沉井基础(成人教育铁路桥梁基础)

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6.2 沉井基础的类型和构造
6.2.1 沉井基础的类型
（1）按施工方法分
一般沉井：直接在基础设计的位置上制造，然 一般沉井：直接在基础设计的位置上制造， 后挖土下沉的沉井。当基础位于水中而水深不 后挖土下沉的沉井。 大时，也可先人工筑岛， 大时，也可先人工筑岛，再在岛上修筑沉井并 下沉到位。 下沉到位。 浮运沉井：先在岸边制造， 浮运沉井：先在岸边制造，再浮运就位下沉的 沉井。通常在深水地区（如水深大于10m）， 沉井。通常在深水地区（如水深大于 ）， 或水流流速大，或有通航要求， 或水流流速大，或有通航要求，人工筑岛困难 或不经济时，可采用浮运沉井。 或不经济时，可采用浮运沉井。
宝山钢铁厂取水泵房工程
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6.1.2 沉井的特点
(1)优点： (1)优点： 优点
• ①埋置深度大，整体性强、稳定性好，能承受 埋置深度大，整体性强、稳定性好， 较大荷载 • ②下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁， 下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁， 简化了施工 • ③沉井施工时对邻近建筑物影响较小
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采用沉井基础的结构物
主跨1385m 主跨
国 内
江阴长江公路大桥（1994～1999年 江阴长江公路大桥（1994～1999年）
3
北岸锚锭的沉井平面尺寸 69m×51m，埋深58m 58m， 69m×51m，埋深58m，国内 平面尺寸最大的沉井基础
北岸
南岸
4
南京长江大桥（ 南京长江大桥（1960～1968年） ～ 年
沉井下沉深度达54.87米 沉井下沉深度达54.87米 54.87
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国外采用沉井基础的桥梁
日本明石海峡大桥（1988～1998）
最大施工水深60m，两主 塔分别采用直径80m*高 70m和78m*67m的浮式钢 壳沉井，壁厚12m，分为 16个舱，是目前规模最 大的桥梁沉井基础
6
使用沉井基础的其他结构物
1 4 6 5 2
8
3
7
图6-4 沉井的一般构造 井壁； 刃脚； 1－井壁；2－刃脚；3－隔 井孔； 凹槽； 墙；4－井孔；5－凹槽； 射水管组； 6－射水管组；7－封底混凝 土；8－顶板
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浮运沉井的构造
钢气筒 单壁钢壳 探测管 竖向框架 内井壁板 隔板 双壁钢沉 井底节 竖直框架 外井壁板 井孔 内井壁板 隔板 单壁钢壳 钢气筒 探测管 水平圆环 内壁板 竖直肋骨角钢 双壁钢壳细部结构 外井壁板 底板 圆环内弦杆 外壁板 竖直肋骨角钢 圆环外弦杆 圆环缀角
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刃脚竖向受力 向外挠曲分析源自② 土的竖向反力Rν的分解 将Rν分解为作用在踏面下的竖向土反力Rv1和刃脚斜面下的竖向土反 v1和刃脚斜面下的竖向土反 为均匀分布， 力Rv2，且假定Rv1为均匀分布，Rv2和水平反力RH均呈三角形分布
Rv1 = 2a Rv 2a + b
Rv2 =
b Rv 2a + b
pe+w =
pe2 +w 2 + pe3 +w 3 2
hk
注：计算所得刃脚外侧的土、水压力的合力不得大于静 计算所得刃脚外侧的土、 水压力的70% 否则按静水压力的70%计算。 70%， 70%计算 水压力的70%，否则按静水压力的70%计算。
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刃脚竖向受力 向外挠曲分析
② 土的竖向反力Rν
Rv = G − T0
>0.5m
45°
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（3）隔墙：增加沉井刚度， ）隔墙：增加沉井刚度， 多个施工井孔(取土井 取土井)， 多个施工井孔 取土井 ，挖土 均衡； 均衡；隔墙的间距一般不大于 5~6m，厚度一般为 ，厚度一般为0.5~1.0m 挖土运土通道。 （4）井孔 ：挖土运土通道。 ） 最小边长不宜小于3m， 最小边长不宜小于 ，对称 布置，以便对称挖土， 布置，以便对称挖土，保证沉 井能均匀下沉。 井能均匀下沉。 （5）凹槽：底板与井壁有更 ）凹槽： 好联结，底距刃脚踏面2.5m， 好联结，底距刃脚踏面 ， 槽高约1.0m ，凹入深度 槽高约 150~300mm
RH = Rv2 tan (θ − δ )
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刃脚竖向受力 向外挠曲分析
③ 刃脚外侧高度上的摩阻力T1
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刃脚竖向受 力向外挠曲 分析
④ 刃脚单位宽度自重g
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求各力对刃脚根部中心轴的力臂， 求各力对刃脚根部中心轴的力臂，从而求得总 弯矩M，竖向力N及剪力 弯矩 ，竖向力 及剪力Q 及剪力
8
(2)缺点： (2)缺点： 缺点
①施工期较长 ②施工技术要求高，施工中易发生流砂造成沉井 施工技术要求高， 倾斜或下沉困难等
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6.1.3 沉井基础的适用条件
(1)上部荷载较大，扩大基础开挖工作量大支撑困难， (1)上部荷载较大，扩大基础开挖工作量大支撑困难， 上部荷载较大 采用沉井基础经济上较为合理 (2)河水较深， (2)河水较深，采用扩大基础施工围堰制作有困难 河水较深 (3)山区河流，冲刷大/ (3)山区河流，冲刷大/有较大卵石不便桩基础施工 山区河流
挖土下沉 否 是否接筑井筒 是 接筑井筒 沉至设计标高否？ 否 挖土下沉 否 挖土下沉 是
沉至设计标高否？ 是 检验并清理井底地基
灌注封底混凝土
是否填充井孔？
填充井孔
浇筑顶盖
施工完毕
图6-9 沉井施工流程图
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6.3.2 减少井壁摩阻力的方法
高压射水： 高压射水：利用高压水流的冲击力冲 松井筒四周的土层， 松井筒四周的土层，射水管路可以预 埋在井壁内， 埋在井壁内，也可在下沉时插入井壁 与土之间。 与土之间。 泥浆套法： 泥浆套法：下沉时通过预埋的管路把 特制的泥浆泵入井壁与土层之间， 特制的泥浆泵入井壁与土层之间，在 井筒四周形成泥浆套， 井筒四周形成泥浆套，使土层对井壁 的磨擦变成泥浆对井壁的摩擦， 的磨擦变成泥浆对井壁的摩擦，从而 减小井壁上的摩擦力。 减小井壁上的摩擦力。 空气幕法： 空气幕法：下沉时向管路系统输送压 缩空气， 缩空气，高压气流从气龛底的小孔喷 出并沿井壁外表上升， 出并沿井壁外表上升，在井筒周围形 成空气幕， 成空气幕，同时借助于气流的冲击力 使井筒周围的土体松动或液化以达到 减小摩擦力的目的。 减小摩擦力的目的。
根据悬臂及水平框架两者的变位关系得各自的外力分配系数： 根据悬臂及水平框架两者的变位关系得各自的外力分配系数：
4 0.1L1 α= 4 ≤ 1.0 4 hk + 0.05L1
4 0.1hk β= 4 hk + 0.05L4 2
L1，L2——支承于隔墙间的井壁最大和最小计算跨度； hk——刃脚斜面部分的高度 32
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（1）井壁：足够的强 ）井壁： 足够的重量； 度、足够的重量；井壁 厚度一般为0.8~1.5m。 厚度一般为 。 （2）刃脚 ：减少下沉 ） 阻力 ，宽0.1～0.2m ， ～ 高约1.5m，内侧倾角 高约 ，内侧倾角45 度～60度 度
角钢
0.15m
0.8-1.5m
>0.5m
图6-5 刃脚构造示意
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6.3 沉井的施工
6.3.1 一般沉井的施工过程
图6-7 沉井施工顺序示意 （a）制作第一节沉井；（b）抽垫挖土下沉；（c）沉井接高下沉；（d）封底 制作第一节沉井；（b 抽垫挖土下沉；（c 沉井接高下沉；（d ；（ ；（ ；（
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大型沉井下沉施工中
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1．清整场地 ． 2．制作第一节沉井：在刃 ．制作第一节沉井： 脚处对称地铺满垫木 ，然 后立内模，绑扎钢筋， 后立内模，绑扎钢筋，再立 外模并浇筑第一节沉井 3．拆模及抽垫 ． 4．挖土下沉 ． 5．接高沉井 ：当第一节沉 ． 井下沉至一定深度（ 井下沉至一定深度（井顶露 出地面不小于0.5m，或露 出地面不小于 ， 出水面不小于1.5m）时应 出水面不小于 ） 停止挖土并接筑下节沉井。 停止挖土并接筑下节沉井。
刃脚下木垫板
桥中线 枕木
Ⅰ-Ⅰ剖面
Ⅱ-Ⅱ剖面
图6-8 垫木布置实例
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制造井筒
6．设置井顶防水围堰： ．设置井顶防水围堰： 若沉井顶面低于地面或 水面， 水面，应在井顶接筑临 时性防水围堰， 时性防水围堰，围堰的 平面尺寸略小于沉井的 外围尺寸， 外围尺寸，其下端与井 顶上的预埋件相连。 顶上的预埋件相连。 7．基底检验和处理 ． 8．沉井封底 ． 9．井孔填充和顶板浇 ． 筑
钢气筒底
图6-6 带钢气筒的浮运沉井 19
双壁钢壳底节浮式沉井， 双壁钢壳底节浮式沉井，是近年来桥梁工程中广 泛应用的沉井基础，特别是在深水流急的河段。 泛应用的沉井基础，特别是在深水流急的河段。 它可在工厂分段制做，现场拼装成型， 它可在工厂分段制做，现场拼装成型，下水浮运 到位下沉。 到位下沉。
设计内容
施工期要求 运营期要求
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6.4.1 沉井尺寸的确定
1 8
沉井的高度和分节 沉井的平面形状和尺寸 取土井孔的布置和大小 井壁的厚度 刃脚的形状和尺寸 封底混凝土和顶盖的厚度
4 6 5 2 7
图6-4 沉井的一般构造 井壁； 刃脚； 隔墙； 1－井壁；2－刃脚；3－隔墙； 井孔； 凹槽； 射水管组； 4－井孔；5－凹槽；6－射水管组； 封底混凝土； 7－封底混凝土；8－顶板
（1）刃脚竖向受力分析 ）
一般可取单位宽度井壁， 一般可取单位宽度井壁，将刃脚视为固定在井壁上的 悬臂梁，分别按刃脚向内 向外挠曲 向内和 挠曲两种最不利情况 悬臂梁，分别按刃脚向内和向外挠曲两种最不利情况 分析。 分析。
图6-12 刃脚向外挠曲受力分析
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刃脚竖向受力 向外挠曲分析
外侧的土、水压力合力p ① 外侧的土、水压力合力 e+w
第6章 沉井基础施工与设计 章
1
6.1 概述
6.1.1 沉井基础的 概念
沉井是井筒状的结构 是以井内挖土， 物，是以井内挖土， 依靠自身重力下沉， 依靠自身重力下沉， 然后混凝土封底， 然后混凝土封底，使 其成为桥梁墩台或其 它结构物的基础。 它结构物的基础。
图6-1 沉井基础示意 （a）沉井下沉 （b）沉井基础
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6.2.2 一般沉井的构造
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
井壁 刃脚 隔墙 井孔 凹槽 射水管组 封底 顶板
1 4 6 5 2
8
3
7
图6-4 沉井的一般构造 1－井壁；2－刃脚；3－隔墙；4－井孔；5－凹槽； 井壁； 刃脚； 隔墙； 井孔； 凹槽； 射水管组； 封底混凝土； 6－射水管组；7－封底混凝土；8－顶板
(a) (b) (c)
b
l
0.15 l
0.70 l
0.15 l
0.5 l
0.5 l
图6-11 底节沉井支点布置示意图
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3．刃脚受力计算：（三维转二维） ． ：（三维转二维 三维转二维）
（1）刃脚竖向受力分析（悬臂梁） ）刃脚竖向受力分析（悬臂梁） （2）刃脚横向受力分析（水平框架） ）刃脚横向受力分析（水平框架）
3
28
6.4.2 施工过程中的检算
1．沉井的下沉能力验算 ． 2．底节沉井的竖向挠曲验算 ． 3．刃脚受力计算 ． 4．井壁受力计算 ． 5．混凝土封底及顶板计算 ．
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1．沉井的下沉能力验算 ．
G K= ≥ 1.15 ~ 1.25 Rf
G－沉井自重 Rf－土对井壁的总摩阻力
30
2．底节沉井的竖向挠曲验算 ．
压入泥浆
泥浆套
（a） 泥浆套
A
150
50
A
30
单位 mm 剖面 A-A
（b） 气龛
150
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6.3.3 下沉时常见问题及处理方法 1．井筒倾斜和偏移 ． 2．刃脚下遇障碍物 ． 3．井壁上的摩擦力过大 ．
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6.4 沉井基础的设计与计算
设计资料
上部结构、 上部结构、墩台类型及基础设计荷载 水文、 水文、地质资料
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（2）按形状分 ）
①按平面形状分
圆形
圆端形
矩形
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②按立面形状分
构造简单，挖土较均匀， 构造简单，挖土较均匀，井壁接 柱形： 长较简单， 长较简单，模板可重复使用
除底节外， 除底节外，其他各节井壁与 土的摩擦力较小， 阶梯形： 土的摩擦力较小，但施工较 复杂， 复杂，消耗模板多 锥形：
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（3）按沉井的建筑材料的分类 ①混凝土沉井 ②钢筋混凝土沉井 ③钢壳沉井
1 4 6 5 2
8
3
7
图6-4 沉井的一般构造 井壁； 刃脚； 1－井壁；2－刃脚；3－隔 井孔； 凹槽； 墙；4－井孔；5－凹槽； 射水管组； 6－射水管组；7－封底混凝 土；8－顶板
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（6）射水管：压入高 射水管： 压水把井壁四周的土冲 松,以减少摩擦力和端 部阻力。 部阻力。 （7）封底 ：防止地下 水渗入井内, 水渗入井内, 浇注的混 凝土底板. 凝土底板. 顶板： （8）顶板：钢筋混凝 土 ，顶盖达设计强度 后方可砌筑墩、 后方可砌筑墩、台及其 它结构