第3章 沉井基础及其他深基础

4）组合式沉井
当采用低桩承台而围水挖基坑浇筑承台有困难时， 当沉井刃脚遇到倾斜较大的岩层或在沉井范围内地 基土软硬不均而水深较大时，可采用上面是沉井， 下面是桩基的混合式基础，或称组合式沉井。施工 时按设计尺寸做成沉井，下沉到预定标高后，进行 浇筑封底混凝土和承台，在其内预留孔位钻孔灌注 成桩。这种混合式沉井既有围水挡土作用，又作为 钻孔桩的护筒，还可作为桩基的承台。
2
6H z ( z0 z ) Ah
3dH A
当有竖向荷载N及水平力H同时作用时，则基底边缘处的压应力为
p
max min
N 3Hd A0 A
离地面或最大冲刷线以下z深度处基础截面上的弯矩
M Z＝H ( h z ) pzxb1 ( z z1 )dz1
0 z
Hb1Z 3 ＝H ( h z ) (2 z0 z ) 2hA
x ( z0 z) tan pzx xCz mz( z0 z) tan
基底中心处压应力
p d C01 C0
2
d tan 2
在上述三个公式中，有两个未知数z0和 ，要求解其值，可建 立两个平衡方程式，即
ΣX＝0 ΣM＝0
H－ zxb1dz H b1m tan Z (Z0 Z )dZ 0
（2）带气筒的浮运沉井
适用于水深流急的巨型沉井。主要由双壁的沉井底节、单壁钢 壳、钢气筒等组成。双壁钢沉井底节是一个可以自浮于水中的 壳体结构；底节以上的井壁采用单壁钢壳，它一般由6mm厚的 钢板及若干竖向肋骨角钢构成，并以水平圆环作承受壁外水压 时的支撑，钢壳沿高度可分为几节，在接高时拼焊，单壁钢壳 既是防水结构，又是接高时灌注沉井外圈混凝土的模板一部分； 钢气筒是沉井内部的防水结构，它依据压缩空气排开气筒内的 水提供浮式沉井在接高过程中所需的浮力，同时在悬浮下沉中 可以通过给气筒充气或放气及不同气筒内的气压调节使沉井可 以上浮、下浮及调正偏斜，落入河床后如果偏移过大，还可将 气筒全部充气，使沉井重新浮起，重新定位下沉。
1. 沉井作为整体深基础的设计与计算
根据埋置深度可用两种不同的计算方法： 当沉井埋置深度在最大冲刷线以下较浅仅数米时，这时可以 不考虑基础侧面土的横向抗力影响，而按浅基础设计计算规定， 分别验算地基强度、沉井基础的稳定性和沉降，使它符合容许 值的要求； 当沉井基础埋置深度较大时，由于埋置在土体内较深，不可 忽略沉井周围土体对沉井的约束作用，因此在验算地基应力、 变形及稳定性时，需要考虑基础侧面土体弹性抗力的影响。假 定沉井基础在横向外力作用下只能发生转动而无挠曲变形。因 此，可按刚性桩计算内力和土抗力，即相当于“m”法中αh≤2.5 的情况。
二、 沉井的类型和构造
1.沉井的分类 1)沉井按施工方法分类
（1）一般沉井 指就地制造下沉的沉井，这种沉井是在基 础设计的位置上制造，然后控土，靠沉井自重下沉。如基 础位置在水中，需先在水中筑岛，再在岛上筑井下沉。 （2）浮运沉井 在深水区筑岛有困难或不经济，或有碍通 航，当河流流速不大时，可采用岸边浇筑浮运就位下沉的 方法。这类沉井称为浮运沉井或浮式沉井。
2) 沉井按形状分类 （1）按沉井的平面形状 平面形状有：圆形、矩形、圆端形等 井孔的布置方式有：单孔、双孔、多孔。
（2）按沉井的立面形状 主要竖直式、倾斜式及台阶式
3）沉井按建筑材料分类
• • • • 混凝土沉井 钢筋混凝土沉井 竹筋混凝土 钢沉井等。
2.沉井的构造
1)沉井的轮廓尺寸 2)沉井的一般构造
1）非岩石地基上沉井基础的计算
荷载作用情况 水平及竖向荷载作用下的应力分布
沉井基础受到水平力H及偏心竖向力N作用。将水平力H及偏 心竖向力N引起的力矩等效转换成水平力H距离基底的作用：
Ne＋Hl M ＝ H H
先讨论沉井在水平力H作用下的情况，地面下深度z处沉井基 础产生的水平位移Δx和土的横向抗力p zx分别为：
4.在桥梁基础工程中，沉井基础的适用范围
（ 1 ）上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力 不足，做扩大基础开挖工作量大，以及支撑困难， 但在一定深度下有好的持力层，采用沉井基础与其 他深基础相比较，经济上较为合理时； （ 2 ）在山区河流中因冲刷大，或河流中有较大卵 石不便桩基础施工时； （ 3 ）岩层表面较平坦且覆盖层薄，但水位较深， 采用扩大基础施工围堰有困难时。
设计计算的主要构件
井壁
刃脚
a）直壁式
b）台级式
底梁和框架
当不能设置内隔墙而沉井又较大时，常常在沉 井底部增设底梁或因沉井过高，常常在沉井不 同高度处设置纵横梁构成框架结构。
3）浮运式沉井的构造
浮运式沉井有不带气筒的浮运沉井和带气筒的浮运沉井两种。 （1） 不带气筒的浮运沉井
适应于水不太深、流速不大、河床较平、冲刷较小的自然条件。 由钢、木、钢筋混凝土、钢丝网及水泥等材料组合。 ①钢丝网薄壁沉井是由内、外壁组成的空心井壁沉井。沉井的内 外壁及横隔板都是由钢筋钢丝网水泥制成。做法是将若干层钢丝 网均匀地铺设在钢筋网的两侧，外面涂抹不低于40号的水泥砂浆， 使它充满钢筋网和钢丝网之间的空隙并形成1-3mm的保护层。 ②带临时底板的浮运沉井。
2）基底嵌入基岩内的沉井
可以认为基底不产生水平位移，则基础的旋转中心A与基底中 心相吻合，即z0＝h，地面下z深度处产生的水平位移Δx和土的 横向抗力pzx分别为 Δx=(h－z)tg
pzx＝mzΔx ＝mz(h－z)tg
基底边缘处的竖向应力为
d mhd p d C0 tg tg 2 2 2
沉井平面长69米，宽51米，下沉深度为58米，体积20.4 万立方米,列世界最大沉井。 (列世界第２的美国费雷泽诺桥的沉井体积为15万立方米)
大型钢壳沉井
过黄浦江倒虹管沉井
宝山钢铁厂取水泵房工程
2. 沉井基础的特点 (1) 埋置深度大，整体性强、稳定性好，承载面积大，承载 力高(垂直与水平)； (2)既可作基础，又可作施工时的挡土和挡水围堰结构物； (3)施工时对邻近建筑物影响较小； (4)内部空间可进一步利用（矿井的竖井、地下油库等）。 3. 沉井的缺点 (1)施工工期较长； (2)施工技术要求高； (3)施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。
第3章 沉井基础及其他深基础
Chapter 3 Open caisson foundation
and other deep foundation
东北林业大学 土木工程学院 School of Civil Engineering, NEFU
基本要求：
1.要求掌握沉井作为整体深基础的设计计算和作为施工 过程中结构的设计和计算，熟悉沉井基础设计的各项内 容和方法 2.了解沉井基础、墩基础和地下连续墙的施工与工艺方 法。
考虑到转角一般均很小，令tanω =ω ；由于基础的实际刚度并 非无穷大，而刚度对墩台顶的水平位移是有影响的，故需考虑 实际刚度对地面处水平位移的影响及对地面转角的影响，用系 数k1、k2表示，二者是αh和λ/h的函数。
z0 K1 h2 K2 0
对支承在岩石地基上的墩台顶面水平位移为
3.1 概述
一、沉井的作用及适用条件
1. 沉井：是在井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高， 然后经过混凝土封底并填塞井孔，最后成为结构物基础的井筒状结构。
应用范围 桥墩、锚碇、矿用竖井、地下泵房、水池、 油库、地下设备基础、盾构隧道、顶管的工 作井和接收井等。
工程 应用
江 阴 长 江 公 路 大 桥 北 锚 沉 井
3. 沉井下沉过程中遇到的问题及处理
1）沉井发生倾斜和偏移
沉井如发生倾斜，可采用沉井高一侧集中挖土，低的一侧回填砂石；或 在沉井高的一侧加重物或用高压水枪冲松土层。 纠正沉井中心位置发生偏移的方法是先使沉井倾斜，然后均匀除土，使 沉井底面中心线下沉至设计中心线后，再进行纠偏。 刃脚遇到障碍物时，一般采用人工排除。
2）沉井下沉困难
主要是沉井自重克服不了井壁的摩阻力，或刃脚下遇到大的障碍物所致。 解决摩阻力过大致使下沉困难的办法有增加沉井自重和减小井壁摩阻力两 种方法。 （1）增加沉井自重 （2）减小沉井外壁的摩阻力
3）突沉 4）流砂
4.泥浆润滑套与壁后压气施工法
1）泥浆润滑套 把配置好的泥浆灌注在沉井井壁周围，形成井壁与泥浆接触。 泥浆与井壁的摩阻力可降至3-5kPa（一般粘性土为10-50kPa， 砂土为12-25kPa），大大降低了井壁的摩阻力。
b1h2 P＝ b1 pzx dZ H H 1 0 6D
h
地面以下z深度处基础截面上的弯矩为
b1 Hz 3 M Z H ( h z ) (2h z ) 12 Dh
3）墩台顶面的水平位移的计算方法
z0 h2 tan 0
大型沉井下沉施工中
2.水上沉井施工工序：
1) 筑岛法 水深3~4m以内且流速不大时 水上筑岛→岛上制造→挖土 下沉→孔底清查→封底→ 充 填井孔以及浇注顶板。
2)浮运沉井施工 水较深或流速较大时(如大于10米) 岸边制造→牵引滑移或起吊就位→挖土下沉→孔底清查→ 封底→ 充填井孔以及浇注顶板。
3.2 沉井的施工 分旱地施工沉井与水上施工沉井两种情况
1.旱地沉井工序： 清整场地→制造第一节沉井→拆模及抽垫→挖土下沉 → 接高沉井→设置井顶防水围堰→基底检查和处理→ 沉井封底→井孔填充和顶板浇筑
a)制造第一节沉井；b)抽垫木、挖土下沉；c)沉井接高下沉；d)封底
1-井壁；2-凹槽；3-刃脚；4-承垫木；5-素混凝土封底
hK1 h2 K2 0
4）验算
（1） 基底应力验算 （2） 横向抗力验算
pmax [ fa ]
pzx pp-pa
4 pzx ( z tan c) cos
桥梁结构中，最大的横向抗力大致在 z=h/3和z=h处，即
ph 12
由ΣMA＝0
得
tan
H (h h1 ) pzxb1 (h z )dz p d W 0
0 2
h
H mhD
b1 h3 6Wd D＝ 12
进而可得
pzx (h z ) z
pd
2
H Dh
Fra Baidu bibliotek
Hd 2 D
N Hd A0 2 D
pmax
min
根据ΣX＝0，可求出嵌入处未知的水平阻力P
泥浆润滑套射口挡板与内管法压浆管
泥浆润滑套地表围圈
2）壁后压气沉井法 壁后压气沉井法是通过沿 井壁四周预埋的气管中喷 射出的高压气流，气流沿 喷气孔喷出，再沿沉井外 壁上升，形成一圈压气层 （空气帷幕），使井壁周 围土松动，减小井壁摩阻 力，促使沉井顺利下沉。
3.3 沉井的设计与计算
沉井是深基础的一种类型，沉井在施工完毕后，由于它本身 就是结构物的基础，就应按基础的要求进行各项验算；但在 施工过程中，沉井是挡土、挡水的结构物，因而还要对沉井 本身进行结构设计和计算。
① 井壁 厚度0.4～1.2m；承受水土压力。 ② 刃脚 宽度10～20cm ，高度约1.5m（湿封底）或0.6m （干封底），内侧倾角45～60 ；冲切硬土，减 小端部阻力。 ③ 内隔墙 厚度约0.5m，底面高出井壁刃脚踏面0.5～1m， 增加沉井刚度、改善井壁受力条件、挖土均衡， 便于纠偏。 ④ 井孔 宽度（直径）不宜小于3m，挖土、排土场所和通 道。 ⑤井壁凹槽 槽高约1.0m，深度0.15~0.25m，增加封底混凝土、 底版与井壁连接。 ⑥ 预埋射水管 下沉困难时减阻。 ⑦ 封底及顶盖 沉井下沉到设计标高，经检验和坑底清理后浇注 的混凝土底版。分为干封和湿封（水下浇灌混凝 土）两种。盖板厚度一般为1.5~2.0m。
0 0 h h
Hh1 - zxb1Zdz－ d W 0
0
2
h
可得
b1h2 (4 h) 6dW z0 2 b1h(3 h)
tan 12 H (2h 3h1 ) mh( b1h3 18Wd )
Ch mh C0 C0
进而可得
pzx
pd