第五章 沉井基礎(chǔ)

第五章沉井基礎(chǔ)

土木工程本科生專(zhuān)業(yè)課程——基礎(chǔ)工程主要內(nèi)容5.1天然地基上深基礎(chǔ)的修筑方法5.2沉井的類(lèi)型和構(gòu)造5.3沉井的施工方法5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算5.1天然地基上深基礎(chǔ)的修筑方法概述基礎(chǔ)埋深施工難度施工安全系數(shù)水中施工需采用特殊的處理方式需更多更強(qiáng)的支撐結(jié)構(gòu)施工困難造價(jià)上升沉井基礎(chǔ)沉箱基礎(chǔ)新方法施工方法制作井筒挖土下沉到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高封底填充制蓋修筑上部結(jié)構(gòu)5.1天然地基上深基礎(chǔ)的修筑方法特點(diǎn)施工過(guò)程：沉井擋土、擋水，起臨時(shí)圍堰作用運(yùn)營(yíng)階段：深埋的實(shí)體基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)剛度大、橫向抗力大、抗震性能較好機(jī)具簡(jiǎn)單、施工方便5.1天然地基上深基礎(chǔ)的修筑方法5.1天然地基上深基礎(chǔ)的修筑方法5.2沉井的類(lèi)型和構(gòu)造5.3沉井的施工方法5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算主要內(nèi)容5.2沉井的類(lèi)型及構(gòu)造5.2.1沉井類(lèi)型按下沉方法一般沉井浮運(yùn)沉井按沉井材料混凝土沉井鋼筋混凝土沉井鋼沉井其他沉井1——井壁2——刃腳3——隔墻4——井孔5——凹槽6——射水管7——封底8——頂蓋5.2沉井的類(lèi)型及構(gòu)造5.2.2沉井構(gòu)造1平面形狀平面形狀圓形沉井矩形沉井圓端形沉井①受力性能好，充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度②挖土方便，下沉均勻，易于控制方向③基底σmax>同面積的矩形①制造方便，下沉方向不易控制②能充分利用地基承載力①介于前兩者之間5.2沉井的類(lèi)型及構(gòu)造5.2沉井的類(lèi)型及構(gòu)造2平面尺寸★頂面尺寸：大于墩底尺寸★底面尺寸：由地基承載力確定3沉井高度★頂面標(biāo)高H1：低于最低水位或低于地面★底面標(biāo)高H2：由最小埋深和地基承載力確定★沉井高度H:H=H1-H2●高沉井可分節(jié)制造：每節(jié)高不大于5~6m，首節(jié)不大于4~6m●第二節(jié)沉井過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致沉井下沉發(fā)生傾斜以及使下沉不深的首節(jié)沉井發(fā)生問(wèn)題5.2沉井的類(lèi)型及構(gòu)造4井孔設(shè)置及大小★設(shè)置目的：排土★平面尺寸：挖土機(jī)具能順利通過(guò)，對(duì)稱(chēng)布置★設(shè)置方式:單孔、雙孔及多孔5井壁應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和重量豎直形臺(tái)階形斜坡形易于控制方向，但阻力大，不易下沉臺(tái)階寬度10~20mm多設(shè)在沉井分節(jié)處有利下沉但易偏斜100：1至50：15.2沉井的類(lèi)型及構(gòu)造6隔墻★作用：①減小受彎跨度，提高沉井剛度，降低沉井應(yīng)力②均勻挖土，控制下沉方向，不致傾斜★特點(diǎn)：①厚0.8~1.2m，底面高出刃腳踏面不小于0.5m②h較大時(shí)，設(shè)梗肋于隔墻底部與刃腳連接處③排水下沉，隔墻底留1.0-1.2m2過(guò)人通道④設(shè)置透水孔，一般20-20cm2，設(shè)置在隔墻上部離頂部2~3m5.2沉井的類(lèi)型及構(gòu)造7射水管組★作用：①利用高壓水流沖松井壁四周的土，降低側(cè)阻力端阻力②控制水量、水壓大小，調(diào)整下沉方向5.2沉井的類(lèi)型及構(gòu)造8探測(cè)管組★作用：①探測(cè)刃腳和隔墻底面下的泥面標(biāo)高②清基射水或破壞沉井正面土層以利下沉③沉井水下封底后，可作為刃腳或隔墻下封底混凝土的質(zhì)量檢查孔★使用條件：平面尺寸大，不排水下沉較深的沉井5.2沉井的類(lèi)型及構(gòu)造9凹槽★作用：①使封底混凝土更好的與井壁聯(lián)結(jié)②如將沉井改為沉箱，凹槽處可制作箱頂10井頂圍堰★作用：防止井頂以上的土，水落入井內(nèi)11封底混凝土12頂蓋受力和穩(wěn)定條件確定是否填充厚度由計(jì)算確定5.1天然地基上深基礎(chǔ)的修筑方法5.2沉井的類(lèi)型和構(gòu)造5.3沉井的施工方法5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算主要內(nèi)容江陰長(zhǎng)江公路大橋

北錨碇采用大型深沉井基礎(chǔ)，平面尺寸為69米×51米，下沉58米，為世界第一大沉井(面積近９個(gè)半籃球場(chǎng)，高度相當(dāng)于２２層樓)。世界第一大沉井南岸重力嵌巖錨北岸南岸5.3沉井的施工5.3.1陸地沉井的施工場(chǎng)地準(zhǔn)備立模、綁扎鋼筋墊木法無(wú)墊木法土模法方法填土內(nèi)模挖土內(nèi)模5.3沉井的施工墊木布置示意圖挖土內(nèi)模5.3沉井的施工澆筑混凝土對(duì)稱(chēng)均勻地進(jìn)行，防止不均勻沉降引起沉井開(kāi)裂，且盡量一次性澆筑拆除模板和墊木★模板拆除時(shí)間：側(cè)面直立模板≥設(shè)計(jì)強(qiáng)度25%刃腳斜面、隔墻底面≥設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%墊木=設(shè)計(jì)強(qiáng)度★墊木拆除順序：先內(nèi)壁，后外壁；先短邊，后長(zhǎng)邊長(zhǎng)邊下的墊木是隔一根撤一根，以定位墊木為中心，由遠(yuǎn)而近地對(duì)稱(chēng)拆除5.3沉井的施工挖土下沉接筑沉井地基檢驗(yàn)和處理井底填充制作頂蓋★排水挖土下沉：無(wú)地下水或土層滲水量較小且穩(wěn)定★不排水挖土下沉：與上述情況相反為避免沉井發(fā)生傾斜，挖土應(yīng)分層均勻進(jìn)行先挖井孔中心，再挖隔墻下，后挖刃腳下土5.3沉井的施工5.3.2水中沉井的施工筑島法在河流淺灘或水位不深水流速度不大時(shí)采用5.3沉井的施工浮運(yùn)法浮運(yùn)沉井下水雙壁浮運(yùn)沉井帶氣筒浮運(yùn)沉井帶臨時(shí)性井底浮運(yùn)沉井在深水河道中，水流速度較大，人工筑島有困難時(shí)5.3沉井的施工①沉井傾斜★偏挖土：在下沉少的一側(cè)多挖土，下沉多的一側(cè)少挖土或不挖土★偏壓重：在井頂不對(duì)稱(chēng)加重，不對(duì)稱(chēng)射水，或在井頂施加水平力將沉井扶正★在沉的少的一側(cè)挖土，底面灌注膨潤(rùn)土泥漿，以減小井壁與土之間的摩擦力5.3沉井的施工5.3.3沉井下沉問(wèn)題及處理方法②沉井偏移★先偏挖土使之傾斜，再均勻挖土至井底中心接近設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，再糾傾斜5.3沉井的施工③難沉問(wèn)題井底有障礙物井壁阻力過(guò)大④突沉問(wèn)題高壓射水法泥漿套法空氣幕法炮震法主要發(fā)生在軟土地區(qū)，可加寬刃腳踏面解決★清除障礙物★加重法★減小井壁摩阻力5.3沉井的施工5.1天然地基上深基礎(chǔ)的修筑方法5.2沉井的類(lèi)型和構(gòu)造5.3沉井的施工方法5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算主要內(nèi)容5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算5.4.1集資料設(shè)計(jì)資料：①上部結(jié)構(gòu)、墩臺(tái)類(lèi)型及尺寸、沉井基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)荷載②水文、地質(zhì)資料等設(shè)計(jì)內(nèi)容：①作為基礎(chǔ)本身的檢算，深埋剛性基礎(chǔ)②沉井結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算施工過(guò)程中沉井所受到的外力及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算5.4.2沉井各部尺寸的擬定包括沉井高度及分節(jié)平面形狀及尺寸井孔布置及大小刃腳形狀及尺寸封底及頂蓋厚度上部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)荷載的大小水文、地質(zhì)情況沉井構(gòu)造及施工方法依據(jù)5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算5.4.3沉井的檢算作為整體深基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算埋深較小，不考慮基礎(chǔ)側(cè)面土的橫向抗力，按淺基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算埋深較大，需要考慮基礎(chǔ)側(cè)面土的橫向抗力，按剛性樁進(jìn)行計(jì)算5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算Ⅰ非巖石地基上沉井基礎(chǔ)的計(jì)算如右圖所示，在橫向力H和M的作用下，基礎(chǔ)將沿軸線上的a點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為ω則在z深度處基礎(chǔ)的橫向位移為——a點(diǎn)的深度則在z深度處基礎(chǔ)側(cè)面土的橫向抗力為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)引起基礎(chǔ)底面邊緣的豎向位移為5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算相應(yīng)的基底反力為對(duì)a點(diǎn)取矩有忽略基礎(chǔ)側(cè)面和底面的摩擦力，由水平方向的力平衡方程有5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算則在z深度處基礎(chǔ)的彎矩為5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算同時(shí)考慮豎向力N時(shí)，基礎(chǔ)底面的豎向應(yīng)力為Ⅱ嵌入巖層的沉井基礎(chǔ)的計(jì)算①基礎(chǔ)繞底面中心點(diǎn)a轉(zhuǎn)動(dòng)，并假設(shè)a點(diǎn)的坐標(biāo)為z0=l②忽略巖面以下基礎(chǔ)側(cè)面的橫向抗力P引起的彎矩則基礎(chǔ)側(cè)面土的橫向抗力為5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)a點(diǎn)取矩可以得到基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角為則在z深度處基礎(chǔ)的彎矩為由水平方向的力平衡條件可得若P為負(fù)，則說(shuō)明其作用方向與圖示方向相反5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算Ⅰ沉井自重的計(jì)算①下沉系數(shù)K1G——沉井自重B——水的浮力Rf——井壁摩阻力5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算②下沉穩(wěn)定系數(shù)R1——刃腳下土的支持力R2——隔墻下土的支持力③抗浮安全系數(shù)K2B1——封底后水的浮力5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算Ⅱ刃腳計(jì)算①刃腳向外撓曲的計(jì)算●計(jì)算刃腳外側(cè)的土壓力E’和水壓力W’●計(jì)算井壁自重G’●計(jì)算刃腳自重g●計(jì)算土對(duì)刃腳外側(cè)的摩擦力T●計(jì)算刃腳下土的抗力●計(jì)算刃腳根部的截面內(nèi)力●根據(jù)截面內(nèi)力進(jìn)行鋼筋計(jì)算5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算②刃腳向內(nèi)撓曲的計(jì)算沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高刃腳下的土掏空且未澆筑混凝土井壁外側(cè)作用最大的水、土壓力忽略刃腳自重和土的摩阻力影響各水平外力應(yīng)乘以分配系數(shù)α5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算要點(diǎn)③刃腳水平受力分析計(jì)算要點(diǎn)計(jì)算圖式為一閉合的水平框架沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高刃腳下的土掏空且未澆筑混凝土框架上的力等于作用在刃腳上的水平力乘以分配系數(shù)β5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算Ⅲ井壁計(jì)算①豎向撓曲計(jì)算5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算排水挖土下沉5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算不排水挖土下沉5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算②井壁豎向拉力計(jì)算由豎向力平衡方程有假設(shè)該等截面沉井自重為G，沉井入土深度為h,U為井壁周長(zhǎng)，為地面處井壁單位摩阻力，為距刃腳底x處的摩阻力距離刃腳底x處的拉力為5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算③井壁水平受力分析5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算Ⅳ封底混凝土厚度計(jì)算封底混凝土看作支撐在凹槽，按周邊支撐的雙向板或圓板計(jì)算封底混凝土按受剪計(jì)算：封底混凝土在井孔范圍內(nèi)荷載作用下，有沿刃腳斜面高度截面剪斷的可能封底混凝土剪應(yīng)力計(jì)算圖5.4沉井的設(shè)計(jì)計(jì)算Ⅴ