基础工程-沉井基础培训课件

5.3.1 沉井作为整体深基础的计算
沉井作为天然地基基础计算
✓ 地基强度：沉井作为深基础时，一般要求下沉 至坚实土层或岩层上，且地基强度须满足：
F + G ≤ Rj + Rf
式中： F—作用于沉井顶面处荷载 G—沉井自重 Rf—井侧总摩阻力 Rj—沉井底部地基土的总反力 Rj = fa A ( fa为基底土承载力特征值)
墩台顶水平位移
✓墩台顶水平位移：
δ = ( z0h2 ) tanω + δ0
δ0为h2范围内台身弹性挠曲变形引起的墩顶水平位移
0
Hh23 3EI
Mh22 2EI
其中：FH、M为墩顶作用的水平力及弯矩 ✓计入基础实际刚度对地面处水平位移及转角的影响后 (tanω≈ω)，可写为：
δ = (z0 K1+ h2 K2) ω+ δ0
K1
G Rt
1.10 ~ 1.25
G—各种施工阶段沉井的自重；
Rt—沉井井壁土的摩阻力。
• 抗浮稳定系数:当沉井下沉到设计标高，砼封底并做好钢筋
砼顶板、抽除井内积水后，而内部结构及设备尚未安装，井外
地下水位达最高时，应考虑沉井的抗浮稳定，即要求K2：
K 2
G Rt 1.05 P
∑G—沉井结构的自重； P—水对沉井的浮力，等于地下水位以下沉井排开同体积的水重
5. 沉井基础
内容提要
✓ 沉井基础的分类、构造及施工 ✓ 沉井作为整体深基础的计算 ✓ 沉井施工过程的结构强度计算 ✓ 地下连续墙简介
5.1 概 述
沉井：带刃脚的井筒状构造物， 用人工或机械方法清除井内土石， 主要借自重克服井壁与土层摩阻， 逐节下沉至基底设计标高的基础。
图5.1 沉井基础示意
图5.2 沉井的平面形式
5.1.3 沉井基础的构造
沉井组成 ✓ 刃脚 ✓ 井壁 ✓ 内隔墙 ✓ 井孔 ✓ 凹槽 ✓ 封底 ✓ 盖板
图5.3 沉 井 的 一 般 构 造
5.1.3 沉井基础的构造
井壁:沉井主要部分，下沉过程起挡土、挡水及压重 作用，为深基础的护壁和建筑物的基础。
图5.4 沉井立面形状 a) 柱形; b) 阶梯形; c) 阶梯形; d) 锥形
此外，对高而窄的沉井还应验算产生施工容许 偏差时的影响。
5.3.2 沉井施工过程的结构强度计算
第一节井壁的应力验算
✓ 在抽出垫木及挖土可能有不均匀等不利条件下，第一节 井壁在自重作用下应按单支点、简支梁等验算井壁强度。
排水除土下沉
• 不排水除土下沉
图5.19 底节沉井支点布置示意
刃脚计算
考虑下两种最不利情况：
5.3.1 沉井作为整体深基础的计算
✓ 井侧总摩阻力Rf：可假定井侧总摩阻力Rf沿深度成 梯形分布，距地面5m范围内按三角形分布，5m以 下为常数，故总摩阻力为
Rf ＝ U (h－2.5 ) q
式中：
U—沉井周长 q—单位面积摩阻力 加权平均值，可按 表5-1取值。
图5.15 井壁摩阻力分布假设
5.3.1 沉井作为整体深基础的计算
式中C0按桩基计算方法确定，但不 得小于10 m0。
图5.17 非岩石地基计算示意
5.3.1 沉井作为整体深基础的计算
上述各式z0和ω为未知数，可由静力平衡导得：
X 0
FH
h
0 ZX b1dz FH b1m tan
h 0
z
z0
z
dz
0
M 0
h
FHh1
0
zxb1z dz
考虑土体弹性抗力的沉井设计与计算
✓ 基本假定： • 地基土为弹性变形介质，水平向地基系数随深度 成正比例增加(即m法) • 不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力 • 沉井刚度与土刚度之比为无限大，横向力作用下 只产生转动而无挠曲变形
✓ 根据基底地质情况，可分为非岩石地基和基底嵌 入基岩内两种情况分析
5.1.2 沉井的分类
下沉方式：就地制造下沉沉井(一般沉井)、浮运沉井 制作材料：砼沉井，钢筋砼沉井，竹筋沉井(南昌赣江大桥、
白沙沱长江大桥)，钢～,砖石～,木～
外观形状：
✓ 平面: 力求简单对称，利 于受力，便于施工，有圆形、 矩形和圆端形等 ✓ 剖面: 柱形(下沉过程不易 倾斜、井壁接长简单，模板 反复利用)、阶梯形(下沉阻 力小)、锥形(下沉阻力小)
偏斜：沉井偏斜大多发生在下沉不深时，导致偏斜原因有多种； 纠偏方法有：除土、压重、顶部施加水平力
难沉：即沉井下沉过慢或停沉；原因（侧阻过大、踏面过大、 孤石树根等）；解决方法（射水、加重井壁、减小踏面、小型 爆破）
突沉：沉井产生较大的倾斜或超沉，突沉常发生于软土地区； 主要原因是井壁侧阻较小
流砂：在粉、细砂层中下沉沉井，易出现流砂现象；主要原因 是土中动水压力的水头梯度大于临界值；防治措施有：采用井 点降水及不排水除土，或向井内回灌水
zx
h
z
z
FH Dh
基底边缘处压应力
max
min
FV A
FH d
2 D
基底嵌入处水平阻力FR由∑X= 0可得：
FR
h
b1 zxdz FH
0
FH
b1h2 6D
1
地面下深度z处截面上的弯矩为
Mz
FH
h
z
b1FH z3 12Dh
2h
Leabharlann Baidu
z
尚需注意,当基础仅受偏心竖向力FV作用时,λ→∞，上述各式不 能应用。此时应以 M=FV·e 代替上述各式中FHh1，同理可导得 上述两种情况下相应的计算公式。
5.3.1 沉井作为整体深基础的计算
非岩石地基
✓将水平力FH和偏心竖向力FV (=F ＋G)等效为距基底作用高度为 λ的水平力FH，即：
FVe FHl M
FH
FH
✓在FH作用下，沉井将围绕位于地 面下深度z0处点A转动ω角则深度z 处沉井水平位移Δx为：
Δx = ( z0z)·tanω
✓ 沉井平面形状和尺寸 • 沉井平面形状应根据上部建筑物的平面形状决定。 • 为防止下沉过程中少许偏斜对建筑物影响，要求留 襟边，其宽度≮下沉总深度的2%，且不得小于20cm。
✓ 下沉系数K1、抗浮稳定系数K2
• 下沉系数: 确定沉井的外形尺寸和壁厚时，应保证沉井在各 种施工阶段能克服四壁摩阻力R1而顺利下沉，即要求K1：
d W0 2
0
b1为基础计算宽度，W为基底截面模量。联立求解得：
z0
b1h2 4 h 6dW 2 b1h 3 h
, tan 6FH
Amh
其中：
A
b1h3 18Wd
2 3 h
,
Ch mh
C0
C0
5.3.1 沉井作为整体深基础的计算
将此代入上述各式得土体横向抗力：
zx
图5.7 井孔构造示意
5.1.3 沉井基础的构造
凹槽：使封底砼和井壁结合良好
✓ 深约0.15-0.25m，高约1.0m，距刃脚底面一般在1.5m以上
图5.8 凹槽构造示意
5.1.3 沉井基础的构造
封底和盖板： ✓ 封底厚由计算确定，顶面突出刃脚根部不小于0.5m，并达凹 槽上端，砼强度一般地基C20，岩石地基C15。盖板厚一般 1.5～2.0m，井孔充填砼时砼应≥C10。
✓ 刃脚外挠：沉井下沉至一
半深度，上部井壁已全部加
高，刃脚入土1m。此时刃
脚斜面上土的横向推力向外
图5.9 封底和盖板示意
5.2 沉井的施工
旱地沉井施工：平整场地，制造第一节沉井、拆模 及抽垫、挖土下沉、接高沉井、井顶围堰、地基检 验和处理、封底、充填井孔、浇筑顶盖。
水上筑岛：水流速不大，水深≤3～4m时采用，砂岛 应高出施工最高水位0.5m以上，在岛上浇筑沉井。
浮运沉井：水深筑岛困难时采用，岸边制作，滑入 水中，井壁为空体可浮于水面，就位后灌注砼下沉 至河床。
5.1.1 沉井的作用及适用条件
特点 ✓ 下基深，hmax=220m，适用于深水，整体性强， 稳
定性好，承载力大 ✓ 造价高，施工期长，不排水施工时难于克服刃脚下
孤石、沉船、树干等障碍物，易发生流砂现象
适用条件 ✓ 上部荷载较大 ✓ 在山区河流中冲刷大 ✓ 河水较深，采用扩大基础施工围堰有困难
图5.11 沉井垫木 （a）圆形沉井垫木；（b）矩形沉井垫 木
5.2.1 旱地沉井施工
除土下沉
图5.12 除 土 下 沉 示 意
5.2.1 旱地沉井施工
接高沉井 设置井顶防水围堰 基底检验和处理 封底 井孔填充和顶板浇筑
5.2.2 水中沉井施工
水中筑捣
水流速不大，水深 ≤3～4m时采用
✓ 基底嵌入基岩，在水平力和竖直偏心荷 载作用下，可假定基底不产生水平位移， 故旋转中心A与基底中心重合，即z0 = h。 ✓基底嵌入处将存在一水平阻力FR，其对 A点的力矩可忽略不计。由弯矩平衡得：
tan FH mhD
其中 D b1 h3 6Wd 12
图5.18 基底嵌入基岩内计算
土体横向抗力
5.2.1 旱地沉井施工
清理场地 制造第一节沉井
✓ 铺垫木 ✓ 立模板绑钢筋 ✓ 注混凝土、养生 ✓ 拆模及抽垫 ✓ 土内模制造沉井刃脚
图5.10 制造第一节沉井实例
5.2.1 旱地沉井施工
拆模及抽垫
✓ 拆模顺序：井孔模板、外侧模板、隔墙支撑及模板、 刃脚面支撑及模板
✓ 抽垫顺序：内壁、短边及长边下对称同步。长边下隔 1根撤1根，最后以定位桩为中心由远而近对称撤除
K1、K2—水平位移影响系数，根据αh及λ /h查书表5-2。
验算
✓ 横向抗力
• 要求σzx应小于井周土的极限抗力值，而极限抗力以土 压力表示，即：
σzx ≤ PpPa
• 由朗金土压力理论可得：
zx
4
cos
z tan c
• 经验表明最大横向抗力大致在z = h/3和z = h处，故
h
3
x
无围堰防护土岛
有围堰防护土岛
围堰筑岛
图5.13 水中筑岛下沉沉井
5.2.2 水中沉井施工
浮运沉井 ✓水深筑岛困难时采用，岸边制作，滑入水中， 井壁为空体浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。
图5.14 浮运沉井施工示意图
沉井：双壁钢壳
直径21.4米 净高13.6米
5.2.4 沉井下沉所遇问题及处理
图5.5 刃脚构造示意
5.1.3 沉井基础的构造
隔墙：加强沉井整体刚度
✓ 内隔墙的间距一般 不大于5~6m，厚度 一般为0.5~1.0m
✓ 一般要求隔墙底高 出刃脚底面0.5~1.0m
图5.6 隔墙构造示意
5.1.3 沉井基础的构造
孔：挖土排土的工作场所和通道
✓ 位置：取土井的平面布置 应与中轴线对称，以利于沉井 均匀下沉 ✓ 大小：由取土方法而定， 采用挖土斗取土时，应能使挖 土斗自由升降，一般宽度≥3m， 对称布置 ✓ 处理：以素混凝土、片石 混凝土或砌片填充。
图5.16 非岩石地基计算示意
5.3.1 沉井作为整体深基础的计算
沉井受到的横向抗力σzx
σzx = ΔxCz = Cz ( z0z)·tanω
其中： Cz = mz C0 =mh
即土的横向抗力沿深度呈二次抛物 线变化，若基底竖向地基系数C0不 变，沉井底面受到的抗力：
d /2
C01
C0
d 2
tan
5.3 沉井的设计与计算
主要内容：
✓ 拟定外形尺寸、高度、壁厚 ✓ 视为天然地基上深基础的地基强度及变形验算 ✓ 施工阶段刃脚、井壁的强度计算 ✓ 使用阶段井壁及顶板、底板强度计算
5.3.1 沉井作为整体深基础的计算
沉井尺寸设计
✓ 沉井高度 • 沉井底面标高，主要根据上部荷载、水文地质条件 及各土层的承载力等确定。 • 沉井作为基础，其顶面应埋入地面0.2m或地下水位 以下0.5m。
6FH Ah
z z0
z
基底边缘处压应力：
max min
FV A0
3FH d
A
式中A0为基底面积。 离地面下深度z处截面弯矩为：
z
M z FH h z zxb1 z z1 dz1
0
FH
h
z
FH b1 z 3 2hA
2 z0
z
5.3.1 沉井作为整体深基础的计算
基底嵌入基岩内
1
2
4
cos
h 3
tan
c
hx
1
2
4
cos
htan
c
η1— 取决于上部结构形式的系数，一般取η1=1，拱桥η1=0.7；
η2—考虑恒载弯矩Mg对总弯矩M的影响系数，即
2
1 0.8 M g M
✓ 基底应力
要求：
σmax ≤ f ah
✓ 墩台顶水平位移
要求：
0.5 L
（cm）
其中：L为相邻跨中最小跨的跨度（m），当 L<25m，取L＝25m。
✓一般：厚0.8～1.5m，每节高≤5m，砼强度等级≥C15。 • 例：湘江大桥(一桥)8#墩，上节厚2.6m，下节3.0m， 22×12×5m，下沉12.6m
5.1.3 沉井基础的构造
刃脚：井壁下端楔状部 分，利于切入土中加速下 沉
✓ 一般底面(踏面)厚 100～200 mm，以型钢 加强，高1m以上，砼强 度等级≥C20