第五章 沉井基礎(chǔ)

1、 沉井平面長(zhǎng)69米，寬51米，下沉深度為58米，體積20.4萬(wàn) 立方米,列世界最大沉井。 (列世界第的美國(guó)費(fèi)雷澤諾橋的沉井體積為15萬(wàn)立方米) 一、認(rèn)識(shí)沉井一、認(rèn)識(shí)沉井 江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨沉井江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨沉井 1.工程工程 應(yīng)用應(yīng)用 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 橋墩、錨碇、礦用豎井、地下泵房、水池、油庫(kù)、地下設(shè) 備基礎(chǔ)、盾構(gòu)隧道、頂管的工作井和接收井等。 依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后經(jīng) 過(guò)混凝土封底并填塞孔，最后成為結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的井筒狀結(jié)構(gòu)。 2. 沉井的定義沉井的定義 3. 沉井基礎(chǔ)的特點(diǎn)沉井基礎(chǔ)的特點(diǎn) (1)埋置深度大，整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，承載面積大，承載力高(垂直 與水

2、平)； (2)既可作基礎(chǔ)，又可作施工時(shí)的擋土和擋水圍堰結(jié)構(gòu)物； (3)施工時(shí)對(duì)鄰近建筑物影響較??； (4)內(nèi)部空間可進(jìn)一步利用。 4. 沉井的缺點(diǎn)沉井的缺點(diǎn) (1)施工工期較長(zhǎng)； (2)施工技術(shù)要求高； (3)施工中易發(fā)生流砂造成沉井傾斜或下沉困難等。 二、沉井的構(gòu)造二、沉井的構(gòu)造 1. 沉井的截面形式沉井的截面形式 平面形狀有：圓形、矩形、圓端形等 井孔的布置方式有：?jiǎn)慰?、雙孔、多孔。 井壁井壁 厚度0.41.2m；承受水土壓力。 刃腳刃腳 寬度1020cm ，高度約1.5m（濕封 底）或0.6m（干封底），內(nèi)側(cè)傾角 4560 ；沖切硬土，減小端部阻力。 內(nèi)隔墻內(nèi)隔墻 厚度約0.5m，底面高

3、出井壁刃腳踏面 0.51m，增加沉井剛度、改善井壁 受力條件、挖土均衡，便于糾偏。 井孔井孔 寬度（直徑）不宜小于3m，挖土、排 土場(chǎng)所和通道。 井壁凹槽井壁凹槽 槽高約1.0m，深度0.150.25m，增加 封底混凝土、底版與井壁連接。 預(yù)埋射水管預(yù)埋射水管 下沉困難時(shí)減阻。 封底（底板）封底（底板） 沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，經(jīng)檢驗(yàn)和坑底 清理后澆注的混凝土底版。分為干封 和濕封（水下澆灌混凝土）兩種。 2. 沉井的構(gòu)造沉井的構(gòu)造 3. 設(shè)計(jì)計(jì)算的主要構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算的主要構(gòu)件 a）直壁式 b）臺(tái)級(jí)式 當(dāng)不能設(shè)置內(nèi)隔墻而沉井又較大時(shí)，常常在當(dāng)不能設(shè)置內(nèi)隔墻而沉井又較大時(shí)，常常在 沉井底部增設(shè)底梁沉井

4、底部增設(shè)底梁 或因沉井過(guò)高，常常在沉井不同高度處設(shè)置或因沉井過(guò)高，常常在沉井不同高度處設(shè)置 縱橫梁縱橫梁 構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)。構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)。 三、沉井的施工三、沉井的施工 分旱地施工沉井與水上施工沉井兩種情況分旱地施工沉井與水上施工沉井兩種情況 旱地沉井工序：旱地沉井工序： 就地制造挖土下沉孔底清查封底 充填井孔以及 澆注頂板。 水上沉井工序：水上沉井工序： 水深34m以?xún)?nèi)且流速不大時(shí) 水上筑島島上制造挖土下沉孔底清查封底 充 填井孔以及澆注頂板。 水較深或流速較大時(shí) 岸邊制造牽引滑移或起吊就位挖土下沉孔底清查 封底 充填井孔以及澆注頂板。 旱地沉井施工過(guò)程圖旱地沉井施工過(guò)程圖 水上沉井施工過(guò)程圖水

5、上沉井施工過(guò)程圖 第三節(jié)第三節(jié) 沉井的設(shè)計(jì)與計(jì)算沉井的設(shè)計(jì)與計(jì)算 沉井是深基礎(chǔ)的一種類(lèi)型，沉井在施工完畢后，由于 它本身就是結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)，就應(yīng)按基礎(chǔ)的要求進(jìn)行各項(xiàng) 驗(yàn)算；但在施工過(guò)程中，沉井是擋土、擋水的結(jié)構(gòu)物， 因而還要對(duì)沉井本身進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算。 沉井作為整體深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、 荷載大小以及水文、地質(zhì)情況，結(jié)合沉井的構(gòu)造要求及 施工方法，擬定出沉井的平面尺寸，埋置深度，然后進(jìn) 行沉井基礎(chǔ)的計(jì)算。 沉井基礎(chǔ)的計(jì)算，根據(jù)它的埋置深度可用兩種不同的 計(jì)算方法。 一、沉井作為整體深基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與計(jì)算一、沉井作為整體深基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 當(dāng)沉井埋置深度在最大沖刷線(xiàn)以下較淺僅數(shù)米時(shí)， 這

6、時(shí)可以不考慮基礎(chǔ)側(cè)面土的橫向抗力影響，而按淺基 礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)定，分別驗(yàn)算地基強(qiáng)度、沉井基礎(chǔ)的穩(wěn)定 性和沉降，使它符合容許值的要求； 當(dāng)沉井基礎(chǔ)埋置深度較大時(shí)，由于埋置在土體內(nèi)較 深，不可忽略沉井周?chē)馏w對(duì)沉井的約束作用，因此在 驗(yàn)算地基應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性時(shí)，需要考慮基礎(chǔ)側(cè)面土 體彈性抗力的影響。 假定沉井基礎(chǔ)在橫向外力作用下只能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)而無(wú) 撓曲變形。因此，可按剛性樁計(jì)算內(nèi)力和土抗力，即相 當(dāng)于“m”法中h2.5的情況。 下面具體討論這種計(jì)算方法。 （一）非巖石地基上沉井基礎(chǔ)的計(jì)算（一）非巖石地基上沉井基礎(chǔ)的計(jì)算 沉井基礎(chǔ)受到水平力H及偏心豎向力N作用。將水平 力H及偏心豎向力N引起的力矩等效

7、轉(zhuǎn)換成水平力H距離 基底的作用： 先討論沉井在水平力H作用下的情況，水平力的作用 下，沉井將圍繞位于地面下z0深度處的A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)一角，地 面下深度z處沉井基礎(chǔ)產(chǎn)生的水平位移x和土的橫向抗力 zx分別為： x = (z0z)tg zx = xCz = mz(z0z)tg 式中 z0 轉(zhuǎn)動(dòng)中心A離地面的距離； H M H HlNe 土的橫向抗力 沿深度為二次 拋物線(xiàn)變化。 基礎(chǔ)底面處的壓應(yīng)力，考慮到該水平面上的豎向地基基礎(chǔ)底面處的壓應(yīng)力，考慮到該水平面上的豎向地基 系數(shù)系數(shù)C0不變，故壓應(yīng)力圖形與基礎(chǔ)豎向位移圖相似。不變，故壓應(yīng)力圖形與基礎(chǔ)豎向位移圖相似。 式中 C0不得小于10m0，d為基底寬度或

8、直徑。 X0 M0 tg d CC d 2 010 2 在上述三個(gè)公式中，有兩個(gè)未知數(shù)z0和，要求解其 值，可建立兩個(gè)平衡方程式，即 0)( 0 011 0 hh zx dZZZZmtgbHdzbH 0 2 1 0 1 WZdzbHh d h zx 式中：W為基底的截面模量。 求得z0、（tan），進(jìn)而求得 當(dāng)有豎向荷載N及水平力H同時(shí)作用時(shí)，則基底邊緣 處的壓應(yīng)力為 式中A0基礎(chǔ)底面積。 離地面或最大沖刷線(xiàn)以下z深度處基礎(chǔ)截面上的彎矩 A dH d 3 2 A Hd A N3 0 max min )( 6 0 zzz Ah H zx )2( 2 )( 0 3 1 zz hA zHb zhHM

9、 Z 可以認(rèn)為基底不產(chǎn)生水平位移，則基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)中心A 與基底中心相吻合，即z0h。地面下z深度處產(chǎn)生的水平 位移x和土的橫向抗力zx分別為 x=(hz)tg zxmzx mz(hz)tg 基底邊緣處的豎向應(yīng)力為 （二）基底嵌入基巖內(nèi)的沉井（二）基底嵌入基巖內(nèi)的沉井 上述公式中只有一個(gè)未知數(shù)，故只需建立一個(gè)彎矩 平衡方程便可解出值。 tg mhd tg d C d 22 0 2 由彎矩平衡方程MA0便可解出值，進(jìn)一步求得： 式中 基底邊緣處的應(yīng)力為 再根據(jù)X0，可求出嵌入處未知的水平阻力P D Hd A N 2 0 max min 1 6 2 1 0 1 D hb HHdZbP h zx )2

10、( 12 )( 3 1 Zh Dh HZb ZhHMZ 12 6 3 1 Wdhb D Dh H ZZh zx )( D Hd d 22 （三）驗(yàn)算（三）驗(yàn)算 基底計(jì)算最大壓應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)沉井底面處地基土的設(shè) 計(jì)承載力h。即 max h 1. 基底應(yīng)力驗(yàn)算 橫向計(jì)算zx值應(yīng)小于沉井周?chē)恋臉O限抗力值。 極限抗力值計(jì)算方法： 當(dāng)基礎(chǔ)在外力作用下產(chǎn)生位移時(shí)，在深度z處基礎(chǔ)一側(cè) 產(chǎn)生主動(dòng)土壓力強(qiáng)度pa，而被擠壓一側(cè)土就受到被動(dòng)土壓 力強(qiáng)度pP，故其極限抗力，以土壓力表達(dá)為 zx pp-pa 2. 橫向抗力驗(yàn)算 由朗金土壓力理論可知 式中 為土的容重，和c分別為內(nèi)摩擦角和粘聚力。 橋梁結(jié)構(gòu)中，根據(jù)試驗(yàn)知

11、道出現(xiàn)最大的橫向抗力大 致在 z=h/3和z=h處，即 式中 相應(yīng)于z=h/3深度處的土橫向抗力； 相應(yīng)于z=h深度處的土橫向抗力；h為基礎(chǔ) 的埋置深度； )( cos 4 cztg zx ctg h x h 3cos 4 21 3 chtg hx cos 4 21 3/hx hx 基礎(chǔ)在水平力和力矩作用下，墩臺(tái)頂面會(huì)產(chǎn)生水平 位移。由地面處的水平位移z0 tg ，地面到墩臺(tái)頂范圍 h2內(nèi)的水平位移h2 tg ，在h2范圍內(nèi)墩臺(tái)身彈性撓曲變形 引起的墩臺(tái)頂水平位移0，三部分組成。 =(z0+h2)tg+0 1取決于上部結(jié)構(gòu)形式的系數(shù)，一般1=1， 對(duì)于拱橋1=0.7； 2考慮恒載對(duì)基礎(chǔ)底面重心

12、所產(chǎn)生的彎矩Mg 在總彎矩M中所占百分比的系數(shù)，即 M M g 8 . 01 2 3. 墩臺(tái)頂面水平位移驗(yàn)算 現(xiàn)行橋梁規(guī)范中規(guī)定：墩臺(tái)頂面的水平位移應(yīng)符合下 列要求： 式中，L為相鄰跨中最小跨的跨度(m)，當(dāng)跨度L25m 時(shí)，L按25m計(jì)算。 考慮到轉(zhuǎn)角一般均很小，可令tg=。如果沉井基底嵌 入基巖內(nèi)，z0h。 )(5 . 0cmL 在確定沉井主體尺寸后，即可算出沉井自重，驗(yàn)算在 沉井施工下沉?xí)r，保證在自重作用下克服井壁摩阻力Rf而 順利下沉，亦即下沉系數(shù)K1應(yīng)為： 式中 G 沉井在各種施工階段時(shí)的總自重，kN； B 下沉過(guò)程中地下水的總浮力，kN； Rf 井壁總摩阻力，kN； 沉井是一種預(yù)制

13、構(gòu)件，在施工過(guò)程中受到各種外力的 作用，沉井結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須滿(mǎn)足各階段最不利受力情況的 要求，沉井結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中應(yīng)主要進(jìn)行下列驗(yàn)算。 f R BG K 1 二、沉井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、沉井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （一）下沉系數(shù)（一）下沉系數(shù)K1，下沉穩(wěn)定系數(shù)，下沉穩(wěn)定系數(shù)K1和抗浮安全系數(shù)和抗浮安全系數(shù)K2 在下沉過(guò)程中，構(gòu)成K1的分子和分母不斷變化，因此 不僅要確定最終狀態(tài)下，而且應(yīng)跟蹤整個(gè)下沉過(guò)程中K1值 的變化規(guī)律。如：沉井在軟弱土層中接高時(shí)有突沉可能， 應(yīng)根據(jù)施工情況進(jìn)行下沉穩(wěn)定驗(yàn)算： 式中 下沉穩(wěn)定系數(shù)，一般取0.80.9。 R1 刃腳踏面及斜面下土的支承力，kN； R2 隔墻和底梁下土的支承力，kN。

14、 1 K 21 1 RRR BG K f K1 下沉系數(shù)，一般為1.051.25。對(duì)位于淤泥質(zhì) 土層中沉井宜取小值；位于其它土層的沉井可取較大值。 當(dāng)沉井沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，在進(jìn)行封底并抽除井內(nèi)積水后， 而內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)備尚未安裝，井外按各個(gè)時(shí)期出現(xiàn)的最高 地下水位驗(yàn)算沉井的抗浮穩(wěn)定： 式中 K2 抗浮安全系數(shù)，一般取1.051.1。在不計(jì) 井壁摩阻力時(shí)，可取1.05。 2 B RG K f B 封底后沉井所受的總浮力，kN； （二）刃腳計(jì)算（二）刃腳計(jì)算 沉井刃腳相當(dāng)于是三面固定，一面自由的雙向板，為 簡(jiǎn)化計(jì)算一方面可看作固著在刃腳根部處的懸臂梁，梁長(zhǎng) 等于井壁刃腳斜面部分的高度；另一方面，刃腳又可看作 為一個(gè)封閉的