桥梁基础工程-沉井

-4.0
局部冲刷线 黏砂土 γ＝20kN/m3 φ＝26o q＝14kPa m=20000kPa/m2
第三节沉 井
10.0
第二节沉 井
-14.0
粗砂夹卵石(密） γ＝21kN/m3 φ＝35o q＝17kPa m=50000kPa/m2 mo=50000kPa/m2
6.0
第一节沉 井
5.0
5.0
，墩底标高为-0.3m，拟采用沉井基础，沉
井底反力产生的弯矩
1 M h W dC0 2
3. 转角和转动中心位置
4. 井身弯矩
b0m y2 M y M y H (2 y0 y) 12

①、②联立求 解后，得
12(2 Hh 3M ) mb0 h 4 18WC0 d
b0 mh3 (4M 3Hh) 6HC0 dW y0 2b0 mh2 (3M 2Hh)
钢气筒底
底板 圆环内弦杆 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 井孔 内井壁板 隔板 单壁钢壳 钢气筒 探测管 水平圆环
竖
4.3 沉井的施工（一般沉井）
4.3.1 施工过程
1. 平整场地 3. 拆模及抽垫 4. 挖土下沉 5. 接高沉井 6. 设置井顶防水围堰 (a) 7. 基底检验和处理 (a) 8. 沉井封底 9. 井孔填充和顶板浇注
3．井壁受力计算 （1）竖向受拉计算 沉井下部悬空，由井壁摩擦力支承， 并由此因自重在井壁内产生拉应力。 由平衡条件，得拉力 Sx Gx / h Gx2 / h2 解得 Smax G / 4 据此沿井壁纵向配置抗拉钢筋。 （2）水平受力计算 1）下沉到设计深度且刃脚下的土被掏空时。 2）取各节最下面的1m以土、水压力计算内力。 底节还应计入 刃脚传来的水平剪力作为荷载。 3）按水平框架计算弯矩等内力。 4）按弯矩配置水平受弯钢筋。
沉井转动产生的水平位移 墩身挠曲产生的水平位移
• 例4-3
H M
中某墩为圆端形，墩底截面宽3.5m，长6.8m
-0.30
4.0
井底标高为-16.30m，沉井自重14000.8kN， 若计浮力作用，沉井自重为7910kN。该桥墩 工水位1.40m，一般冲刷线标高-1.0m，局部 冲刷线标高为-4.00m。墩址处土层资料如图 4-25所示。沉井拟用筑岛施工，筑岛用土的 物性资料示于图上。 墩底荷载如下表（其余 荷载组合检算从略）。试进行该沉井基础使 墩址处河床标高0.00m，最低水位0.40m，施
2. 沉井下端嵌入岩石 假设转动中心位于底端，则 水平抗力
地面或局 部冲刷线
x (h y)my
h
H
x
令y0=h，由前述转角和弯矩
x
计算公式得到
12( M Hh) 转角 b0 mh4 6C0 dW
d
转动中心岩石
my 2 井身弯矩 M y M y H b0 (2h y ) 12
4）刃脚自重
b
hk
（2）向内挠曲 1）下沉到设计深度且刃脚下 的土被掏空时。 2）受力计算参见向外挠曲时。
1
3）计算并配置内侧竖向受弯钢筋。 （3）水平受力计算 1）下沉到设计深度且刃脚下 的土被掏空时。 2）沉井所受荷载为
向内挠曲
q (W E)
3）计算弯矩等内力，根据弯 矩配置水平钢筋。
以y=h/3及y=h处为验算截 面，则有 （3）墩台顶面水平位移验算
h 1 2
3
h ( Kp Ka ) 2c( K p Ka ) 3
h 1 2 h( K p Ka ) 2c( K p K a )


k1 y0 k2l 0
第4章 沉井基础
4.1 概 述
4.1.1 沉井的基本概念
• 类型 一般沉井 （常用） 浮运沉井 • 一般沉井的施工过程 制作第一节沉井
(a)
一般沉井
抽垫挖土下沉
(b) (c)
沉井接高下沉
(d)
封底
4.1.2 特 点
（1）整体刚度大，承载力较高，稳定性好。 （2）适用土质范围广（如淤泥、砂土、黏土等）。
（3）埋置深度大。 （4）施工所引起的周围土层变形小，对邻近建筑物可近接施工。 （5）同时可挡土(挡土结构)和挡水（围堰），简化了施工过程。 （6）施工工期较长，技术要求较高，会遇到下沉困难、倾斜等问题。
4.1.3 适用范围
（1）可用于桥梁基础、地下泵房、水池、油库、矿用竖井、大型设 备基础及建筑物基础。 （2）上部荷载大，良好持力层埋置较深；冲刷大，或有大卵石无法 采用其他深基础；河水较深，施工围堰较困难。
由水平方向平衡方程得到 1 P b0 m h3 H 井底水平反力 6
3. 验 算（《铁路桥基规范》） （1）基底压应力
max [ ]
（2）侧面水平抗力
x [ x ] ep ea
被动、主动土压力
按朗肯土压理论计算桩侧土压力
x y ( K p K a ) 2c( K p K a )
大世 桥界 锚上 碇最 基大 础的 沉 井
江 阴 长 江 公 路
沉井平面长69m，宽51m，下沉深度为58m，相当于9个半篮球场 大的20层高楼埋进地下。
——
国内最大的水中沉井基础（泰州长江大桥）（58m44m）
4.2 沉井基础类型及构造
4.2.1 分 类
1. 按施工方法分类 一般沉井：设计位置上制造，就地挖土下沉。水浅、流速小时采用。 浮运沉井：岸边制造，浮运到位下沉。水深、流速大、有通航要求时。
1.9 岛面 1.4 施工水位 0.4 最低水位 0.0 河床 粉砂 φ＝26o －1.0 γ＝19kN/m3 一般冲刷线 q=12kPa m=5000kPa/m2
井顶围堰
N
砂夹 卵石 φ＝30o q＝15kPa
0.5
γ=20kN/m3
N 局部冲刷线 -4.0 M1 H O 黏 砂 土
-0.3 沉井顶
qm
Rf u(hE 2.5)qm
入土总深度
ql q l 平均摩阻力
m i
i i
压入泥浆
hE-5m
泥浆套
（2）刃脚踏面的阻力 刃脚踏面的阻力=刃脚踏面面积×地基承载力 • 减少井壁摩阻力的方法 （1）高压射水 （2）泥浆套 （3）空气幕
泥浆套
2. 刃脚受力计算 向外挠曲
竖向 刃角受力
h y0
H o
M ω
地面或局 部冲刷线
x
y
h
σx
1 b0 mh 2 (3 y0 2h) 6
计算宽度
a
（2）弯 矩（对井底中心）
② Hy0 M 0 b0 y ( y0 y )dy M h

h
σmin
ห้องสมุดไป่ตู้
y d
σmax
1 b0 mh 2 (6 y0 2 8 y0 h 3h 2 ) M h 12
刃脚
0.8~1.5m
角钢
>45° >0.5m
≤0.15m
>0.5m
4.2.3 浮运沉井的构造
双壁浮运沉井 带气筒的浮运沉井 带临时性井底的浮运沉井
钢气筒 探测管 竖向框架 内井壁板 隔板 外井壁板 外壁板 竖直肋骨角钢 圆环外弦杆 圆环缀角
带钢气筒的浮运沉井
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 底板
V1
2a Rv 2a b
V2
b Rv U V2 tan 2a b
N
3）摩阻力
w'
e'a
M
T1 q hk
摩阻力
T1 0.5E '
W ' E '
Q

T1
a
g
U
井壁厚度
g
a
2
hk k

w ea V2 RV
5）计算并配置外壁受弯钢筋。
V1
1.0m
w
竖向拉应力验算
水平受力计算
地面
1m
ea


1m
1m
1m
4．沉井底节计算 （1）井壁竖向拉裂计算 1）排水挖土下沉、不排水挖土下沉时按不同的支承方式计算。 2）拉应力超过混凝土抗拉强度时，或加大底节沉井高度，或配筋。 （2）内隔墙竖向拉裂计算 （内隔墙跨度较大时）
排水挖土下沉 (最有利) (a) 不排水挖土下沉（最不利） (b) (c)
• 最不利位置
N
w'
e'a
M
Q

1）入土1m。
2）选择不同的下 沉深度。
水、土压力
W ' E '
T1
a
g
向外挠曲
1.0m hk
b
U

• 受力计算（取单位宽度） 1）外侧土、水压力
w
ea V2 RV
地基土反力
V1
a. “土水分算”，土压力按朗肯主动土压力计算（采用浮重度）。 b. 乘以水平荷载分配系数进行荷载分配。
w pe w pe ( W E ) hk 合力 2
hk 2 p'e w pe w 作用位置 y 3 p'e w pe w
2）土的竖向反力
Rv G T0
单位周长沉井的自重
取小值
T0 q hE 1
单位宽度摩阻力
T0 0.5E
b
l
0.15 l
0.70 l
0.15 l
0.5 l
0.5 l
5．混凝土封底及顶板计算 （1）封底混凝土计算 计算内容
抗弯
抗剪
计算荷载
空心沉井：通车后产生的最大地基反力。 实心沉井：沉井自重产生的地基反力及水压力。
（2）顶盖计算
1）墩身底面支承于井壁和隔墙时 计算跨中最大弯矩并验算抗压强度。 2）墩身底面位于井孔内时 除进行1）外，还有计算墩台边缘处顶盖截面的弯矩和剪力。
3.7
X
ω
y0 10.0 2.3
-16.3 σh Y σY
y
-14.0 粗 砂 夹 卵 石 N0
h
M ω
地面或局 部冲刷线
x
y
沉井水平位移
h
σx
a
转动中心
水平抗力 x ( y0 y)my （2）井底的土反力
σmin
y d
σmax
max N Q 1 dC0 min A 2
竖向地基系数
竖向荷载和沉井自重
2. 平衡方程
（1）水平力 ① H 0 b0 y dy
(b)
制作第一节沉井 (a) (a)
抽垫挖土下沉 (b) (b)
(c) (c)
刃脚下木垫板
垫木布置
桥中线
枕木
2. 制作第一节沉井
Ⅰ-Ⅰ剖面
(b)
(c)
Ⅱ-Ⅱ剖面 (d)
沉井接高下沉 (c)
(d)
封底
挖 土
下 沉
4.4 沉井的设计与计算
4.4.1 沉井尺寸的确定
（1） 桥墩截面沉井平面形状及尺寸。 （2）土层情况及荷载大小沉井埋深沉井高度。 （3）水、土压力及井壁摩擦力井壁厚度、井孔尺寸、内墙厚度。 （4）刃脚受力刃脚的形状和尺寸。 （5）水压力及土反力封底混凝土厚度。 （6）确定顶板厚度。
4.4.3 使用条件下的沉井基础检算
（1）沉井埋深较小时可按浅基础计算，偏于安全。 （2）埋深较大时按刚性深基础（h2.5）计算，需考虑侧面土体的 横向抗力。 1. 沉井底持力层为土层或风化岩石 （1）井侧土的抗力
X y ( y0 y) tan ( y0 y)
沉井转角
y0
H o
4.4.2 施工过程的设计与检算
（1）沉井的下沉能力验算 （3）井壁受力计算 （5）混凝土封底及顶板计算 （2）刃脚受力计算 （4）底节沉井验算
1．沉井的下沉能力验算
侧阻力分布
5m
hE
沉井自重（扣除浮力）
G 1.15 ~ 1.25 下沉系数 K R
下沉总阻力
下沉总阻力=侧面总摩阻力+刃脚踏面的阻力 （1）侧面总阻力
2. 按材料分类
混凝土沉井 3. 按几何形式 圆形 矩形 单孔 双孔 竹筋混凝土沉井 钢筋混凝土沉井 钢沉井
圆端形
多孔
(a) (b) (c)
双壁钢壳底节浮式沉井
4. 按剖面形状 柱形 阶梯形 锥形
柱形
(a)
(b)
阶梯形
(c)
锥形
(d)
4.2.2 一般沉井的构造
井壁 刃脚 内隔墙 井孔 凹槽 射水管组 封底 顶板
向内挠曲
看作固定于刃脚根部的悬臂梁。
看作水平框架。
水平方向挠曲
• 荷载分配系数
1）竖向
0.1l14 4 1.0 4 hk 0.05l1
刃脚斜面部分的高度 支承于隔墙间的井壁最大跨度
2）水平方向
4 0.1hk 4 4 hk 0.05l2
支承于隔墙间的井壁最小跨度
（1）向外挠曲
-16.30
宽4.9 长8.2 单位：m
用条件下的检算。
墩底设计荷载
荷载类型（纵向） 主力：双孔重载，低水位 主力＋附加力：双孔重载， 低水位 竖向力N /kN 16033 16033 水平力H /kN 0 890 力矩M /kNm 350 12563.9
0.3
1.4
一单线铁路桥梁位于平坡直线地段，其