土力學(xué)地基與基礎(chǔ)課程講義沉井基礎(chǔ)

第十章沉井基礎(chǔ)§10.1沉井基礎(chǔ)概述§10.2沉井基礎(chǔ)的類型與構(gòu)造§10.3沉井基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算§10.4沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算示例主要內(nèi)容§10.1沉井基礎(chǔ)概述

沉井的概念:是井筒狀的結(jié)構(gòu)物(圖1)。它是以井內(nèi)挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后經(jīng)過混凝土封底并填塞井孔，使其成為橋梁墩臺或其它結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)(圖2)。沉井下沉示意圖

沉井基礎(chǔ)

沉井的優(yōu)點(diǎn)：埋置深度可以很大，整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，有較大的承載面積，能承受較大的垂直荷載和水平荷載；沉井既是基礎(chǔ)，又是施工時(shí)的擋土和擋土圍堰結(jié)構(gòu)物，施工工藝并不復(fù)雜，因此在橋梁工程中得到較廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，沉井施工時(shí)對鄰近建筑物尤其是軟土中地下建筑物的基礎(chǔ)，也常用作為礦用豎井、地下油庫等。沉井的缺點(diǎn)：施工期較長；對粉細(xì)砂類土在井內(nèi)抽水易發(fā)生流砂現(xiàn)象，造成沉井傾斜；沉井下沉過程中遇到的大孤石、樹干或井底巖層表面傾斜過大，均會給施工帶來一定困難。沉井根據(jù)經(jīng)濟(jì)合理、施工上可能的原則，一般在下列情況，可以采用沉井基礎(chǔ)：

1.上部荷載較大，而表層地基土的容許承載力不足，做擴(kuò)大基礎(chǔ)開挖工作量大，以及支撐困難，但在一定深度下有好的持力層，采用沉井基礎(chǔ)與其他深基礎(chǔ)相比較，經(jīng)濟(jì)上較為合理的；

2.在山區(qū)河流中，雖然土質(zhì)較好，但沖刷大，或河中有較大卵石不便樁基礎(chǔ)施工時(shí)；

3.巖層表面較平坦且覆蓋層薄，但河水較深；采用擴(kuò)大基礎(chǔ)施工圍堰有困難時(shí)?！?0.2沉井基礎(chǔ)的類型與構(gòu)造一、沉井的分類(一)按沉井的施工方法分類

1.一般沉井：指就地制造下沉的沉井，這種沉井是在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的位置上制造，然后挖土靠沉井自重下沉。如基礎(chǔ)位置在水中，需先在水中筑島，再在島上筑井下沉。

2.浮運(yùn)沉井：在深水地區(qū)筑島有困難或不經(jīng)濟(jì)，或有礙通航當(dāng)河流流速不大時(shí)，可采用岸邊澆筑浮運(yùn)就位下沉的方法，這類沉井稱為浮運(yùn)沉井或浮式沉井。(二)按沉井形狀分類

常用的有圓形、圓端形和矩形等。根據(jù)井孔的布置方式，又有單孔、雙孔及多孔的分別。沉井平面形式a)單孔沉井；b)雙孔沉井；c)多孔沉井1.按沉井的平面形狀：圓形沉井：沉井在下沉過程中易控制方向；使用抓泥斗挖土，要比其他類型的沉井，更能保證其刃腳均勻地支承在土層上；在側(cè)壓力作用下，井壁只受軸向力(側(cè)壓力均布時(shí))，或稍受撓曲(側(cè)壓力非均布時(shí))；對水泥方向正交或斜交均有利，也即承受水平土壓力和水壓力性能良好。矩形沉井：具有制造簡單，基礎(chǔ)受力有利的優(yōu)點(diǎn)，常能配合墩臺(或其他結(jié)構(gòu)物)底部平面形狀。四角一般做成圓角，可有效改善轉(zhuǎn)角處的受力條件，減緩應(yīng)力集中現(xiàn)象，以降低井壁摩阻力和避免取土清孔的困難。矩形沉井在側(cè)壓力作用下，井壁受較大的撓曲力矩；在流水中阻水系數(shù)較大，沖刷較嚴(yán)重。圓端形沉井：控制下沉、受力條件、阻水沖刷均較矩形者有利，但沉井制造較復(fù)雜。對平面尺寸較大的沉井，可在沉井中設(shè)置隔墻，使沉井由單孔變成雙孔或多孔2.按沉井的立面形狀主要有豎直式、傾斜式及臺階式等。采用形式應(yīng)視沉井需要通過的土層性質(zhì)和下沉深度而定。上述各類沉井的適用條件：

外壁豎直形式的沉井，它在下沉過程中不易傾斜，井壁接長較簡單，模板可重復(fù)使用。故當(dāng)土質(zhì)較松軟，沉井下沉深度不大，可以采用這種形式。

傾斜式及臺階式井壁可以減少土與井壁的摩阻力，其缺點(diǎn)是施工較復(fù)雜，消耗模板多，同時(shí)沉井下沉過程中容易發(fā)生傾斜。故在土質(zhì)較密實(shí)，沉井下沉深度大，要求在不太增加沉井本身重量的情況下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，可采用這類沉井。臺階式井壁的臺階寬度約為100～200mm。傾斜式的沉井井壁坡度一般為1/20～1/50，外壁傾斜式沉井同樣可以減少下沉?xí)r井壁外側(cè)土的阻力，但這類沉井具有下沉不穩(wěn)定，制造困難等缺點(diǎn)，故較少使用。1.混凝土沉沉井：混凝土沉沉井的特特點(diǎn)是抗抗壓強(qiáng)度度高，抗抗拉能力力低，因因此這種種沉井宜宜做成圓圓形，并并適用于于下沉深深度不大大(4～7m)的軟土層層中。2.鋼筋混凝凝土沉井井：這種沉井井的抗拉拉及抗壓壓能力較較好，下下沉深度度可以很很大(達(dá)數(shù)十十米以以上)，當(dāng)下下沉深深度不不很大大時(shí)，，井壁壁上部部用混混凝土土，下下部(刃腳)用鋼筋筋混凝凝土，，在橋橋梁工工程中中得到到較廣廣泛的的應(yīng)用用。當(dāng)當(dāng)沉井井平面面尺寸寸較大大時(shí)，，可做做成薄薄壁結(jié)結(jié)構(gòu)，，沉井井外壁壁采用用泥漿漿潤滑滑套，，壁后后壓氣氣等施施工輔輔助措措施就就地下下沉或或浮運(yùn)運(yùn)下沉沉。此此外，，鋼筋筋混凝凝土沉沉井井井壁隔隔離墻墻可分分段(塊)預(yù)制，工地地拼接，做做成裝配式式。3.竹筋混凝土土沉井：沉井在下沉沉過程中受受力較大因因而需配置置鋼筋，一一旦完工后后，它就不不再承受多多大的拉力力，因此，，在南方產(chǎn)產(chǎn)竹地區(qū)，，可以采用用耐久性差差但抗拉力力好的竹替替部分鋼筋筋，我國南南昌贛江大大橋等曾用用這種沉井井。在沉井井分節(jié)接頭頭處及刃腳腳仍用鋼筋筋。一般沉井井構(gòu)造上上主要由由井壁、刃刃腳、隔隔墻、井井孔、凹凹槽、射射水管、、封底和和蓋板等組成。。二、沉井井基礎(chǔ)的的構(gòu)造1.井壁井壁是沉沉井的主主要部分分。它在在沉井下下沉過程程中起擋擋土、擋擋水及利利用本身身重量克克服土與與井壁之之間的摩摩阻力的的作用。。當(dāng)沉井井施工完完畢后，，它就成成為基礎(chǔ)礎(chǔ)或基礎(chǔ)礎(chǔ)的一部部分而將將上部荷荷載傳遞遞給地基基。因此此，井壁壁必須具具有足夠夠的強(qiáng)度度和一定定的厚度度。根據(jù)據(jù)井壁在在施工中中的受力力情況，，可以在在井壁內(nèi)內(nèi)配置豎豎向及水水平向鋼鋼筋，以以增加井井壁強(qiáng)度度。井壁壁厚度按按下沉需需要的自自重，本本身強(qiáng)度度以及便便于取土土和清基基等因素素而定，，一般為為0.80～1.50m，為便于于綁扎鋼鋼筋及澆澆筑混凝凝土，其其厚度不不宜小于于0.4m。鋼筋混混凝土薄薄壁沉井井可不受受此限制制。井壁壁的混凝凝土強(qiáng)度度等級不不低于C15。2.刃腳井壁下端形如如楔狀的部分分稱為刃腳。。其作用是在在沉井自重作作用下易于切切土下沉。刃刃腳底面(踏面)寬度一般為0.1～0.2m，對軟土可適適當(dāng)放寬。下下沉深度大，，且土質(zhì)較硬硬，刃腳底面面應(yīng)以型鋼(角鋼或槽鋼)加強(qiáng)(圖5-7)，以防刃腳損損壞。刃腳內(nèi)內(nèi)側(cè)斜面與水水平面的夾角角一般為45°～60°。刃腳高度視視井壁厚度、、便于抽除墊墊木而定，一一般當(dāng)沉井濕濕封底時(shí)，取取1.5m左右；干封底底時(shí)，取0.6m左右。由于刃刃腳在沉井下下沉過程中受受力較集中，，故刃腳宜采采用C20以上的鋼筋混混凝土制成。。刃腳構(gòu)造3.隔墻沉井平面尺寸寸較大，也即即井壁跨徑較較大時(shí)，應(yīng)在在沉井內(nèi)設(shè)置置隔墻，以加加強(qiáng)沉井的剛剛度，使井壁壁的撓曲應(yīng)力力減小，其厚厚度一般小于于井壁。隔墻墻底面應(yīng)高出出刃腳底面0.5m以上，避免隔隔墻下的土頂頂住沉井而妨妨礙下沉。也也可在刃腳與與隔墻聯(lián)結(jié)處處設(shè)置埂肋加加強(qiáng)刃腳與隔隔墻的連結(jié)。。如為人工挖挖土，在隔墻墻下端應(yīng)設(shè)置置過人孔，便便于工作人員員井孔間往來來。4.井孔井孔是挖土排排土的工作場場所和通道。。井孔尺寸應(yīng)應(yīng)滿足施工要要求，寬度(直徑)不宜小于3m。井孔布置應(yīng)應(yīng)對稱于沉井井中心軸，便便于對稱挖土土使沉井均勻勻下沉。5.凹槽凹槽設(shè)在井孔孔下端近刃腳腳處，其作用用是使封底混混凝土與井壁壁有交好的接接合，封底混混凝土底面的的反力更好的的傳給井壁(如井孔全部填填實(shí)的實(shí)心沉沉井也可不設(shè)設(shè)凹槽)。凹槽深度約約0.15～0.25m，高約1.0m。6.射水管6.射水管當(dāng)沉井下沉深深度大，穿過過的土質(zhì)又較較好，估計(jì)下下沉?xí)a(chǎn)生困困難時(shí)，可在在井壁中預(yù)埋埋射水管組。。射水管應(yīng)均均勻布置，以以利于控制水水壓和水量來來調(diào)整下沉方方向。一般水水壓不小于600kPa。如使用泥漿漿潤滑套施工工方法時(shí)，應(yīng)應(yīng)有預(yù)埋的壓壓射泥漿管路路。7.封底和蓋板沉井沉至設(shè)計(jì)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行清清基后，便澆澆筑封底混凝凝土?；炷镣吝_(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)強(qiáng)度后，可從從井孔中抽干干水井填滿混混凝土或其它它圬工材料。。如井孔中不不填料或僅填填以砂礫則須須在沉井頂面面筑鋼筋混凝凝土蓋板。封封底混凝土底底面承受地基基土和水的反反力，這就要要求封底混凝凝土有一定的的厚度(可由應(yīng)力驗(yàn)算算決定)，其厚度根據(jù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)也可取取不小于井孔孔最小邊長的的1.5倍。封底混凝凝土頂面應(yīng)高高出刃腳根部部不小于0.5m，并澆灌到凹凹槽上端。封封底混凝土標(biāo)標(biāo)號對巖石地地基用C15；一般地基用用C20。蓋板厚度一一般為1.5～2.0m。井孔中充填填的混凝土，，其強(qiáng)度等級級不應(yīng)低于C10?！?0.3沉井基礎(chǔ)的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)算主要內(nèi)容：①擬定外形尺寸寸、高度、壁壁厚②視為天然地基基上深基礎(chǔ)的的地基強(qiáng)度及及變形驗(yàn)算③施工階段刃腳腳、井壁的強(qiáng)強(qiáng)度計(jì)算④使用階段井壁壁及頂板、底底板強(qiáng)度計(jì)算算基本假定：①地基土為彈性性變形介質(zhì)，，水平向地基基系數(shù)隨深度度成正比例增增加(即m法)②不考慮基礎(chǔ)與與土之間的粘粘著力和摩阻阻力③沉井剛度與土土剛度之比為為無限大，橫橫向力作用下下只產(chǎn)生轉(zhuǎn)動動而無撓曲變變形根據(jù)基底地質(zhì)質(zhì)情況，可分分為非巖石地地基和基底嵌嵌入基巖內(nèi)兩兩種情況分析析考慮土體彈性性抗力的沉井井設(shè)計(jì)與計(jì)算算10.3.1沉井作為整體體深基礎(chǔ)的計(jì)計(jì)算1.非巖石地基在FH作用下，沉井井將圍繞位于于地面下深度度z0處點(diǎn)A轉(zhuǎn)動ω角則深度z處沉井水平位位移Δx為：Δx=(z0z)·tanω將水平平力FH和偏心心豎向向力FV(=F＋G)等效為為距基基底作作用高高度為為λ的水平平力FH，即：：非巖石石地基基計(jì)算算示意意沉井底底面受受到的的抗力力：其中：：Cz=mzC0=mh即土的的橫向向抗力力沿深深度呈呈二次次拋物物線變變化，，若基基底豎豎向地地基系系數(shù)C0不變，，σzx=ΔxCz=Cz(z0z)·tanω沉井受受到的的橫向抗抗力σzx式中C0按樁基基計(jì)算算方法法確定定，但但不得得小于于10m0。非巖石石地基基計(jì)算算示意意上述各各式z0和ω為未知知數(shù)，，可由由靜力力平衡衡導(dǎo)得得：式中b1為基礎(chǔ)礎(chǔ)計(jì)算算寬度度，W為基底底截面面模量量。聯(lián)立求求解可可得：：其中：：將此代代入上上述各各式得得土體橫橫向抗抗力：：基底邊邊緣處處壓應(yīng)應(yīng)力：：式中A0為基底底面積積。離地面下深度z處截面彎矩為：基底嵌入基巖，在在水平力和豎直偏偏心荷載作用下，，可假定基底不產(chǎn)產(chǎn)生水平位移，故故旋轉(zhuǎn)中心A與基底中心重合，，即z0=h?；浊度胩帉⒋嬖谠谝凰阶枇R，其對A點(diǎn)的力矩可忽略不不計(jì)。取彎矩平衡可導(dǎo)得得：2.基底嵌入基巖內(nèi)基底嵌入基巖內(nèi)計(jì)計(jì)算由∑X=0可得：地面下深深度z處截面上上的彎矩矩為：尚需注意意,當(dāng)基礎(chǔ)僅僅受偏心心豎向力力FV作用時(shí),λ→∞，上述各各式不能能應(yīng)用。。此時(shí)應(yīng)應(yīng)以M=FV·e代替上述述各式中中FHh1，同理可導(dǎo)得得上述兩種情情況下相應(yīng)的的計(jì)算公式。。土體橫向抗力力：基底邊緣處壓壓應(yīng)力基底嵌入處水水平阻力FR橫向抗力經(jīng)驗(yàn)表明最大大橫向抗力大大致在z=h/3和z=h處，故式中η1—取決于上部結(jié)結(jié)構(gòu)形式的系系數(shù)，一般取取η1＝1，對于拱橋η1＝0.7；η2—考慮恒載彎矩矩Mg對總彎矩M的影響系數(shù)，，即3.沉井基礎(chǔ)驗(yàn)算算要求σzx應(yīng)小于井周土土的極限抗力力值，而極限限抗力以土壓壓力表示，即即：σzx≤PpPa由朗金土壓力力理論可得：：墩臺頂水平位位移其中：L為相鄰跨中最最小跨的跨度度（m），當(dāng)L<25m，取L＝25m。此外，對高而而窄的沉井還還應(yīng)驗(yàn)算產(chǎn)生生施工容許偏偏差時(shí)的影響響。（cm）要求：基底應(yīng)力σmax≤fah要求：在抽出墊木以以及挖土可能能有不均勻等等不利條件下下，第一節(jié)井井壁在自重作作用下應(yīng)按單單支點(diǎn)、簡支支梁等驗(yàn)算井井壁強(qiáng)度。1.第一節(jié)井壁的的應(yīng)力驗(yàn)算10.3.2沉井施工過程程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度度計(jì)算排水除土下沉沉不排水除土下下沉圖5.19底節(jié)沉井支點(diǎn)點(diǎn)布置示意考慮下兩種最最不利情況：：刃腳外撓：沉井下沉至一一半深度，上上部井壁已全全部加高，刃刃腳入土1m。此時(shí)刃腳斜斜面上土的橫橫向推力向外外作用，產(chǎn)生生向外撓曲。。刃腳內(nèi)撓：沉井下沉至接接近設(shè)計(jì)標(biāo)高高，刃腳下土土已掏空，沉沉井自重全部部由外側(cè)摩阻阻力承擔(dān)。此此時(shí)在外側(cè)水水、土壓力作作用下，使刃刃腳產(chǎn)生向內(nèi)內(nèi)撓曲。2.刃腳計(jì)