第4章沉井基础.

1第四章沉井基础2内容提要4．1概述4．2沉井基础的类型与构造4．3沉井基础的施工4．4沉井基础的设计与计算一、沉井基础的定义二、沉井基础的特点三、沉井工法进展及适用范围4.1概述3一、沉井基础的定义沉井是井筒状的结构物，是以井内挖土，依靠自身重力下沉，然后混凝土封底，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。（a）沉井下沉（b）沉井基础4江阴长江公路大桥沉井基础（1994～1999年）我国首座跨径超千米（1385m）的特大型钢箱梁悬索桥梁，也是20世纪“中国第一、世界第四”大钢箱梁悬索桥。5北岸南岸大桥的南北两个锚锭要一起“拉住”大桥主缆，主缆拉力为6.4万吨，而北锚锭处在冲积平原上，采用了当时国内平面尺寸最大的沉井基础，沉井平面尺寸为69米长、51米宽，面积足有10个篮球场大，埋深58m。江阴长江公路大桥沉井基础（1994～1999年）6南京长江大桥沉井基础（1960～1968年）第一座由新中国自主设计建造的双层双线公铁两用桥，曾以“最长的公铁两用桥”载入《吉尼斯世界纪录大全》。9个桥墩基础分别采用重型混凝土沉井、钢沉井加管柱、浮式钢筋混凝土沉井、钢板桩围堰管柱等基础。沉井下沉深度达54.87米。7主跨1991米，为目前世界上跨度最大的悬索桥，最大施工水深60m，两主塔分别采用直径80m*高70m和78m*67m的浮式钢壳沉井，壁厚12m，分为16个舱，是目前规模最大的桥梁沉井基础。日本明石海峡大桥（1988～1998）8二、沉井基础的特点优点：①埋置深度大，整体性强、稳定性好，能承受较大荷载②下沉过程中无需设置坑壁支撑或板桩围壁，简化了施工③沉井施工时对邻近建筑物影响较小缺点：①施工期较长②施工技术要求高，施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等9三、沉井基础的适用条件(1)上部荷载较大，扩大基础开挖工作量大支撑困难，采用沉井基础经济上较为合理；(2)河水较深，采用扩大基础施工围堰制作有困难；(3)山区河流，冲刷大/有较大卵石不便桩基础施工。104.2沉井基础的类型和构造一、沉井基础的类型二、一般沉井的构造三、浮运沉井的构造11按施工方法分类一般沉井：直接在基础设计的位置上制造，然后挖土下沉的沉井。当基础位于水中而水深不大时，也可先人工筑岛，再在岛上修筑沉井并下沉到位。一、沉井基础的类型浮运沉井：先在岸边制造，再浮运就位下沉的沉井。通常在深水地区（如水深大于10m），或水流流速大，或有通航要求，人工筑岛困难或不经济时，可采用浮运沉井。12按形状分类①按平面形状分矩形圆端形圆形②按立面形状分柱形：构造简单，挖土较均匀，井壁接长较简单，模板可重复使用阶梯形：除底节外，其他各节井壁与土的摩擦力较小，但施工较复杂，消耗模板多13①混凝土沉井②钢筋混凝土沉井③钢壳沉井按建筑材料的分类14二、一般沉井的构造1.井壁2.刃脚3.隔墙4.井孔5.凹槽6.射水管组7.封底8.顶板1465278315（1）井壁：足够的强度、足够的重量；井壁厚度一般为0.8~1.5m。（2）刃脚：减少下沉阻力，宽0.1～0.2m，高约1.5m，内侧倾角45度～60度45°0.15m0.5m0.5m0.8-1.5m角钢刃脚构造示意16（3）隔墙：增加沉井刚度，多个施工井孔(取土井)，挖土均衡；隔墙的间距一般不大于5~6m，厚度一般为0.5~1.0m（4）井孔：挖土运土通道。最小边长不宜小于3m，对称布置，以便对称挖土，保证沉井能均匀下沉。（5）凹槽：底板与井壁有更好联结，底距刃脚踏面2.5m，槽高约1.0m，凹入深度150~300mm146527831－井壁；2－刃脚；3－隔墙；4－井孔；5－凹槽；6－射水管组；7－封底混凝土；8－顶板17（6）射水管：压入高压水把井壁四周的土冲松,以减少摩擦力和端部阻力。（7）封底：防止地下水渗入井内,浇注的混凝土底板.（8）顶板：钢筋混凝土，顶盖达设计强度后方可砌筑墩、台及其它结构146527831－井壁；2－刃脚；3－隔墙；4－井孔；5－凹槽；6－射水管组；7－封底混凝土；8－顶板18三、浮运沉井的构造单壁钢壳钢气筒底双壁钢沉井底节钢气筒探测管竖向框架内井壁板隔板外井壁板底板竖直框架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外壁板竖直肋骨角钢圆环外弦杆圆环缀角圆环内弦杆内壁板竖直肋骨角钢双壁钢壳细部结构带钢气筒的浮运沉井19双壁钢壳底节浮式沉井，是近年来桥梁工程中广泛应用的沉井基础，特别是在深水流急的河段。它可在工厂分段制做，现场拼装成型，下水浮运到位下沉。204.3沉井的施工一、一般沉井的施工过程二、沉井施工的技术特点三、沉井下沉常见问题及处理方法21（a）制作第一节沉井；（b）抽垫挖土下沉；（c）沉井接高下沉；（d）封底一、一般沉井的施工过程22大型沉井下沉施工中的照片231．清整场地2．制作第一节沉井：在刃脚处对称地铺满垫木，然后立内模，绑扎钢筋，再立外模并浇筑第一节沉井3．拆模及抽垫4．挖土下沉5．接高沉井：当第一节沉井下沉至一定深度（井顶露出地面不小于0.5m，或露出水面不小于1.5m）时应停止挖土并接筑下节沉井。刃脚下木垫板桥中线Ⅰ-Ⅰ剖面Ⅱ-Ⅱ剖面枕木垫木布置实例一般沉井施工具体步骤246．设置井顶防水围堰：若沉井顶面低于地面或水面，应在井顶接筑临时性防水围堰，围堰的平面尺寸略小于沉井的外围尺寸，其下端与井顶上的预埋件相连。7．基底检验和处理8．沉井封底9．井孔填充和顶板浇筑否制造井筒挖土下沉是否接筑井筒接筑井筒挖土下沉沉至设计标高否？检验并清理井底地基灌注封底混凝土是否填充井孔？填充井孔浇筑顶盖施工完毕沉至设计标高否？挖土下沉否否是是是一般沉井施工具体步骤25二、沉井施工技术特点及注意问题设计必须考虑施工，成了更加突出的原则；施工过程的复杂性，决定了施工手段的多样性；施工外部条件的不确定性，使施工过程的监测和控制及应变对策成为成功实施的关键。261．井筒倾斜和偏移2．刃脚下遇障碍物3．井壁上的摩擦力过大三、下沉时常见问题及处理方法高压射水：利用高压水流的冲击力冲松井筒四周的土层，射水管路可以预埋在井壁内，也可在下沉时插入井壁与土之间。泥浆套法：下沉时通过预埋的管路把特制的泥浆泵入井壁与土层之间，在井筒四周形成泥浆套，使土层对井壁的磨擦变成泥浆对井壁的摩擦，从而减小井壁上的摩擦力。空气幕法：下沉时向管路系统输送压缩空气，高压气流从气龛底的小孔喷出并沿井壁外表上升，在井筒周围形成空气幕，同时借助于气流的冲击力使井筒周围的土体松动或液化以达到减小摩擦力的目的。泥浆套压入泥浆274.4沉井基础的设计与计算设计资料上部结构、墩台类型及基础设计荷载水文、地质资料设计内容施工期要求运营期要求收集设计所需的资料确定沉井尺寸施工过程检算下沉能力检算底节沉井竖向挠曲检算刃脚受力检算井壁受力检算封底及底板检算运营期检算基础底面应力检算基础侧面水平压应力检算墩台顶面水平位移检算最终确定沉井尺寸绘制施工图结束否是是否28沉井的高度和分节沉井的平面形状和尺寸取土井孔的布置和大小井壁的厚度刃脚的形状和尺寸封底混凝土和顶盖的厚度146527831－井壁；2－刃脚；3－隔墙；4－井孔；5－凹槽；6－射水管组；7－封底混凝土；8－顶板一、沉井尺寸的确定291．沉井的下沉能力验算2．刃脚受力计算3．井壁受力计算4．底节沉井验算5．混凝土封底及顶板计算二、施工过程中的检算30沉井的下沉能力验算qm5mhE-5mhEQKRm(2.5)fERuhqmiiiqlqlRr主要为刃脚踏面的正面阻力，其值等于刃脚踏面总面积与地基土极限承载力之积Q——沉井自重，不排水下沉时应扣除浮力；R——沉井下沉至设计标高时，沉井底端地基总反力Rr与沉井侧面总摩阻力Rf的总和；K——下沉系数，1.15~1.25，强度较高土中取较大值，强度较低土中取较小值。31例4-1某矩形沉井，长20m，宽18m，高16m，井壁厚度0.8m。设横隔墙一道，宽18.4m，高13.5m，厚0.5m；竖隔墙两道，宽16.4m，高13.5m，厚0.5m。刃脚踏面宽度为0.2m。在黏性土中采取排水下沉干封底，试计算沉井下沉到设计标高处的“下沉系数”。隔墙井壁32（1）沉井自重23296570429000kNQ①沉井井壁（外墙）重量为(20181.6)20.8162523296kN②三道隔墙重量为(18.416.41)0.513.5255704kN（2）沉井外墙侧面总摩擦力Rf为2018215.52.52019760kNfR（）（），取q=20kPa（3）刃脚踏面正面阻力Rr为19.817.820.23004512kNRr（），取地基土极限承载力为300kPa（4）沉井下沉系数K为fr290001.19197604512QKRR（可以）33刃脚受力计算（1个三维问题转为2个二维问题求解）根据悬臂及水平框架两者的变位关系得各自的外力分配系数：4144k10.11.00.05LhL4k44k20.10.05hhLL1，L2——支承于隔墙间的井壁最大和最小计算跨度；hk——刃脚斜面部分的高度。刃脚受力竖向受力（悬臂梁）横向受力（水平框架）向外挠曲向内挠曲34'wae'1T''WEwae1V2VVRabgQMNU1.0mhk1meaw'whwhE岛面施工水位GT0RVU'ae（1）刃脚竖向受力分析一般可取单位宽度井壁，将刃脚视为固定在井壁上的悬臂梁，分别按刃脚向外挠曲和向内挠曲两种最不利情况分析。刃脚向外挠曲受力分析3536①外侧的土、水压力合力(W’+E’)'wae'1T''WEwae1V2VVRabgQMNU1.0mhk1meaw'whwhE岛面施工水位GT0RVU'ae刃脚竖向受力分析（向外挠曲）'k''2ewewppWEhewp——作用在刃脚外侧根部处的土、水压力强度之和，aewpew；'ewp——刃脚外侧底面处的土、水压力强度之和，'aewpew。3637'wae'1T''WEwae1V2VVRabgQMNU1.0mhk1meaw'whwhE岛面施工水位GT0RVU'ae刃脚竖向受力分析（向外挠曲）②-1土的竖向反力Rνv0RGTG——沿井壁周长单位宽度上沉井的自重（为安全计，把内隔墙的重量也分配到外壁上，即G等于沉井重量除以沉井周边长度），水下部分应考虑水的浮力。T0——单位宽井壁上的总摩阻力，取min（0E1Tqh，00.5TE）。3738'wae'1T''WEwae1V2VVRabgQMNU1.0mhk1meaw'whwhE岛面施工水位GT0RVU'ae刃脚竖向受力分析（向外挠曲）②-2土的竖向反力Rν的分解1v22aVRab2v2bVRab2tanUV3839'wae'1T''WEwae1V2VVRabgQMNU1.0mhk1meaw'whwhE岛面施工水位GT0RVU'ae刃脚竖向受力分析（向外挠曲）③刃脚外侧高度上的摩阻力T1T1=max（1kTqh，10.5'TE）E’——刃脚外侧的主动土压力合力，2/)(kaaheeE39'wae'1T''WEwae1V2VVRabgQMNU1.0mhk1meaw'whwhE岛面施工水位GT0RVU'ae刃脚竖向受力分析（向外挠曲）④刃脚单位宽度自重gkk2aghλ——井壁厚度；k——刃脚的重度，不排水施工时应扣除浮力。求各力对刃脚根部中心轴的力臂，从而求得总弯矩M，竖向力N及剪力Q；验算刃脚根部应力，配竖向钢筋。40求各力对刃脚根部中心轴的力臂，从而求得总弯矩M，竖向力N及剪力Q；验算刃脚根部应力，配竖向钢筋。刃脚竖向受力分析（向内挠曲）最不利位置是沉井已下沉至设计标高，刃脚下土体已挖除而尚未浇筑封底混凝土，此时可将刃脚视为固定在井壁上的悬臂梁141（2）刃脚水平受力计算当沉井下沉至设计标高，刃脚下土已挖除但未浇筑封底混凝土时，刃脚所受水