基础工程 第4章 沉井基础

1第四章沉井基础2内容提要4．1概述

4．2沉井基础的类型与构造

4．3沉井基础的施工

4．4沉井基础的设计与计算

一、沉井基础的定义

二、沉井基础的特点

三、沉井工法进展及适用范围

4.1概述3一、沉井基础的定义沉井是井筒状的结构物，是以井内挖土，依靠自身重力下沉，然后混凝土封底，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。（a）沉井下沉（b）沉井基础4江阴长江公路大桥沉井基础（1994～1999年）我国首座跨径超千米（1385m）的特大型钢箱梁悬索桥梁，也是20世纪“中国第一、世界第四”大钢箱梁悬索桥。5北岸南岸大桥的南北两个锚锭要一起“拉住”大桥主缆，主缆拉力为6.4万吨，而北锚锭处在冲积平原上，采用了当时国内平面尺寸最大的沉井基础，沉井平面尺寸为69米长、51米宽，面积足有10个篮球场大，埋深58m。江阴长江公路大桥沉井基础（1994～1999年）6南京长江大桥沉井基础（1960～1968年）第一座由新中国自主设计建造的双层双线公铁两用桥，曾以“最长的公铁两用桥”载入《吉尼斯世界纪录大全》。

9个桥墩基础分别采用重型混凝土沉井、钢沉井加管柱、浮式钢筋混凝土沉井、钢板桩围堰管柱等基础。沉井下沉深度达54.87米。7主跨1991米，为目前世界上跨度最大的悬索桥，最大施工水深60m，两主塔分别采用直径80m*高70m和78m*67m的浮式钢壳沉井，壁厚12m，分为16个舱，是目前规模最大的桥梁沉井基础。日本明石海峡大桥（1988～1998）8二、沉井基础的特点优点：①埋置深度大，整体性强、稳定性好，能承受较大荷载②下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁，简化了施工③沉井施工时对邻近建筑物影响较小缺点：①施工期较长②施工技术要求高，施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等9三、沉井基础的适用条件(1)上部荷载较大，扩大基础开挖工作量大支撑困难，采用沉井基础经济上较为合理；(2)河水较深，采用扩大基础施工围堰制作有困难；(3)山区河流，冲刷大/有较大卵石不便桩基础施工。104.2沉井基础的类型和构造一、沉井基础的类型二、一般沉井的构造三、浮运沉井的构造11按施工方法分类一般沉井：直接在基础设计的位置上制造，然后挖土下沉的沉井。当基础位于水中而水深不大时，也可先人工筑岛，再在岛上修筑沉井并下沉到位。一、沉井基础的类型浮运沉井：先在岸边制造，再浮运就位下沉的沉井。通常在深水地区（如水深大于10m），或水流流速大，或有通航要求，人工筑岛困难或不经济时，可采用浮运沉井。12按形状分类①按平面形状分矩形圆端形圆形②按立面形状分

柱形：构造简单，挖土较均匀，井壁接长较简单，模板可重复使用阶梯形：除底节外，其他各节井壁与土的摩擦力较小，但施工较复杂，消耗模板多13①混凝土沉井②钢筋混凝土沉井③钢壳沉井按建筑材料的分类14二、

一般沉井的构造井壁刃脚隔墙井孔凹槽射水管组封底顶板15（1）井壁：足够的强度、足够的重量；井壁厚度一般为0.8~1.5m。（2）刃脚：减少下沉阻力，宽0.1～0.2m，高约1.5m，内侧倾角45度～60度刃脚构造示意16（3）隔墙：增加沉井刚度，多个施工井孔(取土井)，挖土均衡；隔墙的间距一般不大于5~6m，厚度一般为0.5~1.0m（4）井孔：挖土运土通道。最小边长不宜小于3m，对称布置，以便对称挖土，保证沉井能均匀下沉。（5）凹槽：底板与井壁有更好联结，底距刃脚踏面2.5m，槽高约1.0m，凹入深度150~300mm1－井壁；2－刃脚；3－隔墙；4－井孔；5－凹槽；6－射水管组；7－封底混凝土；8－顶板17（6）射水管：压入高压水把井壁四周的土冲松,以减少摩擦力和端部阻力。（7）封底：防止地下水渗入井内,浇注的混凝土底板.（8）顶板：钢筋混凝土，顶盖达设计强度后方可砌筑墩、台及其它结构1－井壁；2－刃脚；3－隔墙；4－井孔；5－凹槽；6－射水管组；7－封底混凝土；8－顶板18三、浮运沉井的构造带钢气筒的浮运沉井19双壁钢壳底节浮式沉井，是近年来桥梁工程中广泛应用的沉井基础，特别是在深水流急的河段。它可在工厂分段制做，现场拼装成型，下水浮运到位下沉。204.3沉井的施工一、一般沉井的施工过程二、沉井施工的技术特点三、沉井下沉常见问题及处理方法21（a）制作第一节沉井；（b）抽垫挖土下沉；（c）沉井接高下沉；（d）封底一、一般沉井的施工过程22大型沉井下沉施工中的照片231．清整场地

2．制作第一节沉井：在刃脚处对称地铺满垫木，然后立内模，绑扎钢筋，再立外模并浇筑第一节沉井3．拆模及抽垫4．挖土下沉5．接高沉井：当第一节沉井下沉至一定深度（井顶露出地面不小于0.5m，或露出水面不小于1.5m）时应停止挖土并接筑下节沉井。

垫木布置实例一般沉井施工具体步骤246．设置井顶防水围堰：若沉井顶面低于地面或水面，应在井顶接筑临时性防水围堰，围堰的平面尺寸略小于沉井的外围尺寸，其下端与井顶上的预埋件相连。7．基底检验和处理8．沉井封底

9．井孔填充和顶板浇筑一般沉井施工具体步骤25二、沉井施工技术特点及注意问题设计必须考虑施工，成了更加突出的原则；施工过程的复杂性，决定了施工手段的多样性；施工外部条件的不确定性，使施工过程的监测和控制及应变对策成为成功实施的关键。261．井筒倾斜和偏移2．刃脚下遇障碍物3．井壁上的摩擦力过大三、下沉时常见问题及处理方法高压射水：利用高压水流的冲击力冲松井筒四周的土层，射水管路可以预埋在井壁内，也可在下沉时插入井壁与土之间。泥浆套法：下沉时通过预埋的管路把特制的泥浆泵入井壁与土层之间，在井筒四周形成泥浆套，使土层对井壁的磨擦变成泥浆对井壁的摩擦，从而减小井壁上的摩擦力。空气幕法：下沉时向管路系统输送压缩空气，高压气流从气龛底的小孔喷出并沿井壁外表上升，在井筒周围形成空气幕，同时借助于气流的冲击力使井筒周围的土体松动或液化以达到减小摩擦力的目的。274.4沉井基础的设计与计算设计资料上部结构、墩台类型及基础设计荷载水文、地质资料设计内容施工期要求运营期要求28沉井的高度和分节沉井的平面形状和尺寸取土井孔的布置和大小井壁的厚度刃脚的形状和尺寸封底混凝土和顶盖的厚度1－井壁；2－刃脚；3－隔墙；4－井孔；5－凹槽；6－射水管组；7－封底混凝土；8－顶板一、沉井尺寸的确定291．沉井的下沉能力验算2．刃脚受力计算3．井壁受力计算4．底节沉井验算5．混凝土封底及顶板计算二、施工过程中的检算30

沉井的下沉能力验算Rr主要为刃脚踏面的正面阻力，其值等于刃脚踏面总面积与地基土极限承载力之积31例4-1某矩形沉井，长20m，宽18m，高16m，井壁厚度0.8m。设横隔墙一道，宽18.4m，高13.5m，厚0.5m；竖隔墙两道，宽16.4m，高13.5m，厚0.5m。刃脚踏面宽度为0.2m。在黏性土中采取排水下沉干封底，试计算沉井下沉到设计标高处的“下沉系数”。3233刃脚受力计算（1个三维问题转为2个二维问题求解）根据悬臂及水平框架两者的变位关系得各自的外力分配系数：

L1，L2——支承于隔墙间的井壁最大和最小计算跨度；hk——刃脚斜面部分的高度。刃脚受力竖向受力（悬臂梁）横向受力（水平框架）向外挠曲向内挠曲34（1）刃脚竖向受力分析一般可取单位宽度井壁，将刃脚视为固定在井壁上的悬臂梁，分别按刃脚向外挠曲和向内挠曲两种最不利情况分析。

刃脚向外挠曲受力分析3536①外侧的土、水压力合力(W’+E’)刃脚竖向受力分析（向外挠曲）3637刃脚竖向受力分析（向外挠曲）②-1土的竖向反力Rν

3738刃脚竖向受力分析（向外挠曲）②-2土的竖向反力Rν的分解

3839刃脚竖向受力分析（向外挠曲）③刃脚外侧高度上的摩阻力T1

39刃脚竖向受力分析（向外挠曲）④刃脚单位宽度自重g

求各力对刃脚根部中心轴的力臂，从而求得总弯矩M，竖向力N及剪力Q；

验算刃脚根部应力，配竖向钢筋。40求各力对刃脚根部中心轴的力臂，从而求得总弯矩M，竖向力N及剪力Q；

验算刃脚根部应力，配竖向钢筋。刃脚竖向受力分析（向内挠曲）最不利位置是沉井已下沉至设计标高，刃脚下土体已挖除而尚未浇筑封底混凝土，此时可将刃脚视为固定在井壁上的悬臂梁

41（2）刃脚水平受力计算当沉井下沉至设计标高，刃脚下土已挖除但未浇筑封底混凝土时，刃脚所受水平压力最大，处于最不利状态。此时可将刃脚视为水平框架进行计算。作用于刃脚上的外力与计算刃脚向内挠曲时一样，但所有水平力应乘以分配系数β，以此求得水平框架的控制内力，再配置刃脚所需的水平钢筋。

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井壁受力计算（1）井壁竖向拉应力验算43（2）井壁水平受力计算当沉井沉至设计标高，刃脚下土已挖除而尚未封底时，井壁承受的土、水压力为最大，此时应按水平框架分析内力，验算井壁材料强度，其计算方法与刃脚框架计算相同。井壁框架受力示意图44

底节沉井的竖向挠曲验算底节沉井支点布置示意图排水挖土下沉不排水挖土下沉不排水挖土下沉45

混凝土封底及顶板计算（1）封底混凝土计算荷载：基底的水和土