沉井基础PPT演示课件

4沉井基础的设计与计算,沉井的设计计算内容使用期作为基础的设计计算施工期沉井的结构计算沉井基础的尺寸拟定根据墩台尺寸拟定沉井的平面尺寸类似于刚性扩大基础的平面尺寸拟定方法。襟边沉井全高的1/50，且200mm；浮式沉井另加200mm；沉井顶部设置围堰，襟边宽度满足安装墩台身模板要求。,1,根据地基容许承载力确定沉井平面尺寸（根据地基容许承载力确定基底平面尺寸）。墩台身尽可能支承在井壁或顶盖板的支承面上；矩形沉井的长宽比3。沉井高度沉井顶面标高确定与扩大基础顶面标高确定要求相同；沉井底面标高按地基持力层确定。细部尺寸沉井细部尺寸按构造要求初拟尺寸，并经验算调整。,2,沉井作为整体深基础的设计与计算计算方法刚性扩大基础计算方法适用条件基础埋深较浅，一般埋深小于地面线或最大冲刷线以下5.0m。计算假定不考虑基础侧面土的横向抗力的影响。验算内容验算地基承载力；沉井基础的稳定性与沉降。,3,刚性深基础计算方法适用条件基础埋深较大，一般埋深大于地面线或最大冲刷线以下5.0m，h2.5（？）。计算假定土的水平向弹性抗力按“m”法考虑（水平向地基系数随深度成比例增大）；不考虑基础侧面的粘着力和摩阻力（只考虑基础侧面土的水平抗力）；基础刚度无穷大，基础本身无挠曲变形，只有转动。,4,计算内容水平力作用位置计算水平力作用下地基应力的计算应力验算墩台顶水平位移计算,5,非岩石地基上刚性深基础的计算计算基本原理叠加原理、等效作用原理。将比较复杂的受力状态转化为两种比较简单的受力状态的叠加作用；水平力和弯矩的作用等效为一个水平力的作用（为等效弯矩作用，改变水平力作用位置）；简化后作用在沉井上的荷载为：中心作用荷载N；等效水平荷载H。,6,7,等效水平力作用位置计算等效水平力距基底的作用高度：Mi地面线或局部冲刷线以上所有水平力、弯矩、偏心竖向力对基础底面形心的总弯矩。（仅有竖向力与水平力时：；仅有中心竖向力时：）等效水平力作用下地基应力的计算在水平力H的作用下，沉井绕位于地面（或局部冲刷线）以下深度Z0处的A点转动角度，地面下任意深度Z处基础产生的水平位移x、土的水平抗力ZX、基础底面竖向土抗力D/2分别用下式表示：,8,（二次抛物线分布）（水平面上的竖向地基系数C0不变，C0不得小于10m0）以上计算式中有2个未知量，即：Z0、,9,建立静力平衡方程，解出未知量Z0、：b1基础计算宽度（可以参照第4章“m”法计算确定）；W基础底面截面模量。联立求解后得到：,对O点取力矩,10,上式中，深度h处沉井侧面土的水平向地基系数Ch与沉井底面土的竖向地基系数的比值：将求出的参数Z0、相应表达式中，可求得地基应力计算式：,11,应力验算基底应力验算基底应力验算条件：h沉井底面处土的容许压应力（按浅基础P.32式（2-10）确定；考虑水平力H与竖向力N共同作用时的压应力计算：,12,基础侧面水平压应力验算机理及计算假定因刚性基础的破坏就是周围土体的破坏，假定达到破坏时基础侧面土体达到极限平衡状态，基础一侧处于主动土压力，另一侧处于被动土压力，则任意深度处基础对土产生的水平压力（或称土对基础作用的水平土抗力），应小于相应深度处地基土对基础产生的净土压力ZX（被动土压力pp和主动土压力pa之差即是基础侧面水平抗力极限值）。基础侧面水平压应力验算,13,ZX任意深度Z处基础对土产生的水平压力，可按p.168式（5-9）计算；pp-pa基础侧面地基土的水平抗力极限值。考虑上部结构类型不同及荷载作用情况不同的影响，引入系数1、2：1：考虑上部结构形式的系数，静定结构1=1.0，超静定结构1=0.7；2：考虑结构重力在总荷载中所占百分比的系数：,14,Mg：结构重力对基础底面重心产生的弯矩；M：全部荷载对基础底面重心产生的总弯矩。根据朗肯土压力理论，主动及被动土压力：代入前式，可以得到基础侧面水平压应力验算的一般式：事实上，上式两侧都是与深度有关的变量。,15,根据测试，最大水平应力位置大致在Z=h/3和Z=h处，则可以根据P.168式（5-9）计算出该深度处的基础对土产生的水平压力，同时利用上式确定该深度处的基础侧面水平抗力极限值，则可以对该深度处的基础侧面水平压应力进行验算：,16,基础截面弯矩计算因需要验算沉井截面强度并配筋，要算出地面或最大冲刷线以下深度Z处截面上的弯矩：,17,墩台顶水平位移计算与校核墩台顶的水平位移：h0地面至墩台顶的高度；0在h0范围墩台身弹性挠曲变形引起在墩台顶的水平位移。一般转角很小，用代替tan影响不大。同时，基础实际刚度并非无穷大，考虑基础实际刚度对地面处水平位移及对地面处转角的影响，用系数K1、K2表示（见p.170表5-1）：L相邻跨中最小跨的跨度，L25m时，按25m计算。,18,基底嵌入岩基内的刚性深基础的计算计算要点基底嵌入岩基，基底无水平位移，基础转动中心与基底中心重合：Z0=h；基础转动时，基底嵌入岩基处基底岩基对基础作用有水平力P，由于力臂很小（嵌入深度不大），其对基础底面的弯矩可忽略，但要验算在P作用下嵌固处基础的抗剪强度。水平力H作用下的地基应力计算,19,因只有一个未知量，只要建立一个静力平衡方程：解得：其中，由此可得：,20,应力验算基底应力验算基底边缘处的应力：基础侧面水平压应力验算出现最大水平压应力的位置在h/2处，根据前述同样概念，基础侧面水平压应力验算式：,21,基础截面弯矩计算地面以下Z深度处基础截面上的弯矩：嵌固处水平主力P的计算根据静力平衡条件X=0的条件，可求得基底嵌固处水平阻力P：墩台顶面水平位移,22,沉井施工过程中的结构强度计算沉井在施工过程，会受到不同荷载并处于不同的工作状态，沉井的结构强度应满足不同施工阶段的最不利荷载下的受力要求。沉井自重下沉验算校核方法一般情况下，为使沉井顺利下沉，沉井自重下沉的重量土对井壁的摩阻力：QTQ沉井自重（kN），如不排水下沉，扣除水的浮力；T土对井壁的总摩阻力，T=fihiui，土对井壁产生的单位面积摩阻力，如无实测资料，可按下表确定。,23,井壁与土体间的摩阻力标准值,24,助沉措施增大壁厚或调整取土井尺寸；改用排水下沉；增加附加荷载；射水助沉；泥浆润滑或壁后压气等。,25,底节沉井的竖向挠曲验算底节沉井在抽出垫木下沉过程中，可按承受自重作用的梁计算井壁内产生的竖向挠曲应力并进行强度校核。抽出垫木设置支承点时，可按底节沉井受力最有利的位置设置，使底节沉井在支承点处产生的负弯矩与跨中产生的正弯矩基本相等。沉井下沉过程中支承点的设置与排水与不排水条件有关。,26,27,排水下沉排水下沉挖土可人为控制，沉井支承点始终可以控制在最有利的位置，布置原则如下：沉井长宽比1.5，支承点设在长边，支承点间距0.7L，验算井壁顶部与下部弯曲抗拉强度；圆形沉井支承在相互垂直直径的4个支点上。不排水下沉水下挖土无法控制，可按最不利布置确定支承点并进行验算：产生最大正弯矩支承在矩形的短边角点（按简支梁计算跨中内力及抗裂）；,28,产生最大负弯矩支承在矩形的长边中点（按悬臂梁计算支点内力及抗裂）；产生最大负弯矩圆形沉井支承在直径上两个支点上（按圆环梁计算内力及抗裂）。,29,沉井刃脚受力计算沉井刃脚在沉井下沉过程中，有时切入土中，有时悬空，是沉井受力最大、最复杂的部分。简化方法将刃脚承担的荷载分解为分别由竖直的悬臂梁承担和由刃脚构成的水平框架承担两个部分。计算时，首先进行水平力的分配，再分别按悬臂梁及水平框架模式进行内力及配筋计算。,30,刃脚计算中的水平力分配作用在刃脚外侧水平力，由刃脚的悬臂作用和水平框架作用共同承担，外侧水平力要进行分配。竖直方向刃脚竖直方向视为悬臂梁，悬臂长度等于刃脚斜面部分高度。当隔墙的底面距刃脚底面为500mm，或大于500mm而有垂直埂肋时，作用于悬臂部分的水平荷载应乘以悬臂作用折减系数（刃脚悬臂作用的分配系数）：,31,L1支承在隔墙间的井壁最大计算跨度；hk刃脚斜面部分高度。水平方向刃脚在水平方向视为闭合框架，当满足上述同样要求，隔墙参与闭合框架作用，作用于闭合框架部分的水平荷载应乘以框架作用折减系数（闭合框架作用的分配系数）：L2支承在隔墙间的井壁最小计算跨度。,32,分配条件当隔墙底面与刃脚底面的距离不满足上述要求时，则不考虑分配，全部外侧水平力由固定于井壁下部的悬臂梁承担，即=1.0。刃脚不再起水平框架作用，但仍按构造要求布置水平配筋，使其能承受一定的正、负弯矩。经过分配后，可以将刃脚受力情况按竖向、横向两个方向进行计算。,33,刃脚竖向内力计算一般取单宽悬臂梁进行受力分析，悬臂固定于井壁下部，梁的跨度即是刃脚高度。刃脚向外挠曲计算最不利状态沉井下沉、刃脚内侧切入土中约1.0m，在地面已接高一节沉井，刃脚受井孔内土体的侧向土压力作用，在根部产生向外的最大弯矩。,34,35,刃脚所受各力刃脚外侧的主动土压力及水压力；土对刃脚外侧摩阻力；刃脚下土的抵抗力；刃脚自重。各力的计算刃脚外侧单位宽度上的土压力及水压力计算土压力：水压力：刃脚外侧土压力及水压力的合力：,36,作用位置：,为不使计算的土压力与水压力过大（偏于不安全），公桥基规规定：作用于井壁外侧的计算土压力与水压力的合力不大于静水压力的70%，否则按静水压力的70%计算。,刃脚外侧单位宽度上的摩阻力计算按以下2式计算，按最不利原则取其较大者：（？）hk刃脚斜面部分高度；土与井壁间单位面积上的摩阻力；E刃脚外侧单位宽度总主动土压力，,37,刃脚下土的抵抗力计算刃脚下单位宽度承受的竖向反力：q单位宽度井壁自重，不排水施工时扣除浮力；T沉井入土部分单位宽度上的总摩阻力，可以下2式计算并取较小者：（？）E沉井入土部分单位宽度上总主动土压力。,38,为计算确定刃脚底反力作用在斜面上的水平分力H及作用位置，令：R=v1+v2（R为已知）v1作用在刃脚踏面上的竖向反力，按均匀分布考虑，v2作用在刃脚斜面上的竖向分力（水平分力H），按三角形分布考虑，b2刃脚切入土中1.0m时刃脚斜面的水平投影长度，根据上述关系：,39,联立上述2式，可以求得v1、v2的计算表达式：根据竖向分力v2与水平分力H的关系：2土与刃脚斜面间的外摩擦角，通常可以取：（土的内摩擦角）水平分力同样按三角形分布考虑，H的作用点位于地面与刃脚底面间离刃脚底面1/3处。,40,刃脚自重计算根据几何关系：刃脚自重g的作用点距刃脚根部中心轴的距离：刃脚根部中心轴处的内力计算,41,注意点：作用在刃脚部分的各水平力均应按分配系数进行折减；注意各力的正负方向，并在相应的计算公式里体现；对刃脚根部进行相应的强度验算与配筋计算；一般刃脚的钢筋配筋率0.1%；悬臂部分刃脚的竖直钢筋应伸入根部以上0.5L1（L1：支承于隔墙间的井壁最大计算跨度）。,42,刃脚向内挠曲计算最不利状态沉井下沉至设计标高，刃脚踏面下的土已挖空而尚未浇筑封底混凝土，此时刃脚外侧作用最大土压力和水压力，产生向内弯曲的最大弯矩。作用荷载刃脚外侧主动土压力、水压力；土对刃脚外侧的摩阻力；刃脚自重。,43,荷载计算刃脚外侧单位宽度井壁上的主动土压力及水压力、刃脚自重的计算方法与前面相同；水压力计算：不排水下沉井壁外侧水压力值按100%计算，内侧水压力值按50%计算，或按施工中可能出现的水位差计算。排水下沉在不透水土中，按静水压力的70%计算；在透水性土中，按静水压力的100%计算。计算所得的水平力均按分配系数进行折减；作用在刃脚外侧单位宽度的摩阻力，仍按以下2式计算，但取其较小者：,44,刃脚根部中心轴处的内力计算按上述相同方法求出刃脚根部的内力，并进行强度验算与配筋计算，同样需要满足刃脚的最小配筋率0.1%，悬臂部分刃脚的竖直钢筋应伸入根部以上0.5L1的条件。,45,刃脚水平内力计算最不利状态沉井下沉至设计标高，刃脚踏面下的土已挖空，尚未浇筑封底混凝土。工作状态封闭的水平框架，承受最大的水平均布荷载。荷载分配在将刃脚作为单位宽度的悬臂梁计算时，已考虑了水平力悬臂折减系数，则作用于水平框架上的水平力应乘以折减系数，以此作为水平框架上的外力，求出框架的弯矩及轴向内力，并计算框架的水平钢筋用量。,46,47,内力计算关于框架的内力计算，可以利用各种计算手册进行计算，p.175P.177列出了单孔矩形框架、单孔圆端形框架、双孔矩形框架、双孔圆端形框架、圆形沉井的内力计算公式。计算出内力M、N、Q后，可根据内力计算刃脚的水平钢筋。当框架跨度很小，水平钢筋可不必按正负弯矩进行弯起，而按正负弯矩的需要布置成内外两圈钢筋。,48,井壁受力计算竖向验算；水平向验算。井壁竖向拉力验算沉井下沉过程中，刃脚下已挖空，而上层土摩阻力较大，沉井处于悬吊状态，在下部沉井自重作用下井壁处于受拉状态。此时，需要验算的内容包括：井壁的竖向拉力，并据此配置井壁受拉钢筋；沉井分节之间的锚固钢筋。,49,上层土比较坚硬，摩阻力较大。沉井最大拉力Smax发生在硬土层与软土层的界面处：Qmax硬土与软土交界面处以下部分沉井的最大重力；T土层界面处以下井壁与土之间的摩阻力。,根据地质条件可以明确判断软硬土层的位置,50,沉井周围土质比较均匀不能明确判断产生最大摩阻力的土层位置，可近似假定井壁上的摩阻力沿井壁为倒三角形分布。地面处摩阻力最大，刃脚底面处为0。按图示计算模式：距刃脚底面x处井壁的拉力：由，得到：代入前式可求得：,51,强度验算与配筋计算根据求得的Smax可以验算井壁是否需要设竖向受拉钢筋；对于不排水下沉，由于浮力的存在，井壁受到的竖向拉力很小，可不进行此项验算；沉井分节处拉力全由钢筋承担，钢筋抗拉安全系数1.25，同时验算钢筋的锚固长度。,52,井壁水平内力计算最不利状态沉井沉至设计标高，刃脚下土已挖空尚未封底。计算图式与刃脚水平方向内力计算相同，按平面封闭框架计算内力，但井壁上的土压力与水压力计算，不考虑折减系数。计算荷载土压力；水压力；刃脚作为悬臂作用（向内挠曲），通过刃脚固端传来的水平剪力。,53,计算方法选取刃脚根部以上、厚度为的水平框架，计算在周围均布荷载作用下框架内力与配筋。,注意点：分节浇筑，且各节井壁厚度不同，在各变截面处（井壁厚度变化最下端处）取单位高度1.0m的水平框架计算，控制该厚度井壁受力，各水平力不乘以折减系数（分配系数）；,54,采用泥浆润滑套下沉的沉井，泥浆压力要大于土压力和水压力，井壁压力按泥浆压力计算（泥浆容重乘以泥浆高度）；采用空气幕下沉的沉井，井壁压力与普通沉井的计算相同。,55,内隔墙的计算主要验算底节沉井的内隔墙，依据内隔墙与井壁的相对刚度确定内隔墙与井壁的连接。最不利状态隔墙下土已挖空。作用荷载隔墙自重；浇筑第2节沉井时内隔墙混凝土的重力作用；刃脚悬臂作用（向外挠曲）对隔墙产生的附加弯矩（排水下沉的沉井一般隔墙开有过人孔，减弱了隔墙的截面的抗弯能力），引起隔墙下缘拉力而使隔墙下缘开裂。,56,计算模式两端铰支梁计算模式隔墙厚度t2井壁厚度t1，两者刚度（t23/l2t13/l1）相差很大，将隔墙视为两端铰支于井壁上的梁；两端固接梁计算模式隔墙厚度t2与井壁厚度t1比较接近，两者刚度相差不大，将隔墙视为两端固接于井壁上的梁。,57,混凝土封底及顶盖的计算封底混凝土计算计算原则根据基底反力条件验算封底混凝土的厚度。作用荷载施工阶段沉井自重作用产生的基底反力、浮托力（不排水施工时可以不考虑）；使用阶段井孔内不填塞时，按使用阶段基础承受的最大设计反力验算封底层厚度（有其他填塞物，如水、砂石时，可计入其对封底混凝土的压重作用）。,58,计算图式支承在凹槽或隔墙底面刃脚斜面上的周边支承双向板，承受均布荷载作用；沿井孔刃脚斜面高度截面上的抗剪强度。验算方法按双向板（矩形或圆端形）或圆板（圆形）进行厚度验算周边支承双向板承受均布荷载时的最大弯矩按下表计算，底板与井壁的连接一般按简支考虑，当底板与井壁有可靠连接时（如预埋连接钢筋）也可按弹性固定考虑：,最终，封底混凝土底板的厚度应按上述两种方法计算并取其控制情况确定底板厚度。,59,60,上表中弯矩系数是按泊桑比=0的理想材料计算得到，而实际混凝土和钢筋混凝土的泊桑比=1/6，则实际的弯矩计算式：周边支承的圆形板在均布荷载作用下，板中心点的弯矩：d圆板计算直径（取刃脚斜面一半计）。,61,求出弯矩后，封底混凝土厚度的验算：si荷载安全系数，si=1.1；m材料安全系数，m=2.31；b计算宽度，b=1.0m；Rwj混凝土弯曲抗拉极限强度。为简化计算，也可采用板桩封底验算公式（2-29）进行初步估算。,62,沿井孔刃脚斜面高度截面上的抗剪强度考虑在井孔范围内封底混凝土沿刃脚斜面高度截面上的剪力验算，如剪应力不满足底板的抗剪强度，应增大底板厚度。,63,沉井顶盖板计算计算图式支承在井壁与隔墙上的双向板或圆板。计算情况墩身底面较大，部分支承在井壁上，顶盖板只承受浇注墩身混凝土的均布荷载来计算板的内力，但不需要进行盖板的剪力验算。对于墩身则应验算承受全部最不利荷载作用下支承墩身的井壁和隔墙的抗压强度。墩身全部位于井孔范围以内，除按上面的情况计算外，尚应按最不利荷载作用验算墩身边缘处的抗剪强度。,64,65,浮运沉井的计算要点簿壁浮运沉井作为浮体，在浮运过程中的稳定性，是沉井安全施工的必要条件。浮运沉井稳定性验算浮运沉井在浮运阶段及就位接高下沉阶段，属于悬浮于水中的浮体，要验算其水中的稳定定性，它主要与沉井的重心、浮心、定倾半径等因素有关。稳定条件：定倾半径，即定倾中心至浮心的距离；Y沉井重心至浮心的高差，重心在浮心之上取正，重心在浮心之下取负（浮心是浮运沉井吃水部分体积重心）。,66,定倾中心与定倾半径的概念当浮体处于水平状态时，浮心位于沉井对称轴上。,