5-3沉井设计计算

水平荷载
a
+
P
P
P
刃脚视为固定在刃 脚根部的悬臂梁
基础工程
分配系数
悬臂作用：
4 0.1L1 4 4 hk 0.05 L1
1.0
4 hk 框架作用： 4 hk 0.05 L4 2
L1 L2
支承于隔墙间的井壁最大计算跨度 支承于隔墙间的井壁最小计算跨度 hk
y h y y
H D0 h
基础工程
基底边缘压应力：
max N Hd min A0 2 D
其中： D
bl h 6Wd 12
3
嵌入处水平阻力P：
bl h 2 P H 6 D 1
地面或最大冲刷线以下任意深度y处 基础截面上的弯矩为：
据埋置深度

按浅基础设计
按深基础设计
不考虑基础侧面土的横向抗力
考虑基础侧面土的横向抗力
沉井基础的设计计算与施工
沉井的计算包括施工期验算和作为整体基础的计算。
作为整体基础的计算：包含两种情况，当埋深仅有数米时，计算同 浅基础；当埋深较大，不能忽略沉井侧壁土体弹性抗力影响时，按 刚性桩计算。 沉井（刚性桩）计算假定： 1、地基土作为弹性变形介质，水平地基系数随深度成正比 增加。 2、不考虑基础与土间的粘着力和摩阻力。 3、沉井基础刚度与土刚度之比可认为是无限大。
2 a1 R 2a1 b2
b2 R 2 a1 b2
分布：均匀分布。 分布：三角形分布 分布：三角形分布 作用点距刃脚底面1/3m
斜面处土的抗力竖向分力2: 2
斜面处土的抗力水平分力H: H tan 2 2
刃脚斜面对水 平面的倾角
δ2 ——土与刃脚斜面间的内摩擦角， 一般取30°；
基础工程
沉井基础的设计计算与施工
5.3.2沉井施工过程中的设计
3、刃脚受力计算
切土下沉：刃脚外弯
受力复杂
挖空刃脚底部土层：刃脚内弯
沉井基础的设计计算与施工
◆刃脚受力计算 1个三维问题转为2个二维问题求解 向外挠曲 竖向受力（悬臂梁） 刃脚受力 向内挠曲
横向受力（水平框架）
根据悬臂梁及水平 框架两者的变位关 系得各自的外力分 配系数：
4
沉井基础的设计计算与施工
当沉井基础埋置深度较大时，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，按刚性桩计 算内力和土抗力，即相当于“m”法中 h2.5的情况。
5
沉井基础的设计计算与施工
5.3沉井的设计与计算
计算假定： 1.地基土为弹性体且C=my 2.不考虑基础与土之间的粘着力与摩阻力 3.沉井基础的刚度可视为无穷大 沉井基础
k1 y 0 k 2 l 0
对于嵌岩桩， z0=h K1， K2由h及/h查表得。
基础工程
沉井基础的设计计算与施工
墩台顶面水平位移验算 现行桥梁规范中规定，墩台顶面的水平位移Δ应 符合下列要求：
0.5 L (cm)
式中，L为相邻跨中最小跨的跨度(m)，当跨度 L<30m时，L按30m计算。
土压力ei 按朗金主动土压力计算
水压力：wi
w hwi
计算土、水压力的总和不大于静水压力的70%
hwi为计算点至水面距离
基础工程
沉井基础的设计计算与施工
3、刃脚受力计算
b、作用在刃脚外侧单位宽度上的摩阻力 T1
T1 hk
T1 0.5 E

取其较小者 x1
式中：τ——土与井壁间单位面积上的摩阻力； hk——刃脚高度； E——刃脚外侧总的主动土压力
注意：各水平力均应按规定考虑分配系数a 刃脚验算及配筋： 据M0,N0,Q验算刃脚根部应力及配置内侧所需钢筋 0.5L1 配筋率>0.1%
3、刃脚受力计算
d、刃脚底部土的抵抗力的计算 R——刃脚下单位宽度的竖向反力， 可按下式计算 ：
R q T '
q——沿井壁周长单位宽度上沉井的自重，在水下部分应考虑水的浮力； T’——沉井入土部分单位宽度上的摩阻力。
基础工程
d、刃脚底部土的抵抗力的计算
刃脚底部土的抗力由以下几部分组成： 踏面处土的抗力合力1: 1
基础工程
沉井基础的设计计算与施工
5.3.1沉井作为整体基础的设计与计算
1、非岩石地基上沉井深基础的计算
（1）荷载简化：
沉井受力：水平力H + 竖向偏心力N
等效为
水平力H + 竖向中心力N
等效后水平力H距基底的高为：
M H
基础工程
Ne Hl H
在水平力作用下，沉井将围绕位于地 FH 面下深度y0处点A转动ω角

离地面或最大冲刷线以下深度y处基础截面 上的弯矩为
Hbl y 3 y0 y M z H h y 2 Ah 基础工程
沉井基础的设计计算与施工
（2）基底嵌入基岩内的计算方法
基底无水平位移，仅绕基底中心转动， 此时y0=h，基底嵌入处存在一水平阻力P
土的侧向抗力：
刃脚内侧切入土中深度约1. 0m，上
节井筒已全部砌筑，露出地面或水面约 一节沉井高度
基础工程
a、作用在刃脚外侧单位宽度上的土压力及水压力的合力
pe w
( pe2 w2 pe3 w3 ) hk 2
作用点:距刃脚根部
hk 2 p e3 w3 p e2 w2 t 3 p e3 w3 p e2 w2
0
墩台顶面水平位移计算方法
＝K 1z 0 K 2 l 0 0
基底嵌入岩层
中心线
a
z0
ω
＝K 1h K 2 l 0 0
15
z
a=K1ωz 0 b=K 2 ωl 0 c=δ0
l0
沉井基础的设计计算与施工
③墩台顶面水平位移的计算方法
考虑到沉井基础的实际刚度对地面位移及转角的影响，引入系数K1， K2对其进行修正
后，刃脚的向外弯矩不一定是最大。所以，这种情况下产生最大向
外弯矩的最不利位置可能是下沉过程中刚浇筑完某一节沉井开始继 续下沉时。可根据具体的水文地质情况和施工方法等选择几个情况
进行比较分析，以求出刃脚的最大向外弯矩。
27
沉井基础的设计计算与施工
3、刃脚受力计算
（2）刃脚竖向受力分析
①刃脚向外挠曲的内力计算—配内侧钢筋 最不利情况：
支承点的位置难控制
选择沉井下沉过程中最不利情况验算 矩形、圆端形沉井： a、支点位于长边中点 b、支点位于四个角点
验算截面：长边跨中附近最小截面 圆形沉井：两支点位于一直径上
基础工程
③隔墙
最不利情况:
第二节沉井内隔墙 已砌筑，但未凝固 G2 +G3 G1 下部土被 挖空
荷载:第一节隔墙自重G1+第二节隔墙重G2 +模板重G3 验算截面:跨中截面 处理措施: 配置水平钢筋 第二节沉井浇注时，隔墙下填砂石并夯实
19
2、底节沉井的竖向挠曲验算
底节沉井在垫木抽除及挖土下沉过程中，在井壁自重作用下将产生挠曲变形
（1）井壁
①排水挖土下沉
能控制支承点的位置
井壁受力：承受均匀荷载的简支梁 选择最有利的支点位置，使跨中弯矩=支座弯矩 矩形、圆端形沉井：长边，间距0.7L 圆形沉井：圆周四分点
基础工程
②不排水挖土下沉
视为
刚性桩柱
基础工程
沉井基础的设计计算与施工
5.3沉井的设计与计算
使用阶段（基础）： 1.承载力验算
竖向承载力验算 水平向承载力验算
施工阶段(支挡结构):
自重下沉验算 底节沉井挠曲验算 刃脚受力计算 井壁受力计算
2.沉降计算 3.基础结构计算
井壁竖向受压 井壁横向受压 封底受压弯剪 顶板受压弯剪
③墩台顶面水平位移的计算方法
l tan
0
y 0 tan
z0
l
h2
基础发生刚体转动在地 面处产生的水平位移
墩台随同基础一起发生刚 体转动而产生的水平位移
墩台本身弹性挠曲变形 引起的墩台顶水平位移
沉井基础的设计计算与施工
a
b
c
l 范围内 基础在水平力和弯矩作用下， 弹性位移线 墩台顶面产生水平位移 Δ 按两 转动ω 后 中心线 种情况分别计算 基础位于非岩石地基 设计
hk
刃脚斜面部分的高度
(2)当内隔墙底面高于刃脚底面大于0.5m且无垂直梗肋时
1 .0
基础工程
全部水平荷载由悬臂作用承担。刃脚不再起水平框架的作用，但仍应按构 造要求配置水平钢筋，使其能承受一定的正、负弯矩。
沉井基础的设计计算与施工
（1）向外挠曲
沉井下沉过程中，应根据沉井接高等具体情况，取最不利位置，
d/2
max
z d
0
1
Z
Δx = (y0y)· tanω
l
O
λ
x
Z1
zx
土的横向抗力:
6H y y y0 y Ah
基底边缘压应力:
max N 3Hd min A0 A
b h 18Wd A l 2 3 h
3
zx
Ch mh C0 C0
bl Hy 3 2h y M y H h y 12 Dh
基础工程
沉井基础的设计计算与施工
（3）深基础的验算
①基底应力验算
max
②横向抗力验算
y p p pa
整理得：
y
4 y t an c cos
沉井基础的设计计算与施工
h2
■
FH
侧面： 深度z处沉井水平位移Δx
h1
h
Fy V )· σy =ΔxCy =Cy (y0 e ω
■
min
基底变形—绕中心转动ω角
a) C01 C0 d tan 2 b)
h
沉井受到的横向抗力σy
Z0
d/2
沉井底面受到的抗力：
d /2
基础工程
图5-24 非岩石地基计算示意
按刃脚内侧切入土中1.0m，检算刃脚向外挠曲强度。
其最不利位置可以这样来分析：刃脚向外的弯矩由刃脚下土的 反力所产生，当它比外侧压力产生的向内的最大弯矩大时，就是最 不利位置。例如，对于分节浇注一次下沉的沉井一般就是刚开始下 沉，刃脚切入土中一定深度（取为1m）为最不利位置。而对于分节 浇注逐节下沉的沉井，当整个沉井浇筑完毕时，刃脚下的土的反力 无疑达到最大，但这时外侧的土压力和水压力也已很大，两者抵消
4 0.1L1 4 1.0 4 hk 0.05L1
4 0.1hk 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；
24
hk——刃脚斜面部分的高度。
3、刃脚受力计算
（1）水平荷载的传递 ①当内隔墙底面高于刃脚底面不大于0.5m，或大于0.5m但有垂直梗肋时 刃脚传至井壁 刃脚组成的水平框架承担 悬臂作用 框架作用 P P P
基础工程
沉井基础的设计计算与施工
3、刃脚受力计算
c、刃脚（单位宽度）自重g
a1 g hk k 2

x1
k
——钢筋混土刃脚的容重，不排 水施工时应扣除浮力
作用点：至刃脚根部中心轴的距离为
a1 2a1 x1 6 a1
基础工程
2
2
沉井基础的设计计算与施工
沉井基础的设计计算与施工
第五章
沉井基础的设计计算与施工
基础工程
沉井基础的设计计算与施工
主要内容
5.1沉井的类型和构造
5.2沉井的施工 5.3沉井的设计与计算
基础工程
沉井基础的设计计算与施工
5.3沉井的设计与计算
沉井计算

实体基础:进行承载能力及地基变形及稳定性验算 施工期挡土、挡水结构:进行截面配筋计算及抗浮稳定性验算
17
沉井基础的设计计算与施工
5.3.2沉井施工过程中的设计
1、沉井自重下沉验算 下沉系数： 沉井自重
Q K 1 T
Q
土对井壁总摩阻力
fi
hi
（1）不排水下沉时，沉井自重应扣除浮力 （2） T f i hi u i
基础工程
沉井基础的设计计算与施工
克服下沉困难
主要可以从两方面着手：
(1) 增加沉井重量：提前浇筑上一节沉井；在沉井顶 部加压；在保证不发生流砂的前提下，抽取井内的 水，以减小浮力。 （2) 减小井壁的摩阻力：尽力将井壁外侧制作光滑平 整；将井壁设计成台阶式；设置管道，利用高压空 气或水的喷射能量来减小摩擦；从管道中喷出触变 泥浆，形成泥浆套。
基础工程 踏面宽度
刃脚斜面的 水平投影
沉井基础的设计计算与施工
3、刃脚受力计算
R的作用点距井壁外侧的距离为
x
b2 1 a1 v a 1 2 1 R 3 2
各力对刃脚根部中心轴的总弯矩，竖向力 及剪力:
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