应夯填密实的粘土 埋在稳定土层中 3 制备泥浆 作用 1 产生较大的悬浮液压力 防止塌孔 2 在孔壁表面形成胶泥层 有护壁作用 3 泥浆比重大 具有浮渣作用 利于钻渣的排出 4 安装钻机或钻架 5 钻孔 方法 1 旋转钻2 冲击钻3 冲抓钻 注意事项 1 保持水头差2 注意速度3 一气呵成4 加强检查 6 清孔 目的 除去孔底钻渣 泥浆 保证质量 方法 1 换浆清孔2 掏渣清孔3 抽浆清孔7 下钢筋笼 8 灌注水下混凝土 采用直升导管法 关键 导管不能到底部 浇注前放置隔水栓 及时上提 防止断桩 第一斗混凝土的用量 第一次灌注1 1 5m深 对混凝土要求 1 应有必要的流动性 坍落度18 20cm 2 混凝土搅拌均匀 防止离析 3 一气呵成 防止中断 4 保证导管埋入混凝土一定深度 第九步 桩头处理 钻孔灌注桩常见事故及处理 1 坍孔2 漏浆3 卡钻或掉钻头4 浮笼5 断桩 第四节单桩承载力 一 单桩轴向荷载传递机理和特点 竖向承载力 桩侧摩阻力 桩底处土的支承力1 对于摩擦桩 在竖向荷载作用下 摩阻力先出现 逐步增大 直至达到极限 而后桩底反力开始出现 并达到最大 2 对于柱桩 桩底承载力发挥充分 摩阻力很小 3 粘性土打入桩 摩阻力沿入土深度呈抛物线型分配 力约等于中等强度粘土在不排水时抗剪强度 4 砂性土打入桩 入土深度在 10 20 d内 摩阻力直线增长 入土深度超过 10 20 d 摩阻力近乎均匀或逐渐减少 5 钻孔灌注桩 侧向压力在施工中解除现象 摩阻力分布均匀 6 长期荷载作用下 桩身总摩阻会减小 而桩端总阻力增加 7 相同土层中 长桩发挥的摩阻力大于短桩 二 轴向荷载下桩的破坏模式 1 桩身的纵向挠曲破坏 岩石地基 2 桩端土发生整体剪切破坏 穿过软弱土层 支承在强度较高的硬土层上的摩擦桩 3 刺入式破坏 入土深度大的桩 三 单桩轴向容许承载力的确定 一 静载试验法 二 桥梁规范法 假定 1 桩承载力 侧摩阻力 桩尖支承力2 灌注桩侧摩阻力 桩底力均匀分布 钻孔灌注桩 u 桩身周长 按成孔直径计算 旋转钻 按钻头直径增大30 50cm ap 桩底截面积 h 桩底埋置深度 四 桩的负摩阻力问题 1948年由太沙基首先提出 负摩阻力的产生 桩周土的沉降量大于桩沉降量 产生高度 中性点到地面中性点的位置 通过计算确定 估计值为h1 0 77h2 0 80h2 产生原因 1 可压缩软粘土层 新填土在自重作用下固结 2 大面积地面荷载使桩周土被压密 3 地下水位下降引起 4 桥头高填土及路堤荷载5 湿陷性黄土地基 由于地基浸水而沉 负摩阻力强度 f 1 2 ququ为软弱土层的无侧限抗压强度 或f rhktg 则极限摩阻力 nf f anf其中 anf为负摩阻区桩身表面积 考虑桩的负摩阻力 桩的容许承载力公式要发生变化 后果 1 桩基下沉量增加 2 基础不均匀沉降 措施 桩身涂沥青 油漆 可减少负摩阻力 五 单桩横向容许承载力的确定 一 桩在横向荷载作用下的工作性能 第二节桥梁桩基内力和位移的计算 一 基本概念1 土的弹性抗力 桩在各种荷载的作用下 会发生位移和转角 其中 水平位移及转角会挤压桩侧土体 桩侧土必然对桩产生一横向土抗力 称为土的弹性抗力 式中 横向土抗力 kn m2 c 地基系数 kn m3 xz 深度z处桩的横向位移 m 对c的确定方法 图 1 a m 法b k 法c c值 法d c 法 上述四种方法均假定地基符合文克尔弹性地基 目前 公桥基规 广泛采用 m 法 即c mz 其中 m 地基土比例系数 可查规范中相关表格 2 单桩 单排桩与多排桩1 单桩 单排桩 是指在与水平外力h作用面相垂直的平面上 由单根或多根桩组成的 如图 2中a b 若作用承台底面中心的荷载为n h m 各单根桩顶承受的力 如图 3 n在承台横桥向无偏心 可均摊 即 n在承台横桥向有偏心e 偏心弯矩mx ne 则每根桩竖向力可按偏心受压构件计算 3 计算宽度是指桩在水平外力的作用下 桩侧土受到影响的宽度并不等于桩的直径 而是大于桩径 即为桩在实际工作条件下的计算宽度b1 b1 kf k0 k b 或d 2 多排桩 是指水平外力h作用平面上 即行车方向 由一根以上的桩组成 如图 2中c 各根桩的受力需采用结构力学方法9见后面 b 或d 与外力h作用方向相垂直平面上桩的宽度 或直径 kf 形状换算系数 可查表 k0 受力换算系数 k 桩间相互影响系数 4 刚性桩与弹性桩刚性桩 桩的入土深度 其中 为变形系数 弹性桩 桩的入土深度 二 m 法弹性单排桩内力和位移的计算 一 基本假定 桩侧土为弹性地基土 应力与位移呈正比 忽略桩土间的粘着力和摩阻力 弹性桩 二 计算公式 当桩的支承条件及入土深度符合一定要求 可得地面以下任意深度处的内力和位移 若已知桩顶与地面平齐 地面处水平力q0 弯矩m0 则 1 对于的摩擦桩 的柱承桩 3 1 3 2 3 3 3 4 2 对于的嵌岩桩 3 5 3 6 3 7 3 8 上式中的及为无量纲系数 均为和的函数 规范已将其制成表格供查用 三 最大弯矩位置的确定1 可通过绘制各深度z处的弯矩m曲线图 从图中求得 2 可通过解析法求得最大值 最大弯矩处 剪力为0 可通过qz公式反求z值 四 桩顶位移的计算公式桩位于地面或最大冲刷线以上l0 桩顶自由 作用外力q及m 则桩顶的位移包括 地面处水平位移x0 地面处转角 0所引起的桩顶位移 0l0 桩露出地面段作为悬臂梁由q和m引起的桩顶水平位移xq xm 即 其中 m0 ql0 m q0 q 当桩柱露出地面部分为变截面 如右图4 上部截面抗弯刚度为e1i1 直径为d1 高度为h1 下部截面抗弯刚度为ei 直径为d 高度为h2 设n e1i1 ei 则 五 单桩或单排桩的计算步骤 1 计算各桩顶承受的荷载pi qi mi 2 确定桩在最大冲刷线下的入土深度 一般可根据持力层位置 荷载大小 施工条件等初步确定 通过验算再予以修改 在地基土较单一 桩底端位置不宜根据土质判断时 可根据单桩容许承载力公式计算桩长 单桩容许承载力公式 若设桩埋入最大冲刷线以下深度为h 一般冲刷线以下深度为h3 为一根桩受到的全部垂直荷载 包含最大冲刷线以下桩重的一半 kn 则 3 验算单桩轴向承载力 4 确定桩的计算宽度b1 5 计算桩的变形系数a值 6 计算地面处桩截面的作用力q0 m0 并验算桩在地面或最大冲刷线的横向位移x0不大于6mm 然后求算桩身各截面的内力 进行桩身配筋 桩身截面强度和稳定性验算 7 计算桩顶位移和墩台顶位移 并进行验算 要求 小于或等于cm 对于多层土 首先假定持力层 初步得到桩长h 然后代入上式 验算桩的承载力是否大于荷载 然后 再进行调整 使得桩长的设计即经济又合理 算例 单排桩基础算例 双柱式桥墩钻孔灌注桩基础 一 设计资料1 地质与水文资料地基土为密实细砂夹砾石 地基土比例系数m 1000okn m4 地基土的极限摩阻力 70kpa 地基土内摩擦角 400 内聚力c 0 地基土容许承载力 400kpa 土容重 11 80kn m3 已考虑浮力 地面标高为335 34m 常水位标高为339 00m 最大冲刷线标高为330 60m 一般冲刷线标高也为335 34m 2 桩 墩尺寸与材料墩帽顶标高为346 88m 桩顶标高为339 00m 墩柱顶标高为345 31m 墩柱直径1 50m 桩直径1 65m 成孔直径1 80m 桩身混凝土用20号 其受压弹性模量eh 2 6 104mpa 3 荷载情况桥墩为单排双柱式 桥面宽7m 设计荷载汽车一15级 挂一80每一根桩承受荷载为 两跨恒载反力nl 1376 00kn盖梁自重反力n2 256 50kn系梁自重反力n3 76 40kn一根墩柱 直径1 5m 自重n4 279 00kn 桩每延米的自重 已扣除浮力 两跨活载反力 一跨活载反力 m 120 90kn 桩基础选用冲抓钻孔灌注桩基础 为摩擦桩 二 桩长计算由于地基土单一 用经验公式确定 设桩埋入最大冲刷线以下深度为h 一般冲刷线以下深度为h3 则 nh为一根桩受到的全部竖直荷载 kn 最大冲刷线以下 入土深度 桩重的一半作为外荷载计 公式右端项代入公式得h 10 09m 取h 10 50m 四 m 法计算弹性多排桩基桩内力和位移计算 1 计算假定 顺桥向桩多于一排 承台与桩头连接为刚性的 外力作用平面内的桩作为一平面框架 用结构力学方法计算各桩上的作用力 2 计算公式的推导过程 如图 承台变位 取xoz坐标轴 在外荷载v h m作用下 o点变位 水平位移竖向位移转角 1 任一排 i 桩顶变位 xoz坐标系下 xi为第i排桩桩顶至承台中心的距离 2 任一排 i 桩顶变位 沿桩轴向与横轴向的变位 横轴向 轴向 3 荷载与位移的关系用位移法求解超静定结构的内力 根据力和位移的关系 当承台中心点o产生变位时 第i根桩桩顶引起的轴向力pi 横轴向力qi 弯矩mi值为 其中 令 当第i根桩桩顶处仅产生单位轴向位移时 在桩顶引起的轴向力为 当第i根桩桩顶处仅产生单位横轴向位移时 在桩顶引起的横轴向力为当第i根桩桩顶处仅产生单位横轴向位移时 在桩顶引起的弯矩为 或当第i根桩桩顶处产生单位转角时 在桩顶引起的横轴向力为 当第i根桩桩顶处仅产生单位转角时 在桩顶引起的弯矩为xi为第i排桩桩顶至承台中心的水平距离 ai为第i根桩桩轴线与竖直线夹角即倾斜角 3 群桩作用 对于摩擦桩组成的群桩基础 当桩的中心距 6d时 在竖向荷载作用下 由于桩侧摩阻力的扩散作用 使桩底处的压力分布范围要比桩身截面积大得多 使群桩中各桩传到桩底处的应力有可能叠加 使群桩桩底处地基土受到的压力及沉降比单桩大 承载力方面 使得群桩基础的承载力要小于各单桩承载力之和 此现象对于柱桩或桩距大于6d的摩擦桩不存在 六 桩基础的总体设计 1 承台底面标高的确定 根据受力 桩的刚度和地形 地质 水流 施工等条件确定 高承台桩 一般用于常年有水 冲刷较深或水位较高 施工排水困难的水流中 施工方便 但稳定性较差 低承台 稳定性较好 但施工太困难 可用于季节性河流 冲刷小的河流或岸滩上墩台及旱地上其他结构物基础 2 摩擦桩和柱桩的考虑 二者不可用于同一基础中 也不能采用不同材料 不同直径和长度相差过大的桩 当基岩埋深较浅时 宜采用柱桩 或嵌入基岩一定深度成为嵌岩桩 嵌入深度 圆形截面桩 最小不小于0 5米 3 单排桩和多排桩的考虑 单排桩 能较好地配合柱式墩台结构 可节省圬工 减小作用在桩基的竖向荷载 适于桥跨不大 桥高较矮时 有时单桩配单柱 多排桩 稳定性好 抗弯刚度较大 能承受大的水平荷载 一般用于较高的桥台 拱桥桥台 制动墩和单向水平推力墩 4 桩长 桩径的拟定桩长的确定首先在于选择强度较好的持力层 避免将桩底落在软土层上或离软弱下卧层太近 摩擦桩经过多层土时 要经过试算比较 合理确定桩长 5 确定桩的根数及平面布置桩的根数n估算 式中 n 作用在承台底面上的竖向荷载 kn p 单桩容许承载力 kn 考虑偏心荷载时各桩受力不均而适当增加的经验系数 可取 1 1 1 2 桩的间距 钻 挖 孔灌注桩的摩擦桩中心距不小于2 5倍成孔直径 柱桩中心距不小于2 0倍的成孔直径 桩的中心距最大不超过5 6倍桩径 打入桩的中心距不应小于桩径的3 0倍 为了避免承台边缘距桩身过近而破裂 边桩外侧至承台边缘的距离 对于桩径小于或等于1 0米的桩不应小于0 5倍桩径 且不小于0 25m 对于桩径大于1 0m的桩不应小于0 3倍桩径并不小于0 5m 桩的平面布置 可根据受力情况选用单排或多排桩桩基 多排桩的排列形式有行列式和梅花式 第四章沉井基础第一节概述一 沉井的基本概念沉井是一座上无顶下无底 四周有壁井筒状的结构物 它的施工过程是在井内挖土 依靠自身重力克服井壁摩阻力下沉至设计标高 然后经过混凝土封底并填塞井孔 成为墩台或其他结构的基础 沉井的特点 埋深可以很大 整体性强 稳定性好 能承受较大的荷载 在施工时 可作为挡土和挡水围堰结构物 除此之外 沉井也常用于矿用结构 地下油库等 沉井与大开挖方法相比 占地面积小 可大量减少土方量 操作简便 节约投资 特别是在建筑物稠密的市区 采用沉井可以避免周围土方 的坍陷 并保证周围建筑物的安全 也无需使用临时支护措施和挡上结构 常用于地下泵房 水池 桥墩 各类地下厂房 大型设备基础 高层或超高层建筑物的基础 以及盾构隧道和顶管施工中的工作室 目前沉井下沉深度已超过100m 沉井基础的缺点是 施工期较长 对细砂及粉砂类土在井内抽水易发生流砂现象 造成沉井倾斜 沉井下沉过程中遇到的大孤石 树干或井底岩层表面倾斜过大 均会给施工带来一定困难 根据经济合理和施工上可能的原则 通常在下列情况 考虑采用沉井基础 上部荷载较大 结构对基础的变位敏感 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 采用沉井基础与其它深基础相比较 经济上较为合理时 在山区河流中 虽然浅层土质较好 但冲刷大 或河中有较大卵石不便桩基础施工时 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 第二节沉井的类型和构造一 沉井的分类 一 沉井按下沉方式可分为 1 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 浮运沉井在深水地区 筑岛有困难或不经济 或有碍通航 或河流流速大 可在岸边制筑沉井拖运到设计位置下沉 这类沉井叫浮运沉井 二 沉井也可按使用的材料进行分类 有混凝土 钢筋混凝土 砖石和木沉井等 1 混凝土沉井 混凝土的特点是抗压强度高 抗拉能力低 因此这种沉井宜做成圆形 并适用于下沉深度不大 4 7m 的软土层中 2 钢筋混凝土沉井这种沉井的抗拉及抗压能力较好 下沉深度可以很大 达数十米以上 当下沉深度不很大时 沉井壁大部用混凝土 下部 刃脚 用钢筋混凝土的沉井 在桥梁工程中得到较广泛的应用 钢筋混凝土沉井可以就地制造下沉 也可以在岸边制成空心薄壁浮运沉井 3 竹筋混凝土沉井沉井在下沉过程中受力较大因而需设置钢筋 一旦完工后 它就不承受多大的拉力 因此 在南方产竹地区 可以采用耐久性差但抗拉力好的竹筋代替钢筋 我国南昌赣江大桥等曾用这种沉井 在沉井分节接头处及刃脚内仍用钢筋 4 钢沉井用钢材制造沉井其强度高 重量轻 易于拼装 宜于做浮运沉井 但用钢量大 国内较少采用 5 砖石沉井 木沉井这两种均是就地取材制作的沉井 现很少采用 沉井依外观形状的分类 在平面上可分为单孔或多孔的圆形 矩形 圆端沉井及网格形 图4 1 等 圆形沉井受力好 适用于河水主流方向易变的河流 矩形沉井制作方便 但四角处的土不易挖除 河流水流也不顺 圆端形沉井兼有两者的优点也在一定程度上兼有两者的缺点 是土木工程中常用的基础类形 沉井平面形式 二 沉井的构造沉井的构造一般由以下各部组成 1 井壁井壁是沉井在下沉过程中承受水 土压力 足够的自重克服井壁摩阻力 由钢筋混凝土浇制而成 有等厚度的直壁式和阶梯式两种 可一次浇成或分段浇筑 接头处可用电灯连接 井壁的厚度较大 一般为o 4 1 2m之间 它由克服摩阻力所需的自重 施工荷载和永久荷载确定 2 刃脚为便于将沉井切入土中 并防止土层中的障碍物在沉井下沉过程中损坏井壁 井壁刃脚底部作成刀刃状 如图所示 刃脚的踏面宽度一般为200一300豪米 内侧的倾角为40一60度 刀脚示意 3 内隔墙为增加沉井下沉时的整体刚度 减少井壁的跨径 改善井壁受力条件 将沉井分隔成多个取土井后挖土和下沉较为均衡而设置 内隔墙的设置给下沉出土带来某些困难 但便于控制下沉速度 封底以及纠偏 内隔墙的底面一船比井壁刃脚高出50 l00cm 隔墙厚度约为50cm 隔墙下部应设80cm 120cm的过人孔 4 封底当沉井下沉至设计标高后 将井底清理整平后进行封底 封底可分为干作业和水中作业浇灌混凝土封底两种 一般是先在刃脚高度部分用素混凝土于以封堵 待达到设计强度后 在其上井壁有凹槽的高度浇筑钢筋混凝土底板 4 3沉井施工 施工准备1 地质勘测在沉并施工地点进行钻孔 了解土的力学指标 地层构造 分层情况 摩阻力 地下水情况及地下障碍物情况等 同时还应查清和排除地面及地面以下米以内的障碍物 包括 地下管道 电缆线 树根及房屋构筑物等 2 制定施工方案根据工程结构持点 地质水文情况 施工设备条件 技术的可能性 选用排水下沉还是不排水下沉 编制切实可行的施工方案 如果采用排水下沉 要考虑排水设备 再根据土质情况确定采用并点降水还是井内集水坑抽水 3 测量控制和沉降观测先按沉井平面设置测量控制网 然后进行抄平放线 并布置水准基点和沉降观测点 对在既有建筑物附近下沉的沉井 应在既有建筑物上设沉降观测点 进行定期的沉降观测 4 平整场地和修建临时设施对施工场地进行平整处理 达到设计标高 按施工图进行平面布置 施工现场设置临时仓库 钢筋车间 简易试验室和办公室 修筑临时排水沟 截水沟以及安装施工设备 水电线路并试水电 二 沉并的制作1支模和架设钢筋 1 刃脚的支设 可根据沉并的重量 施工荷载和地基承载力情况 采用垫架法和半垫架法 也可用砖垫座和土底模 对较大较重的沉井 在较软弱地基上制作时 为防止造成地基下沉刃脚裂缝 常采用垫架法或半垫架法 对直径或边长在8米以内的较轻沉井 当土质较好时可采用砖垫座 对重量较轻的小型沉井 当土质好时可用砂垫层 灰土垫层或在地基中挖槽作成土模 2 井壁可采用钢模或木模板 采用木模板时 外模朝混凝土一面应刨光 内外模均采取竖向分节支设 每节高1 5 2 m 用直径12 16mm对拉螺拴拉槽钢圈固定 为使井壁重量能均匀地传至土层 在刃脚下方设置枕木及木板 其间设置楔木 在浇制时楔紧 浇好后放松楔木 抽出枕木 以备井壁下沉 3 沉井钢筋一般用双层钢筋 做成骨架 用吊车垂直吊装就位 为保证钢筋与模板间有足够的保护层 应用小的预制砂浆片以保证钢筋间的准确位置 2 浇灌混凝土 1 材料要求一般采用防水混凝上 在h b小于或等于10时 用抗渗等级o 6mpa混凝上 在10 h b15用抗渗等级o 8mpa混凝土 在h b 15时 用抗渗等级1 2mpa混凝土 其中h为井壁深入到地下水以下的深度 b为壁厚 水灰比w c 般为o 6 不得超过0 65 每立方米混凝土的水泥用量约为300一350kg 砂率采用历35 45 应按照水泥和砂 土材料试配 进行试块的强度和抗渗试验 井壁混凝土坍落度一般为3 5cm 底板混凝土坍落度为2 3cm 井壁混凝上用插入式振动器捣实 底板混凝土用平板振动器振实 为减少用水量 可掺入如木质素磺酸盐 nno等咸水剂 2 浇灌混凝土时注意事项 混凝土应沿壁周的水平高度均匀浇捣 每次浇高约为30厘米 以免造成地基不均匀下沉或产生倾斜 混凝土应一次连续浇完 如因工作量过大 不能一次浇完 需设水平施工缝 缝间留有凹凸缝并插入短钢筋增加连接 在浇筑新混凝土前须将表面洗刷干净 用水湿润 并铺 层强度等级高一级的砂浆 当第一节混凝土强度等级达到70 时 才可浇灌第二节 前 节下沉应为后一节浇灌混凝土工作预留o 5一1m高度 以便操作 混凝土浇完后要注意保养 经常浇水保证表面潮湿 并盖麻袋或塑料布防止水分蒸发 冬季可用防雨帆布悬挂于模板外侧 使之成密闭气罩 通蒸汽加热养护 二 沉井下沉 1 下沉方法选择沉井下沉有排水下沉和不排水下沉两种方法 沉并下沉中的挖土作业 最好是在干燥的环境中进行 这样操作方便 且对于土层中的漂石 障碍物等也容易排除 下沉中也不易发生偏差 即使发生了也容易纠正 下沉到设计标高时 能直接检验土质等 因此 应尽量采用排水下沉方法 但由于沉井下沉地点水源丰富 存在严重的硫砂地层或周围环境不允许降水时 才采用水下挖土的湿作业不排水下沉方法 1 施工顺序 制作第一节沉井 施工时先在场地上整平地面铺设砂垫层 设置承垫木 再制作第一节沉井 如图1所示 抽垫木 挖土下沉 混凝土达到设计规定的强度后 抽掉刃脚下的垫木 井筒在自重作用下开始下沉 在井壁内挖土或水力吸泥 边挖边排边下沉 如图2所示 沉井接高下沉 当井筒较高时 可分节制作接高下沉 如图3所示 1 2 3 封底 浇筑钢筋混凝土底板 当井筒下沉到设计标高时 在刃脚下嵌入木块 防止过度下沉 随即用素混凝土封底 然后浇筑钢筋混凝土底板 如图4所示 4 第四节沉井作为整体基础的设计及计算沉井的计算一般包括两部分内容 一是将沉井作为实体基础计算 二是沉井施工过程中的结构强度计算 一 沉井作为实体基础的计算沉井作为整体基础的计算 根据它的埋置深度可用两种不同的计算方法 1 沉井埋置深度在最大冲刷线以下小于或等于5m时 可按浅基础设计计算的规定 验算地基的强度 沉井的稳定性和沉降 使其符合各容许值的要求 这种计算因未考虑基础侧面土的横向抗力影响是偏于安全的 2 当沉井埋置深度大于5m时 由于埋深大 所以不可忽略沉井周围土体对沉井的约束作用 因此 验算地基应力 变形及沉井的稳定性 需要考虑基础侧面土体弹性抗力的影响 这种计算方法的基本假定是 1 地基土作为弹性变形介质 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 符合上述假定条件时 沉井基础在横向外力作用下只能发生转动而无挠曲变形 因此可将沉井按刚性桩 刚性构件 计算内力和土抗力 即相当于 m法 中 h 2 5的情况 一 非岩石地基上沉井基础的计算下面讨论沉井基础处于非岩石地基上时 受到水平力h及偏心竖向力n作用后的内力计算 a 为了讨论方便 可以把这些外力转变为中心荷载和水平力的共同作用 其转变后的水平力h作用的高度大小 图5 11b 为 5 1 先讨论沉井在水平力h作用下的情况 由于水平力的作用 沉井将围绕位于地面下z 深度处的a点转动一 角 图5 12 则地面下深度z处沉井基础产生的水平位移 x和对土的水平压应力 zx分别为 x z z tg 5 2 zx x cz cz z z tg 5 3a 式中 z 转动中心a离地面的距离 cz 深度z处水平向的地基系数 cz mz 将cz值代人式 5 3a 得 zx mz z 一z tg 5 3b 从式 5 3b 可见 水平土压应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c 不变 故其压应力图形与基础竖向位移图相似 故 5 4 式中c 参见有关地基系数规范 不得小于10m d为基底宽度或直径 在上述三个公式中 有两个未知数 和 要求解其值 可建立两个平衡方程式 即 x 0h 5 5 m 0 5 6 式中b1为基础计算宽度 按 m法 计算 w为基底的截面摸量 对上二式进行联立解 可得 5 7 5 8 或式中 为深度h处沉井侧面的水平向地基系数与沉井地面的竖向地基系数的比值 当有竖向荷载n及水平力h同时作用时 图5 12 同基底边缘处的压应力为 5 11 式中a 为基础底面积 离地面或最大冲刷线以下z深度处基础截面上的弯炬 图5 12 为 5 12 二 基底嵌人基岩内的计算方法若基底嵌入基岩内 在水平力和竖直偏心荷载作用下 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z h 为一已知值 图5 13 这样 在基底嵌人处便存在一水平阻力p 由于p力对基底中心轴的力臂很小 一般可忽略p对a点的力矩 第五节沉井施工过程中的结构强度计算 一沉井自重下沉验算 g 1 25t 5 28 式中 g 沉井自重 对不排水下沉的沉井应扣除水的浮力 t 井壁总摩阻力 它等于井壁面积乘以单位面积的摩阻力 一 第一节 底节 沉井的竖向挠曲验算 第一节沉井在抽除垫木及挖土下沉过程中 将沉井看作承受自重的梁计算井壁产生的竖向挠曲弯拉应力 当混凝土的拉应力超过材料的允许值时 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 现分别叙述如下 一 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 将沉井看作四点支承的梁 验算因竖向挠曲而引起的混凝土弯拉应力 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 支点间距可采用0 7l l为沉井长度 如图5 14a 圆形沉井的四个支点可布置在两个相互垂直线上的端点处 二 不排水挖土下沉由于井孔中有水 挖土可能不均匀 沉井下沉过程中可能会出现最不利的支承情况 将底节沉井仍看作梁 在下列两种最不利情况下 分别验算混凝土的抗拉强度 对矩形及圆端形沉井 支点在长边的中点上 如图5 14c 验算由于沉井自重在计算支承点附近最小竖截面 通常为井壁与隔墙交接处 顶部混凝土拉应力 支承在短边的两端点 如图 5 14b 对于圆形沉井 两个支点位于一直径上 验算由于沉井自重而在跨中底部的混凝土拉应力 图5 14a 和c 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 14b 使沉井成为一简支梁 跨中弯矩最大 可能沉井下部竖向开裂 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 三 沉井刃脚受力计算 可以把刃脚看成在平面上是一个水平闭合框架 在竖向是一个固定在井壁上的悬臂梁 水平外力的分配系数 如根据悬臂及水平框架两者的变位关系及其他一些假定得到 刃脚悬臂作用的分配系数为 5 29 刃脚框架作用的分配系数为 5 30 式中 l1 支承于隔墙间的井壁最大计算跨度 l2 支承于隔墙间的井壁最小计算跨度 hk 刃脚斜面部分的高度 水平外力按上面两个分配系数分配 只适用于内隔墙底面高出刃脚底面不超过0 5m 或大于0 5m而有垂直埂肋的情况 否则 全部水平力应由悬臂作用承担 即 1 0 刃脚不再起水平框架作用 但仍应按构造要求布置水平钢筋 使能承受一定的正 负弯矩 一 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 由内力分析有下述两种情况 1 刃脚向外挠曲的内力计算 即配置刃脚内侧竖向钢筋 刃脚切人士中一定深度 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 最不利状态 沉井下沉施工过程中 刃脚内侧切人士中深度约1 0m 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较符合需要条件 为最不利情况 以此来计算刃脚的向外挠曲弯矩 刃脚高度范围内的外力有 刃脚外侧的主动土压力及水压力pe w 沉井自重g 土对刃脚外侧的摩阻力t 以及刃脚下土的抵抗力r 其计算图示如图5 15 各外力的计算式如下 1 作用在刃脚外侧单位宽度上的土压力及水压力土压力 地面下深度hi刃脚承受的土压力ei可按朗金主动土压力公式计算 即 5 31 式中 i 土在hi范围内的平均容重 在水位以下时应考虑浮力 hi 计算位置至地面的距离 水压力 i whwi 5 32 式中 w 水容重hwi 计算位置至水面的距离 水压力是应根据施工情况和土质条件计算的 可参考刃脚向内挠曲验算时有关说明 为了避免计算所得土 水压力值偏大而使验算方法偏于不安全 一般设计规范均规定了由式 5 32 算得的刃脚外侧土 水压力值不得大于静水压力的70 否则按静水压力的70 计算 土压力和水压力的合力为 pe w pe2 w2 pe3 w3 hk 式中 pe2 w2 作用在刃脚根部处的土压力及水压力强度之和 pe3 w3 刃脚底面处的上压力及水压力强度之和 hk 刃脚高度 2 作用在刃脚外侧单位宽度上的摩阻力t1 可按下列二式计算 并取其较小者t1 hk 5 34 或t1 0 5e 5 35 式中 hk 士与井壁间单位面积上的摩阻力 由表5 2查用 hk 刃脚高度 e 刃脚外侧总的主动土压力 即e hk e3 e2 2 5 36 3 刃脚下抵抗力的计算 刃脚下竖向反力r 取单位宽度 可按下式计算r q t 5 37 式中 q为沿井壁周长单位宽度上沉井的自重 在水下部分应考虑水的浮力 t 为沉井人土部分单位宽度上的摩阻力 为求r的作用点 可将r分为v1及v2两部分 然后根据图5 15求得 图中刃脚踏面宽度为 踏面下的反力假定为均匀分布 其合力用民表示 假定刃脚斜面与水平面成a0角 斜面与土间的外摩擦角为 0 一般定为30 故作用在斜面上土反力的合力与斜面的垂直方向成角 0 斜面上反力成三角形分布 在地面处为o 将合力分解成竖直力v2及水平力h时 它们的应力图形也是呈三角形分布 因此 r v1 v2 5 38 v1 r 5 39 v2 r v1 5 40 r的作用点距井壁外侧的距离为 5 41 式中 b为刃脚内侧人士斜面在水平面上的投影长度 刃脚斜面上土的水平反力u v2tg a0 0 作用点离刃脚底面1 3m 4 刃脚 单位宽度 自重g为 5 42 式中 井壁厚度 rh 钢筋混凝土刃脚的容重 不排水施工时应扣除浮力 刃脚自重g的作用点至刃脚根部中心轴的距离为 5 43 求出以上各力的数值 方向及作用点后 再算出各力对刃脚根部中心轴的弯矩总和值 对o点 m 竖向力n及剪力q 其算式为m mr mh me w m