第三章-沉井基础(一)

第五章：沉井基础（OpenCaissonFoundation）1.沉井的基本概念、作用及适用条件2.沉井的类型和构造3.沉井作为整体深基础的设计和计算4.沉井施工过程中的结构计算5.沉井施工简介6.地下连续墙简介1．沉井的基本概念、作用及适用条件沉井的基本形态沉井是一个柱体井筒状结构物，井壁为刚度比较大的钢筋混凝土，在井内挖土并靠自身重量克服井壁与土的摩擦下沉至设计标高，封底填塞后形成基础。沉井施工动画演示沉井的特点•优点：•埋置深度大（大型沉井可以下沉几十米）；•整体性强、稳定性好、有较大的承载面积，可以承受较大的竖向和水平荷载；•施工技术简单，施工时不需要板桩围护，本身具有挡土与挡水的功能；•适用范围广，尤其是存在较大卵石不便于桩基施工的地基；•可以作为施工中事故处理、组合基础的一部分来应用。•缺点：•施工期较长（不能连续施工）；•遇有难于清除的障碍物（流砂、树干、大块孤石、旧桥基等）时下沉困难；•河床覆盖层下存在倾斜度较大岩层，沉井不易稳定。沉井的适用条件•上部荷载较大、稳定性要求较高、良好持力层埋深较大，可与其他深基础进行比较；•深水大河，冲刷大，或有较大卵石不便于桩基施工；•岩石表面平坦、埋置浅、河水较深，不适宜用扩大基础的情况。2．沉井的类型和构造沉井基础的类型•按沉井的施工方法分类•现浇沉井——在基础设计位置就地浇筑预制沉井，达到强度后挖土沉井下沉，对于水中基础，则先筑岛再在岛上筑井下沉。•浮运沉井——在深水区域筑岛困难或不经济，当河流流速不大时可采用岸边浇筑浮运就位下沉。•按沉井的形状分类按沉井的平面形状分类•圆形——下沉过程中易于控制方向，受力合理。•圆端形——平面布置较合理，受力条件较好，但制作较复杂；•矩形——制作简单，基础受力有利，与上部结构较易配合，但结构易受挠曲力矩作用。按沉井的立面形状分类•竖直式——下沉中不易倾斜，但井壁摩阻力较大，一般适于入土不深或软土中使用；•倾斜式——井壁摩阻力小，但施工复杂，下沉中易倾斜，适于深度大、土质较密实地基；•台阶式——同上。按沉井的建筑材料分类•无筋或少筋混凝土沉井——主要用于小尺寸沉井，井壁较厚，适于覆盖层较松软，下沉深度不大的基础（4~7m）。•钢筋混凝土沉井——下沉深度大，适用性强，可做成薄壁结构，可根据具体情况做成各种合理的结构形式和厚度。•钢沉井——强度高、质量轻、易于施工，宜于做浮运沉井，尽量重复使用。沉井基础的构造•沉井的轮廓尺寸沉井的平面形状选择——沉井的平面形状取决于墩台底部的形状。•矩形沉井的长宽比不宜大于3；•当墩台的长宽比较接近时，可采用方形或圆形沉井；沉井的轮廓尺寸•沉井顶面尺寸为墩台底部尺寸加襟边宽度；•襟边宽度不宜小于0.2m，也不宜小于沉井高度的1/50，浮运沉井不小于0.4m；•墩台身的边缘应尽可能支承于井壁上或盖板支承面上；•沉井高度与上部结构、水文地质条件、地基土层的承载力等因素有关，根据墩底标高及沉井埋深确定沉井高度；•高度较大的沉井采用分节制造和下沉，每节高度不宜大于5m，底节沉井若支承于松软土层中，高度不大于沉井宽度的0.8倍；•沉井的一般构造沉井一般由井壁、刃脚、隔墙、井孔、凹槽、封底混凝土、顶盖板等构成。井壁井壁的功能•构成沉井的主体部分及外形尺寸；•施工过程中挡土、挡水、获得下沉重力；•施工结束后成为基础的一部分，起传递荷载的作用；井壁的厚度与构造要求——与结构强度、下沉需要的自重、便于取土清基等因素有关。•一般井壁厚度取800~1500mm；•钢筋混凝土薄壁沉井及钢制薄壁浮运沉井的壁厚不受上述限制；•井壁混凝土强度≥C15；•沉井底节混凝土的含钢量，对于钢筋混凝土≥0.1%，对于少筋混凝土≥0.05%。刃脚——井壁下端的斜形尖利部分，用以切土下沉。•刃脚根据地质情况，可采用尖刃脚或带踏面刃脚；•刃脚踏面宽度一般100~200mm，软土可适当放宽；•刃脚斜面与水平面间的夹角≥45º；•井内隔墙底面比刃脚底面至少高出500mm；•刃脚高度一般≥1.0m；•刃脚底面以型钢加强；•刃脚混凝土强度等级≥C20。隔墙——当沉井平面尺寸较大，可设置隔墙（内壁）将沉井分为几个井孔。隔墙的功能•缩短井壁的跨度，减小井壁的挠曲应力；•增强沉井的整体刚度，便于掌握井孔挖土位置和速度，控制下沉方向。隔墙的尺寸与构造要求•隔墙间距≤5~6m；•厚度可比井壁小200~400mm；•隔墙底面高出刃脚底面0.5m以上（既要支承刃脚，又要避免阻碍沉井的下沉）；•排水下沉的沉井，宜在隔墙下部设置过人孔，便于施工。井孔（取土井）井孔的功能——沉井下沉取土的通道。井孔的尺寸与构造要求。•井孔尺寸应满足施工要求；•井孔布置应对称于沉井中心轴；•井孔的最小边长≥3.0m（采用抓泥斗挖土）。凹槽凹槽的功能•增强封底混凝土与井壁的联结强度；•将封底混凝土承受的地基反力传递给井壁。凹槽的尺寸与构造要求•在沉井外壁内侧离刃脚踏面约2m处设置水平槽状结构；•凹槽深度约150~250mm，高度约1000mm；•当井孔采用混凝土或圬工填实时，也可不设凹槽。射水管射水管的功能——通过在井壁预埋射水管，帮助沉井穿透较好土层，达到比较深的深度。射水管的尺寸与构造要求•射水管在井壁内均匀布置，以利于通过控制水压和水量来调整下沉方向；•射水管一般水压≥600kPa。封底和盖板封底的功能——沉井下沉到设计标高后，为使沉井形成一个整体受力结构，将井底的地基反力传至井壁。封底的构造要求•封底混凝土顶面高出凹槽的高度≥500mm；•封底混凝土厚度≥井孔最小边长的1.5倍（经验值）；•封底混凝土一般在水下浇筑，混凝土强度等级≥C20，岩石地基可用C15；盖板的功能•井孔内是否填实，采用什么材料填实，主要依据沉井受力及稳定性要求而定；•在满足稳定性等要求的条件下，为节省材料、减轻自重，可采用空心沉井基础或仅填砂砾，此时为承受上部构造，需要在沉井顶部设置钢筋混凝土盖板。盖板的构造要求•盖板厚度一般取1.5~2.0m；•钢筋由计算决定。•浮运沉井的构造不带气筒的浮运沉井带气筒的浮运沉井不带气筒的浮运沉井适用性•水深不大；•流速不大；•河床平缓；•冲刷较小。施工工艺•岸边制造；•通过滑道下水；•浮运到位；•接高下沉。使用材料——钢材、木材、钢筋混凝土、钢丝网及水泥等。构造形式•双壁浮运沉井（钢丝网薄壁、钢薄壁：用于平面尺寸较大沉井）•带临时性井底的浮运沉井钢丝网水泥薄壁沉井由内、外壁组成的空心井壁沉井，入水后自浮于水中，浮运到位后向井壁腔内灌水下沉落于河床，再逐格对称灌注水下混凝土，使薄壁空腔沉井成为普通的重力式沉井。（特点——制造简单、施工方便、节省钢材）；在底节井孔下端的刃脚处设置可拆除的临时性井底，使沉井成为一个浮体，浮运到位后，向井孔内灌水，沉井下沉，落床稳定后灌注井壁混凝土，即可拆除支撑打开临时性井底，按一般沉井施工。带钢气筒的浮运沉井适用性•河水较深；•水流较急；•沉井较大；•分孔较多。施工工艺•在井孔位置装置钢气筒；•向气筒内打气增大浮力（钢气筒是沉井内的防水结构，利用压缩空气排出气筒内的水）；构造形式•双壁自浮底节；•单壁钢壳；•钢气筒。•组合式沉井——下部桩基础+上部沉井。适用性•采用低承台桩基础，围水开挖基坑浇筑承台存在困难；•沉井刃脚遇倾斜度较大的岩层；•沉井范围内地基土软硬不匀而水深较大。施工工艺•按尺寸制作沉井，下沉到预定标高；•浇筑封底混凝土和桩承台，并预留孔位；•在预留孔位钻孔灌注成桩。3．沉井的施工旱地上沉井的施工在旱地上进行沉井施工，一般比较容易，其主要工序如图示：铺砂垫层、垫木制作底节沉井拆除垫木、开始下沉沉井接高下沉沉井下沉至设计标高沉井封底、填充井孔•平整场地•清理杂物、平整地面；•如地下水位较低，为减小沉井下沉深度，可开挖基坑，坑底高出地下水面0.5~1.0m；•如土质松软，在平整场地夯实后，再铺垫0.3~0.5m厚的砂砾层。•制作底节沉井•刃脚踏面处铺设垫木——使底节沉井重量在垫木下产生的压应力≤100kPa；•布设刃脚角钢、竖立内模、绑扎钢筋、立外模，浇筑混凝土；•拆模和抽垫木•沉井混凝土强度达到70%的设计值后可拆模；•沉井强度达到设计值后可抽出垫木；•抽出垫木应按分区、依次、对称、同步的原则进行，以避免沉井开裂、移动、倾斜；•抽垫木时要随抽随时用砂土回填捣实，注意防止沉井的倾斜。•挖土下沉——排水下沉、不排水下沉排水下挖•土层比较稳定；•渗水量较小；•排水时不会产生涌土或流砂的现象；•人工挖土必须采用排水下沉（排水下沉也可用机械挖土）；•人工挖土下沉可使沉井均匀下沉；•人工可清楚井下障碍物。不排水下挖•一般采用机械挖土；•采用吸泥机挖土时，要不断向井内灌水，使井内水位高出井外1~2m。•沉井接高——底节沉井顶面沉至离地面一定高度时，停止挖土，接筑第2节沉井。•接筑前应使第一节沉井位置正直或尽量纠正倾斜；•凿毛顶面；•立模浇筑混凝土；•待混凝土强度达到设计值后再拆模继续挖土下沉。•筑井顶围堰——当沉井顶面低于地面或水面，可在沉井上接筑围堰，其尺寸略小于沉井，下端与沉井顶部预埋锚杆相连，墩台身出水后可拆除。•地基检验与处理——沉井沉至设计标高后，要进行基底检验（不排水下沉的沉井可用潜水员下水检验）。检验的主要内容：•地质情况与地基承载力是否符合设计要求；•基底平整度；处理的主要内容：•清楚基底浮泥软土，防止封底混凝土和基底间掺有有害夹层；•基底为岩层时，清除岩面残留物（风化岩碎石、卵石、砂石等）；•岩石基底倾斜时，将岩面凿成台阶或榫槽；•基底为砂土或粘性土时，可在基底铺设一层砾石或碎石至刃脚底面以上200mm。•沉井封底、井孔填充、浇筑顶盖板沉井封底•基底检验合格后即行封底；•对于排水下沉的沉井，在清基时若渗水量较小，按普通混凝土浇筑方式进行封底；•对于渗水量大和不排水下沉的沉井，可采用刚性导管法浇注水下混凝土或水下压浆混凝土封底。井孔是否填充，按设计要求而定；不排水封底的沉井，应在封底混凝土强度满足抽水后的应力要求时方可抽水。沉井为空心或井孔仅填砂砾时，沉井顶面应浇筑钢筋混凝土顶盖板，以支持墩身。水中沉井的施工•筑岛法适用条件——流速不大、沉井位于浅水或可能被水淹没的岸滩（施工期最大水深不超过3~4m）人工筑岛要求岛面标高应比施工期最高水位高出0.5~0.7m，有流冰时可适当提高；筑岛平面尺寸应满足沉井制作及抽垫木等施工要求：•无围堰筑岛，在沉井周围设置≥2m宽的护道；•有围堰筑岛时，护道宽度b按下式确定：H——筑岛高度；——筑岛土饱和时的内摩擦角。)2/45tan(Hb•护道宽度在任何情况下不应小于1.5m，当实际的护道宽度小于计算值时，应考虑沉井重力对围堰产生的侧压力影响；•筑岛压缩水面较大时，可采用板桩围堰筑岛，并考虑岛体稳定性。筑岛材料用透水性好，易于压实的砂土或碎石土，岛面地基土承载力应满足底节沉井混凝土产生的最大压应力要求。无围堰筑岛临水面坡度，一般可采用1：1.75~1：3。有围堰筑岛要防止围堰漏土，以避免沉井制造或下沉过程中，产生岛面沉降变形或失稳。•浮运沉井施工沉井制作与下水•岸边制作；•利用滑道下水；•牵引到设计墩位。浮运方式（详细介绍见沉井构造部分）•双壁浮运沉井；•带临时性井底的浮运沉井；•带钢浮筒的浮运沉井。钢丝网水泥薄壁沉井带临时性井底的浮运沉井沉井下沉过程中遇到的问题及处理•沉井发生倾斜与纠偏沉井发生偏移的原因•土岛的水下部分由于水流冲刷或板桩漏土，造成岛面一侧土体松软；•井下平面土质软硬不匀；•未按规定程序对称抽出垫木或未及时填砂夯实；•下沉除土不匀匀，井内底面高差过大；•排水下沉沉井内除土时发生流砂；•刃脚下存在软土夹层，掏空过多，沉井突然下沉；•刃脚一侧或一角遇障碍物，未及时发现与处理；•井内弃土堆积在沉井外一侧，或河床高差过大，侧压力使沉井发生水平位移。沉井纠偏扶正纠正倾斜•偏侧除土•偏压重•顶部加水平力•高压射水•偏侧压气（空气幕沉井）纠正位移偏侧除土沉井底面中心向墩