第4章沉井基礎

1、1第四章 沉井基礎2內(nèi)容提要41概述42沉井基礎的類型與構造43沉井基礎的施工44沉井基礎的設計與計算一、沉井基礎的定義二、沉井基礎的特點三、沉井工法進展及適用范圍4.1 概 述3一、沉井基礎的定義 沉井是井筒狀的結構物，是以井內(nèi)挖土，依靠自身重力下沉，然后混凝土封底，使其成為橋梁墩臺或其它結構物的基礎。（a）沉井下沉 （b）沉井基礎4江陰長江公路大橋沉井基礎（19941999年） 我國首座跨徑超千米（1385m）的特大型鋼箱梁懸索橋梁，也是20世紀“中國第一、世界第四”大鋼箱梁懸索橋。5北岸南岸 大橋的南北兩個錨錠要一起“拉住”大橋主纜，主纜拉力為6.4萬噸，而北錨錠處在沖積平原上，采用了當

2、時國內(nèi)平面尺寸最大的沉井基礎，沉井平面尺寸為69米長、51米寬，面積足有10個籃球場大，埋深58m。江陰長江公路大橋沉井基礎（19941999年） 6南京長江大橋沉井基礎（19601968年） 第一座由新中國自主設計建造的雙層雙線公鐵兩用橋，曾以“最長的公鐵兩用橋”載入吉尼斯世界紀錄大全。 9個橋墩基礎分別采用重型混凝土沉井、鋼沉井加管柱、浮式鋼筋混凝土沉井、鋼板樁圍堰管柱等基礎。沉井下沉深度達54.87米。7 主跨1991米，為目前世界上跨度最大的懸索橋，最大施工水深60m，兩主塔分別采用直徑80m*高70m和78m*67m的浮式鋼殼沉井，壁厚12m，分為16個艙，是目前規(guī)模最大的橋梁沉井基

3、礎。 日本明石海峽大橋（19881998）8二、沉井基礎的特點優(yōu)點：埋置深度大，整體性強、穩(wěn)定性好，能承受較大荷載下沉過程中無需設置坑壁支撐或板樁圍壁，簡化了施工沉井施工時對鄰近建筑物影響較小 缺點：施工期較長 施工技術要求高，施工中易發(fā)生流砂造成沉井傾斜或下沉困難等 9三、沉井基礎的適用條件(1)上部荷載較大，擴大基礎開挖工作量大支撐困難， 采用沉井基礎經(jīng)濟上較為合理；(2)河水較深，采用擴大基礎施工圍堰制作有困難；(3)山區(qū)河流，沖刷大/有較大卵石不便樁基礎施工。104.2 沉井基礎的類型和構造 一、沉井基礎的類型二、一般沉井的構造三、浮運沉井的構造11u 按施工方法分類一般沉井：直接在基

4、礎設計的位置上制造，然后挖土下沉的沉井。當基礎位于水中而水深不大時，也可先人工筑島，再在島上修筑沉井并下沉到位。一、沉井基礎的類型浮運沉井：先在岸邊制造，再浮運就位下沉的沉井。通常在深水地區(qū)（如水深大于10m），或水流流速大，或有通航要求，人工筑島困難或不經(jīng)濟時，可采用浮運沉井。12u 按形狀分類按平面形狀分矩形圓端形圓形按立面形狀分 柱形：構造簡單，挖土較均勻，井壁接長較簡單，模板可重復使用 階梯形：除底節(jié)外，其他各節(jié)井壁與土的摩擦力較小，但施工較復雜，消耗模板多13混凝土沉井鋼筋混凝土沉井鋼殼沉井u 按建筑材料的分類14二、 一般沉井的構造1.井壁2.刃腳3.隔墻4.井孔5.凹槽6.射水管

5、組7.封底8.頂板1465278315 （1）井壁：足夠的強度、足夠的重量；井壁厚度一般為0.81.5m。 （2）刃腳 ：減少下沉阻力 ，寬0.10.2m ，高約1.5m，內(nèi)側傾角45度60度450.15m0.5m0.5m0.8-1.5m角鋼刃腳構造示意 16 （3）隔墻：增加沉井剛度，多個施工井孔(取土井)，挖土均衡；隔墻的間距一般不大于56m，厚度一般為0.51.0m （4）井孔 ：挖土運土通道。最小邊長不宜小于3m，對稱布置，以便對稱挖土，保證沉井能均勻下沉。 （5）凹槽：底板與井壁有更好聯(lián)結，底距刃腳踏面2.5m，槽高約1.0m ，凹入深度150300mm146527831井壁；2刃腳

6、；3隔墻；4井孔；5凹槽；6射水管組；7封底混凝土；8頂板 17 （6）射水管：壓入高壓水把井壁四周的土沖松,以減少摩擦力和端部阻力。 （7）封底 ：防止地下水滲入井內(nèi), 澆注的混凝土底板. （8）頂板：鋼筋混凝土 ，頂蓋達設計強度后方可砌筑墩、臺及其它結構 146527831井壁；2刃腳；3隔墻；4井孔；5凹槽；6射水管組；7封底混凝土；8頂板 18三、浮運沉井的構造單壁鋼殼鋼氣筒底雙壁鋼沉井底節(jié)鋼氣筒探測管豎向框架內(nèi)井壁板隔板外井壁板底板豎直框架外井壁板井孔內(nèi)井壁板隔板單壁鋼殼鋼氣筒探測管水平圓環(huán)外壁板豎直肋骨角鋼圓環(huán)外弦桿圓環(huán)綴角圓環(huán)內(nèi)弦桿內(nèi)壁板豎直肋骨角鋼雙壁鋼殼細部結構帶鋼氣筒的浮運

7、沉井 19 雙壁鋼殼底節(jié)浮式沉井，是近年來橋梁工程中廣泛應用的沉井基礎，特別是在深水流急的河段。它可在工廠分段制做，現(xiàn)場拼裝成型，下水浮運到位下沉。 204.3 沉井的施工 一、一般沉井的施工過程二、沉井施工的技術特點三、沉井下沉常見問題及處理方法21（a）制作第一節(jié)沉井；（b）抽墊挖土下沉；（c）沉井接高下沉；（d）封底 一、一般沉井的施工過程22大型沉井下沉施工中的照片231清整場地 2制作第一節(jié)沉井：在刃腳處對稱地鋪滿墊木 ，然后立內(nèi)模，綁扎鋼筋，再立外模并澆筑第一節(jié)沉井3拆模及抽墊4挖土下沉5接高沉井 ：當?shù)谝还?jié)沉井下沉至一定深度（井頂露出地面不小于0.5m，或露出水面不小于1.5m）

8、時應停止挖土并接筑下節(jié)沉井。 刃腳下木墊板橋中線-剖面-剖面枕木 墊木布置實例一般沉井施工具體步驟246設置井頂防水圍堰：若沉井頂面低于地面或水面，應在井頂接筑臨時性防水圍堰，圍堰的平面尺寸略小于沉井的外圍尺寸，其下端與井頂上的預埋件相連。7基底檢驗和處理8沉井封底 9井孔填充和頂板澆筑一般沉井施工具體步驟25二、沉井施工技術特點及注意問題u 設計必須考慮施工，成了更加突出的原則；u 施工過程的復雜性，決定了施工手段的多樣性；u 施工外部條件的不確定性，使施工過程的監(jiān)測和控制及應變對策成為成功實施的關鍵。26u 1井筒傾斜和偏移u 2刃腳下遇障礙物 u 3井壁上的摩擦力過大 三、下沉時常見問題

9、及處理方法 高壓射水：利用高壓水流的沖擊力沖松井筒四周的土層，射水管路可以預埋在井壁內(nèi)，也可在下沉時插入井壁與土之間。 泥漿套法：下沉時通過預埋的管路把特制的泥漿泵入井壁與土層之間，在井筒四周形成泥漿套，使土層對井壁的磨擦變成泥漿對井壁的摩擦，從而減小井壁上的摩擦力。 空氣幕法：下沉時向管路系統(tǒng)輸送壓縮空氣，高壓氣流從氣龕底的小孔噴出并沿井壁外表上升，在井筒周圍形成空氣幕，同時借助于氣流的沖擊力使井筒周圍的土體松動或液化以達到減小摩擦力的目的。泥漿套壓入泥漿274.4 沉井基礎的設計與計算 u 設計資料 上部結構、墩臺類型及基礎設計荷載 水文、地質(zhì)資料u 設計內(nèi)容 施工期要求 運營期要求收集設

10、計所需的資料確定沉井尺寸施工過程檢算下沉能力檢算底節(jié)沉井豎向撓曲檢算刃腳受力檢算井壁受力檢算封底及底板檢算運營期檢算基礎底面應力檢算基礎側面水平壓應力檢算墩臺頂面水平位移檢算最終確定沉井尺寸繪制施工圖結束否是是否28u 沉井的高度和分節(jié)u 沉井的平面形狀和尺寸u 取土井孔的布置和大小u 井壁的厚度u 刃腳的形狀和尺寸u 封底混凝土和頂蓋的厚度146527831井壁；2刃腳；3隔墻；4井孔；5凹槽；6射水管組；7封底混凝土；8頂板 一、沉井尺寸的確定29u 1沉井的下沉能力驗算u 2刃腳受力計算u 3井壁受力計算u 4底節(jié)沉井驗算u 5混凝土封底及頂板計算二、施工過程中的檢算30u 沉井的下沉能

11、力驗算 QKRm(2.5)fERu hqmi iiqlqlRr 主要為刃腳踏面的正面阻力，其值等于刃腳踏面總面積與地基土極限承載力之積31例4-1 某矩形沉井，長20m，寬18m，高16m，井壁厚度0.8m。設橫隔墻一道，寬18.4m，高13.5m，厚0.5m；豎隔墻兩道，寬16.4m，高13.5m，厚0.5m。刃腳踏面寬度為0.2m。在黏性土中采取排水下沉干封底，試計算沉井下沉到設計標高處的“下沉系數(shù)”。 隔墻井壁3233u 刃腳受力計算（1個三維問題轉為2個二維問題求解）根據(jù)懸臂及水平框架兩者的變位關系得各自的外力分配系數(shù)：4144k10.11.00.05LhL4k44k20.10.05h

12、hL L1，L2支承于隔墻間的井壁最大和最小計算跨度； hk刃腳斜面部分的高度。 刃腳受力豎向受力（懸臂梁）橫向受力（水平框架）向外撓曲向內(nèi)撓曲34wae1TWEwae1V2VVRabgQMNU1.0mhk（1）刃腳豎向受力分析 一般可取單位寬度井壁，將刃腳視為固定在井壁上的懸臂梁，分別按刃腳向外撓曲和向內(nèi)撓曲兩種最不利情況分析。 刃腳向外撓曲受力分析3536 外側的土、水壓力合力(W+E)wae1TWEwae1V2VVRabgQMNU1.0mhk刃腳豎向受力分析（向外撓曲）k2e we wppWEh3637wae1TWEwae1V2VVRabgQMNU1.0mhk刃腳豎向受力分析（向外撓曲）

13、-1 土的豎向反力Rv0RGT 3738wae1TWEwae1V2VVRabgQMNU1.0mhk刃腳豎向受力分析（向外撓曲）-2 土的豎向反力R的分解 1v22aVRab2v2bVRab2tanUV3839wae1TWEwae1V2VVRabgQMNU1.0mhk刃腳豎向受力分析（向外撓曲） 刃腳外側高度上的摩阻力T1 39wae1TWEwae1V2VVRabgQMNU1.0mhk刃腳豎向受力分析（向外撓曲） 刃腳單位寬度自重g kk2agh求各力對刃腳根部中心軸的力臂，從而求得總彎矩M，豎向力N及剪力Q； 驗算刃腳根部應力，配豎向鋼筋。40求各力對刃腳根部中心軸的力臂，從而求得總彎矩M，豎

14、向力N及剪力Q； 驗算刃腳根部應力，配豎向鋼筋。刃腳豎向受力分析（向內(nèi)撓曲） 最不利位置是沉井已下沉至設計標高，刃腳下土體已挖除而尚未澆筑封底混凝土，此時可將刃腳視為固定在井壁上的懸臂梁 141（2）刃腳水平受力計算 當沉井下沉至設計標高，刃腳下土已挖除但未澆筑封底混凝土時，刃腳所受水平壓力最大，處于最不利狀態(tài)。此時可將刃腳視為水平框架進行計算。 作用于刃腳上的外力與計算刃腳向內(nèi)撓曲時一樣，但所有水平力應乘以分配系數(shù)，以此求得水平框架的控制內(nèi)力，再配置刃腳所需的水平鋼筋。 2116qlM 22qlN 12qlQ 42u 井壁受力計算（1）井壁豎向拉應力驗算 22xGxGxShhmax4GS43（2）井壁水平受力計算 當沉井沉至設計標高，刃腳下土已挖除而尚未封底時，井壁承受的土、水壓力為最大，此時應按水平框架分析內(nèi)力，驗算井壁材料強度，其計算方法與刃腳框架計算相同。 1m1m1m1m地面 1mea1m井壁框架受力示意圖44u 底節(jié)沉井的豎向撓曲驗算 底節(jié)沉井支點布置示意圖(a)(b)(c)bll0.150.700.15llll0.50.5排水挖土下沉不排水挖土下沉不排水挖土下沉45u 混凝土封