第五章沉井基础及其他深基础

浮式沉井工程实例
泰州长江公路大桥中塔基础采用的沉井基础 平面尺寸：58.4m×44.4m 高: 76.0m（下层38.0m钢结构+上层38.0m钢筋砼结构）
中交二航局第二工程有限公司
5.2 沉井的施工
三、沉井下沉所遇问题及处理
偏斜：由于土质不均或挖土不均衡，导致沉井偏斜，
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
要求掌握沉井基础的各组成部分及其作用；熟悉沉井的分 类、施工工艺及下沉过程中的问题处理措施；重点掌握沉 井作为整体深基础的设计计算方法；了解墩基础和地下连 续墙的施工工艺和方法。
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， 借助自重等克服井壁摩阻，逐节下 沉至设计标高的基础。
沉井的平面形式
a) 柱形; b) 阶梯形; c) 阶梯形; d) 锥形
5.1 概 述
三、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
沉井的一般构造
5.1 概 述
三、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，并作为深基础的护 壁和建筑物的基础。
5 沉井基础及其他深基础
5.1 概述 5.2 沉井的施工 5.3 沉井的设计与计算 5.4 其他深基础简介
本章提要及要求
重点介绍沉井作为整体深基础时井身内力变形分析方法及 井底应力与井侧土抗力的验算方法；简要介绍沉井基础的 主要构造、施工及其过程中的结构计算，以及墩基础和地 下连续墙的基本构造和施工。
沉井基础示意图
5.1 概 述
一、沉井的作用及适用条件
特点
埋深大(hmax=220m)，适用于深水，整体性强，稳定性好， 承载力大
造价高，施工周期长，不排水施工时难以克服刃脚下的 障碍物，且易发生流砂现象
适用条件
上部荷载较大 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
二、水中沉井施工
水中筑岛
水流速不大，水深≤3～4m时采用
无围堰防护土岛
有围堰防护土岛
围堰筑岛
水中筑岛下沉沉井
5.2 沉井的施工
二、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。
浮运沉井施工示意图
5.2 沉井的施工
二、水中沉井施工
D

b1
h3 6Wd 12
FH
h1
O
x
z
h
zx
A
FR
z
d
d/2
基底嵌入基岩内计算模型
5.3 沉井的设计与计算
一、沉井作为整体深基础的计算
土体横向抗力：
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：
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
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
刃脚构造示意
5.1 概 述
三、沉井基础的构造
隔墙：加强沉井整体刚度
内隔墙间距一般 ≯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
隔墙
隔墙构造示意
5.1 概 述
三、沉井基础的构造
井孔：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
5.3 沉井的设计与计算
一、沉井作为整体深基础的计算
墩台顶水平位移
(z0 h2 ) tan 0
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
井壁为空体可浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。
5.2 沉井的施工
一、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 浇注混凝土、养护 立内模制造沉井刃脚
制造第一节沉井实例
5.2 沉井的施工
一、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
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，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，
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
5.3 沉井的设计与计算
式中，C0按桩基计算方法确定， 但≮10 m0。
非岩石地基计算示意图
5.3 沉井的设计与计算
一、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
不沉或慢沉：即沉井下沉过慢或停沉，常因井侧摩
阻力过大、踏面过大、孤石树根等造成；解决方法（射 水、加重井壁、减小踏面、小型爆破）
5.2 沉井的施工
三、沉井下沉所遇问题及处理
突沉：软粘土中，常因井侧摩阻力小而产生突沉，有
时一次突沉可达3m多。易导致沉井倾斜或超沉。防止措 施：均匀挖土，加大沉井下沉系数，刃脚始终埋于土中； 设置下框架横梁，加宽刃脚踏面宽度等。
一、沉井作为整体深基础的计算
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
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
5.3 沉井的设计与计算
一、沉井作为整体深基础的计算
沉井作为天然地基基础计算
地基强度验算：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
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
5.3 沉井的设计与计算
一、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。 井顶应埋入地面以下0.2m或地下水位以下0.5m。
沉井平面形状和尺寸
平面形状根据上部建筑物的平面形状决定。 为防止下沉过程中的偏斜，应设置襟 边，其宽度≮沉 井全高2%，且不得小于0.2m，浮运沉井另加0.2m。井顶 需设围堰时襟边宽度应满足安装墩台身模板的需要。
5.3 沉井的设计与计算
一、沉井作为整体深基础的计算
沉井受到的横向抗力σzx
zx =xCz =Cz (z0 -z) tan
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
一、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) 等效为距基底高为λ的水平力FH，即
FVe FHl M
FH
FH
FH作用下，沉井绕深度z0处点A转动 ω角则深度z处沉井水平位移Δx为
x (z0 z) tan
非岩石地基计算示意图
h
FHh1
0
zxb1z dz
d W0 2

0
b1为基础计算宽度，W为基底截面模量。联立求得：
z0


b1h2 4 h 6dW 2 b1h 3 h
, tan 6FH
Amh
其中： A
b1h3 18Wd
2 3 h
,
Ch mh
5.1 概 述
二、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)，钢沉井,砖石沉井,木沉井
5.1 概 述
二、 沉井的分类
外观形状
平面: 圆形、矩形和圆端形等 剖面:柱形(下沉不易倾斜、井 壁接长简单，模板反复用)、阶梯 形(阻力小)、锥形(阻力小)
井孔
井孔构造示意
5.1 概 述
三、沉井基础的构造
凹槽：使封底砼和井壁结合良好
保证沉井封底时井壁与 封底混凝土结合良好
深约0.15-0.25m，高 约1.0m，距刃脚底面一般 在1.5m以上
凹槽
凹槽构造示意Baidu Nhomakorabea
5.1 概 述
三、沉井基础的构造
封底和盖板
封底厚度由计算确定，顶面突出刃脚根部≮0.5m，并达凹 槽上端，砼强度一般地基C25，岩石地基C20。盖板厚一般 1.5～2.0m，井孔充填砼时砼应≥C15。
0

FH


h

z

FH b1 z 3 2hA
2 z0

z
5.3 沉井的设计与计算
一、沉井作为整体深基础的计算
基底嵌入基岩内
此时在水平力和竖直偏心力作用 下，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。但 基底嵌入处将存在一水平 阻力FR，同理可得：
tan FH mhD
一般：厚0.8～1.5m，每节 高≤5m，砼强度等级≥C20， 浮运沉井时不低于C25。 （湘江大桥8#墩，上节厚 2.6m，下节3.0m， 22×12×5m，下沉12.6m）
井壁
沉井的一般构造
5.1 概 述
三、沉井基础的构造
刃脚：井壁下端楔状部分，
便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≥C25
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
z
尚需注意，当基础仅受FV作用时, λ→∞, 上述各式不能应用。 此时应以 M=FVe 代替各式中的FHh1，同理可得相应公式。
抽垫顺序：内壁、短边 及长边对称同步。长边 下隔1撤1，最后以定位 桩为中心由远而近对称 撤除
沉井垫木 (a)圆形沉井; (b)矩形沉井
5.2 沉井的施工
一、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
a)
b)
c)
沉井施工顺序示意图
d)
5.2 沉井的施工
5.3 沉井的设计与计算
一、沉井作为整体深基础的计算
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：
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。
5.3 沉井的设计与计算
5.3 沉井的设计与计算
一、沉井作为整体深基础的计算
井侧总摩阻力Rf：假定Rf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
U—沉井周长 q—单位面积摩阻力 加权平均值(表5-1)。
井壁摩阻力分布假设
5.3 沉井的设计与计算
一、沉井作为整体深基础的计算
C0
C0
5.3 沉井的设计与计算
一、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

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