長安大學(xué)基礎(chǔ)工程第五章-沉井基礎(chǔ)及地下連續(xù)墻(共16頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第五章 沉井基礎(chǔ)及地下連續(xù)墻第一節(jié) 概 述沉井基礎(chǔ)的定義：沉井是一種井筒狀結(jié)構(gòu)物，是依靠在井內(nèi)挖士，借助井體自重及其它輔助措施而逐步下沉至預(yù)定設(shè)計標高，最終形成的建筑物基礎(chǔ)的一種深基礎(chǔ)型式。沉井基礎(chǔ)的特點：占地面積小，不需要板樁圍護，與大開挖相比較，挖土量少，對鄰近建筑物的影響比較小，操作簡便，無需特殊的專業(yè)設(shè)備。近年來，沉井的施工技術(shù)和施工機械都有很大改進。沉井基礎(chǔ)的典型施工方法：觸變泥漿潤滑套法；壁后壓氣（空氣幕）法；鉆吸排土沉井施工技術(shù)；中心島式下沉沉井基礎(chǔ)的使用范圍：1上部荷載較大，而表層地基土的容許承載力不足，擴大基礎(chǔ)開挖工作量大，以及支撐困難，但在一定深度

2、下有好的持力層，采用沉井基礎(chǔ)與其它深基礎(chǔ)相比較，經(jīng)濟上較為合理時；2在山區(qū)河流中，雖然土質(zhì)較好，但沖刷大或河中有較大卵石不便樁基礎(chǔ)施工時；3巖層表面較平坦且覆蓋層薄，但河水較深；采用擴大基礎(chǔ)施工圍堰有困難時。第二節(jié) 沉井的類型和構(gòu)造一、沉井分類按材料分類：混凝土、鋼筋混凝土、鋼、磚、石、木等按平面形狀分類：圓形、方形、矩形、橢圓形、圓端形、多邊形及多孔井字形等，如圖4l所示。按豎向剖面形狀分類：圓柱形、階梯形及錐形等，如圖4-2所示。二、沉井構(gòu)造井壁(側(cè)壁)、刃腳、內(nèi)隔墻、井孔、封底和頂蓋板等組成，如圖43所示。 1井壁井壁是沉井的主要部分，應(yīng)有足夠的厚度與強度，以承受在下沉過程中各種最不利荷

3、載組合(水土壓力)所產(chǎn)生的內(nèi)力，同時要有足夠的重量，使沉井能在自重作用下順利下沉到設(shè)計標高。設(shè)計時通常先假定井壁厚度，再進行強度驗算。井壁厚度一般為0.41.2m左右。 對于薄壁沉井，應(yīng)采用觸變泥漿潤滑套、壁外噴射高壓空氣等措施，以降低沉井下沉?xí)r的摩阻力，達到減薄井壁厚度的目的。但對于這種薄壁沉井的抗浮問題，應(yīng)謹慎核算，并采取適當、有效的措施。 2刃腳 井壁最下端一般都做成刀刃狀的“刃腳”。其主要功用是減少下沉阻力。刃腳還應(yīng)具有一定的強度，以免在下沉過程中損壞。刃腳底的水平面稱為踏面，如圖4-4所示。刃腳的式樣應(yīng)根據(jù)沉井下沉?xí)r所穿越土層的軟硬程度和刃腳單位長度上的反力大小決定，沉井重、土質(zhì)軟時

4、，踏面要寬些。相反，沉'井輕，又要穿過硬土層時，踏面要窄些，有時甚至要用角鋼加固的鋼刃腳。3內(nèi)隔墻 根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)上的需要，在沉井井筒內(nèi)設(shè)置內(nèi)隔墻。內(nèi)隔墻的主要作用是增加沉井在下沉過程中的剛度，減小井壁受力計算跨度。同時，又把整個沉井分隔成多個施工井孔(取土井)，使挖土和下沉可以較均衡地進行，也便于沉井偏斜時的糾偏。內(nèi)隔墻因不承受水土壓力，所以，其厚度較沉井外壁要薄一些。 5井孔 沉井內(nèi)設(shè)置的內(nèi)隔墻或縱橫隔墻或縱橫框架形成的格子稱作井孔，井孔尺寸應(yīng)滿足工藝要求。6射水管當沉井下沉深度大，穿過的土質(zhì)又較好，估計下沉?xí)a(chǎn)生困難時，可在井壁中預(yù)埋射水管組。射水管應(yīng)均勻布置，以利于控制水壓和水

5、量來調(diào)整下沉方向。一般不小于600kPa。如使用觸變泥漿潤滑套施工方法時，應(yīng)有預(yù)埋的壓射泥漿管路。 7封底及頂蓋 當沉井下沉到設(shè)計標高，經(jīng)過技術(shù)檢驗并對井底清理整平后，即可封底，以防止地下水滲入井內(nèi)。為了使封底混凝土和底板與井壁間有更好的聯(lián)結(jié)，以傳遞基底反力，使沉井成為空間結(jié)構(gòu)受力體系，常于刃腳上方井壁內(nèi)側(cè)預(yù)留凹槽，以便在該處澆筑鋼筋混凝土底板和樓板及井內(nèi)結(jié)構(gòu)。凹槽的高度應(yīng)根據(jù)底板厚度決定，主要為傳遞底板反力而采取的構(gòu)造措施。凹槽底面一般距刃腳踏面2.5m左右。槽高約1.0m，接近于封底混凝土的厚度，以保證封底工作順利進行。凹人深度c約為150250mm。第三節(jié) 沉井的施工沉井基礎(chǔ)施工一般可分

6、為旱地施工、水中筑島施工及浮運沉井施工三種，現(xiàn)分別簡介如下：一、旱地上沉井的施工橋梁墩臺位于旱地時，沉井可就地制造、挖土下沉、封底、充填井孔以及澆筑頂板。在這種情況下，一般較容易施工，工序如下：（一）整平場地（二）制造第一節(jié)沉井（三）拆模及抽墊（四）挖土下沉（五）接高沉井（六）筑井頂圍堰（七）地基檢驗和處理（八）封底、充填井孔及澆筑頂蓋二、水中沉井的施工（一） 筑島法 （二）浮運沉井施工三、沉井下沉過程中遇到的問題及處理（一）沉井發(fā)生傾斜和偏移偏斜主要原因：土島表面松軟，使沉井下沉不均，河底土質(zhì)軟硬不勻；挖土不對稱；井內(nèi)發(fā)生流砂，沉井突然下沉，刃腳遇到障礙物頂住而未及時發(fā)現(xiàn)；并內(nèi)挖除的土堆壓在

7、沉井外一側(cè)，沉井受壓偏移或水流將沉井一側(cè)土沖空等。沉井發(fā)生傾斜糾正方法：在沉井高的一側(cè)集中挖土；在低的一側(cè)回填砂石；在沉井高的一側(cè)加重物或用高壓身水沖松土層；必要時可在沉井頂面施加水平力扶正。沉井發(fā)生偏移糾正方法：糾正沉井中心位置發(fā)生偏移的方法是先使沉井傾斜，然后均勻除土，使沉井底中心線下沉至設(shè)計中心線后，再進行糾偏。（二）沉井下沉困難增加沉井自重 減小沉井外壁的摩阻力四、泥漿潤滑套與壁后壓氣沉井施工法 （一）泥漿潤滑套泥漿潤滑套是把配置的泥漿灌注在沉井井壁周圍，形成井壁與泥漿接觸。選用的泥漿配合比應(yīng)使泥漿性能具有良好的固壁性、觸變性和膠體穩(wěn)定性。一般采用的泥漿配合比（重量比）為粘土35%45

8、%，水55%65%，另加分散劑碳酸鈉0.4%0.6%，其中粘土或粉質(zhì)粘土要求塑性指數(shù)不小于15，含砂率小于6%（泥漿的性能指標以及檢測方潔可參見有關(guān)施工技術(shù)手冊）。這種泥漿對沉井壁起潤滑作用，它與井壁間摩阻力僅35kPa大大降低了井壁摩阻力（一般粘性土對井壁摩阻力為2550kPa），因而有提高沉井下沉的施工效率，減少井壁的圬土數(shù)量，加大了沉井的下沉深度，施工中沉井穩(wěn)定性好等優(yōu)點。泥漿潤滑套的構(gòu)造主要包括：射口擋板，地表圍圈及壓漿管。沉井下沉過程中要勤補漿，勤觀測，發(fā)現(xiàn)傾斜、漏漿等問題要及時糾正。當沉井沉到設(shè)計標高時，若基底為一般土質(zhì)，因井壁摩阻力較小，會形成邊清基邊下沉的現(xiàn)象，為此，應(yīng)壓入水泥

9、砂漿換置泥漿，以增大井壁的摩阻力。另外，在卵石、礫石層中采用泥漿潤滑套效果一般較差。 （二）壁后壓氣沉井法壁后壓氣沉井法也是減少下沉?xí)r井壁摩阻力的有效方法。它是通過對沿井壁內(nèi)周圍預(yù)埋的氣管中噴射高壓氣流，氣流沿噴氣孔射出再沿沉井外壁上升，形成一圈壓氣層（又稱空氣幕），使井壁周圍土松動，減少井壁摩阻力，促使沉井順利下沉。施工時壓氣管分層分布設(shè)置，豎管可用塑料管或鋼管，水平環(huán)管則采用直徑25mm的硬質(zhì)聚氯乙烯管，沿井壁外緣埋設(shè)。每層水平環(huán)管可按四角分為四個區(qū)，以便分別壓氣調(diào)整沉井傾斜。壓氣沉井所需的氣壓可取靜水壓力的2.5倍。與泥漿潤滑套相比，壁后壓氣沉井法在停氣后即可恢復(fù)土對井壁的摩阻力，下沉量

10、易于控制，且所需施工設(shè)備簡單，可以水下施工，經(jīng)濟效果好?，F(xiàn)認為在一般條件下較泥漿潤滑套更為方便，它適用于細、粉砂類土的粘性土中。第四節(jié) 沉井的設(shè)計與計算一、沉井作為整體深基礎(chǔ)的設(shè)計與計算 沉井作為整體深基礎(chǔ)時的基本假定條件：1 地基土作為彈性變形介質(zhì)，水平向地基系數(shù)隨深度成正比例增加；2 不考慮基礎(chǔ)與土之間的粘著力和摩阻力；3 沉井基礎(chǔ)的剛度與土的剛度之比可認為是無限大。 （一）非巖石地基上沉井基礎(chǔ)的計算 沉井基礎(chǔ)受到水平力H及偏心豎向力N作用時，為了討論方便，可以把這些外力轉(zhuǎn)變?yōu)橹行暮奢d和水平力的共同作用，轉(zhuǎn)變后的水平力H距離基底的作用高度為先討論沉井在水平力H作用下的情況。由于水平力的作用

11、，沉井將圍繞位于地面下Z0深度處的A點轉(zhuǎn)動一角，地面下深度Z處深井基礎(chǔ)產(chǎn)生的水平位移x和土的橫向抗力zx分別為 式中：Z0轉(zhuǎn)動中心A離地面的距離； Cz深度Z處水平向的地基系數(shù)，Cz=mZ0（kN/m3）m為地基比例系數(shù) （kN/m4）。將Cz值代入得從式中可見，土的橫各抗力沿深度為二次拋物線變化基礎(chǔ)底面處的壓應(yīng)力，考慮到該水平面上的豎向地基系數(shù)C0不變，故其壓應(yīng)力圖形與基礎(chǔ)豎向位移圖相似。故式中C0（見樁基礎(chǔ)）不得小于10m0，d為基底寬度或直徑。在上述三個公式中，有兩個未知數(shù)Z0和，要求解其值，可建立兩個平衡方程式，即X=0 X=0 式中b1為基礎(chǔ)計算寬度，按第四章中“m法”計算，W為基底

12、的截面模量。對上二式進行聯(lián)立解，可得式中：，為深度h處沉井側(cè)面的水平向地基系數(shù)與沉井底面的豎向 地基系數(shù)的比值，其中m、m0按第三章有關(guān)規(guī)定采用；當有豎向荷載N及水平力H同時作用時則基底邊緣處的壓應(yīng)力為 式中A0為基礎(chǔ)底面積。離地面或最大沖刷線以下Z深度處基礎(chǔ)截面上的彎矩，為 （二）基底嵌入基巖內(nèi)的計算方法若基底嵌入基巖內(nèi)，在水平力和豎直偏心荷載作用下，可以認為基底不產(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Z0=h，為一已知值。這樣，在基底嵌入處便存在一水平阻力P，由于P力對基底中心軸的力臂很小，一般可忽略P對A點的力距。當基礎(chǔ)有水平力H作用時，地面下Z深度處產(chǎn)生的水平位移X和土的

13、橫向抗力zx分別為X=（h-Z）tgzx=Mzx=Mz（h-Z）tg基底邊緣處的豎向應(yīng)力為上述公式中只有一個未知數(shù)，故只需建立一個彎矩平衡方程便可解出值。MA=0 解上式得 式中 將tg代入得 基底邊緣處的應(yīng)力為 根據(jù)x=0，可以求出嵌入處未知的水平阻力P 地面以下Z深度處基礎(chǔ)截面上的變矩為 （三）墩臺頂面的水平位移基礎(chǔ)在水平力和力矩作用下,墩臺頂面會產(chǎn)生水平位移，它由地面處的水平位移Z0tg，地面到墩臺頂范圍h2范圍內(nèi)墩臺身彈性撓曲變形引起的墩臺頂水平位移2，三部分組成。 或?qū)χС性趲r石地基上的墩臺頂面水平位移為 （四）驗算1基底應(yīng)力驗算 maxh 2橫向抗力驗算 zxPpPa 由朗金土壓力

14、理論可知代入得式中為土的容重，和C分別為土的內(nèi)摩擦角和粘聚力?？紤]到橋梁結(jié)構(gòu)性質(zhì)和荷載情況，并根據(jù)試驗知道出現(xiàn)最大的橫向抗力大致在和Z=h處，將考慮的這些值代入便有下列不等式 式中相應(yīng)于深度處的土橫向抗力；hx相應(yīng)于Z=h深度處的土橫向抗力，h基礎(chǔ)的埋置深度；1 取決于上部結(jié)構(gòu)形式的系數(shù)，一般取1=1，對于拱橋1=0.7；2 考慮恒載對基礎(chǔ)重心所產(chǎn)生的變矩Mg在總彎矩M中所占百分比的系數(shù)， 即。 3墩臺頂面水平位移驗算式中L為相鄰跨中最小跨的跨度（m），當跨度L25m時，L按25m計算。二、沉井施工過程中的結(jié)構(gòu)強度計算沉井結(jié)構(gòu)在施工過程中主要進行下列驗算。（一） 沉井自重下沉驗算為了使沉井能在

15、自重下順利下沉，沉井重力（不排水下沉者應(yīng)扣除浮力）應(yīng)大于土對井壁的摩阻力，將兩者之比稱為下沉系數(shù)，要求 1式中：K下沉系數(shù)，應(yīng)根據(jù)土類別及施工條件取大于1的數(shù)值； Q沉井自重（kN）； T土對井壁的總摩阻力，其中、為沉井穿過第i層土的 厚度（m）和該段沉井的周長（m），fi為第i層土對井壁單位面積的摩阻 力，其值應(yīng)根據(jù)試驗確定。當不能滿足上式要求時，可選擇下列措施直至滿足要求：加大井壁厚度或調(diào)整取土井尺寸；如為不排水下沉者，則下沉到一定深度后可采用排水下沉；增加附加荷載或射水助沉；采用泥漿潤滑套或壁后壓氣法等措施。（二）第二節(jié)（底節(jié)）沉井的豎向撓曲驗算1排水挖土下沉2不排水挖土下沉（三）沉井刃

16、腳受力計算刃腳懸臂作用的分配系數(shù)為 刃腳框架作用的分配系數(shù)為 式中：L1支承于隔墻間的井壁最大計算跨度； L2支承于隔墻間的井壁最小計算跨度； hk刃腳斜面部分的高度。1刃腳豎向受力分析刃腳豎向受力情況一般截取單位寬度井壁來分析，把刃腳視為固定在井壁上的懸臂梁，梁的跨度即為刃腳高度。由內(nèi)力分析有下述兩種情況。（1）刃腳向外撓曲的內(nèi)力計算1） 作用在刃腳外側(cè)單位寬度上的土壓力及水壓力的合力為式中：作用在刃腳根部處的土壓力及水壓力強度之和； 刃腳底面處的土壓力及水壓力強度之和。 hk 刃腳高度。 力的作用點（離刃腳根部的距離）為 地面下深度hi處刃腳承受的土壓力ei可按朗金主動土壓辦公式計算，即

17、式中：i為hi高度范圍內(nèi)土的平均容重，在水位以下應(yīng)考慮浮力，hi為計算位置至地面的距離。水壓力wi的計算為wi=whwi，其中w為水的容重，hwi為計算位置至水面的距離。2）作用在刃腳外側(cè)單位寬度上的摩阻力Ti可按下列二式計算，并取其較小者 或 式中：土與井壁間單位面積上的摩阻力； hk 刃腳高度； E刃腳外側(cè)總的主動土壓力，即。 3）刃腳下抵抗力的計算。刃腳下豎向反力R（取單位寬度）可按下式計算 式中：q為沿井壁周長單位寬度上沉井的自重，在水下部分應(yīng)考慮水的浮力； T為沉井入土部分單位寬度上的摩阻力。 R=v1+v2R的作用點距井壁外側(cè)的距離為 式中：b2為刃腳內(nèi)側(cè)入土斜面在水平面上的投影長

18、度。根據(jù)力的平衡條件，可知 其中2為土與刃腳斜面間的外摩擦角，一般定為30°，刃腳斜面上水平反力H作用點離刃腳底面1/3m。4）刃腳（單位寬度）自重g為 式中：井壁厚度； k 鋼筋混土刃腳的容重，不排水施工時應(yīng)扣除浮力。刃腳自重量g的作用點至刃腳根部中心軸的距離為 求出以上各力的數(shù)值、方向及作用點后，再算出各力對刃腳根部中心軸的變矩總和值M0，豎向力N0及剪力Q，其算式為 M0=MR+MH+Me+w+MT+Mg N0=R+T1+g Q=pe+w+H式中：MR、MH、Me+w、MT、Mg分別為反力R、土壓力及水壓力pe+w、橫向力H、刃腳底部的外側(cè)摩阻力T1以及刃腳自重g對刃腳根部中心

19、軸的彎矩，其中作用在刃腳部分的各水平力均應(yīng)按規(guī)定考慮分配系數(shù)a。上述各式數(shù)值的正負號視具體情況而定。根據(jù)M0、N0及Q值就可驗算刃腳根部應(yīng)力并計算出刃腳內(nèi)側(cè)所需的豎向鋼筋用量。一般刃腳鋼筋截面積不宜少于刃腳根部截面積的0.1%。刃腳的豎直鋼筋應(yīng)伸入根部以上0.5L1（L1為支承于隔墻間的井壁最大計算跨度）。（2）刃腳向內(nèi)撓曲的內(nèi)力計算計算刃腳向內(nèi)撓曲的最不利情況是沉井已下沉至設(shè)計標高，刃腳下的土已挖空而尚未澆筑封底混凝土，這時，將刃腳作為根部固定在井壁的懸臂梁，計算最大的向內(nèi)彎矩。2刃腳水平鋼筋計算刃腳水平向受力最不利的情況是沉井已下沉至設(shè)計標高，刃腳下的土已挖空，尚未澆筑封底混凝土的時候，由

20、于刃腳有懸臂作用及水平閉合框架的作用，故當刃腳作為懸臂考慮時，刃腳所受水平力乘以a，而作用于框架的水平力應(yīng)乘以分配系數(shù)式后，其值作為水平框架上的外力，由此求出框架的彎矩及軸向力值。再計算框架所需的水平鋼筋用量。根據(jù)常用沉井水平框架的平面形式，現(xiàn)列出其內(nèi)力計算式，以供設(shè)計時參考。（1） 單孔矩形框架A點處的彎矩B點處的彎矩C點處的彎矩 軸向力式中：K=a/b，a為短邊長度，b為長邊長度。 （2）單孔圓端形 （3）雙孔矩形（4）雙孔圓端形（5）圓形沉井（四）井壁受力計算1井壁豎向拉應(yīng)力驗算沉井在下沉過程中，刃腳下的土已被挖空，但沉井上部被摩擦力較大的土體夾?。ㄟ@一般在下部土層比上部土層軟的情況下出

21、現(xiàn)），這時下部沉井呈懸掛狀態(tài)，井壁就有在自重作用下被拉斷的可能，因而應(yīng)驗算井壁的豎向拉應(yīng)力。拉應(yīng)力的大小與井壁摩阻力分布圖有關(guān)，在判斷可能夾住沉井的土層不明顯時，可近似假定沿沉井高度成倒三角形分布。在地面處摩阻力最大，而刃腳底面處為零。該沉井自重為G，h為沉井的入土深度，U為井壁的周長，為地面處井壁上的摩阻力，x為距刃腳底x處的摩阻力由于 離刃腳底x處井壁的拉力為Sx，其值為為求得最大拉應(yīng)力令 2井壁橫向受力計算（五）混凝土封底及頂蓋的計算1封底混凝土計算封底混凝土厚度，可按下列兩種方法計算并取其控制者。 （1）封底混凝土視為支承在凹槽或隔墻底面和刃腳上的底板，按周邊支承的雙向板（矩形或圓端形沉井）或圓板（圓形沉井）計算：式中：ht封底混凝土的厚度（m）。 Mm在最大均布反力作用下的最大計算變矩（kN·m），按支承條件考慮的荷 載系數(shù)可由結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊查??； 混凝土彎曲抗拉極限強度； si荷載安全系數(shù)，此處si=1.1； m 材料安全系數(shù)，此處m=2.31； b 計算寬度，此處取1m。有時為簡單初步估算也可采用式 （2）封底混凝土按受剪計算，即計算封底混凝土承受基底反力后是否有沿井孔范圍內(nèi)周邊剪斷的可能性。若剪應(yīng)力超過其抗剪強度則應(yīng)加大封底