基础工程-赵明华-第五章ppt课件

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 8 1 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 22 12 5m 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100 200mm 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5 6m 厚度一般为0 5 1 0m一般要求隔墙底高出刃脚底面0 5 1 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 5 2 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 3 4m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 3 4m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 fa A 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 h 2 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 F G 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 z0 z tan 5 3 1沉井作为整体深基础的计算 其中 Cz mzC0 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 z0 z 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10m0 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 FV e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 z0 h2 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 z0K1 h2K2 0K1 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 Pp Pa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L 25m 取L 25m 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 fah 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tmax G 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 6 1 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 2m 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6 8m 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 在挖除单元槽段土体后 在一端先吊放接头管 再吊入钢筋笼 浇筑砼后逐渐拔出接头管 形成半圆形接头 图5 24槽段的连接 槽段砼浇注吊放钢筋笼前须检测槽段 槽底淤泥厚应 150 250mm 制作 吊放钢筋笼 钢筋绑扎一般可先用铅丝临时固定 再点焊焊条 拆除铅丝 浇灌水下砼 一般控制水灰比在0 6以内 d 25mm 塌落度180 200mm 尽量使用外掺剂 如木质素 以减少水灰比 增大流动度 减少离析现象 防止导管堵塞 需解决的问题考虑施工方法特点 决定结构的布置和构造 如平面结构形式 立面支锚方式 埋设件的方法 墙段接头和墙面接头形式等 根据应用目的决定应用功能的计算 如基坑挖土防渗结构 根据受力情况决定结构尺寸和进行内力计算 作为基础应用的墙 应进行容许承载力计算 对防渗帷幕墙进行渗透性计算等 地下连