第五章 沉井基础new

第五章沉井基础第一章沉井的基本概念、作用及适用条件一.工作原理用砖、素砼或钢筋砼制成的筒形结构物，施工时从井筒内挖土，使得沉井失去支承靠自重作用而下沉，不断接高沉井，不断挖土下沉，直至设计标高，封底。二.作用1.施工中用作围堰抵抗土压水压2.竣工后作为深基础三.特点1).承载力高，刚度大，整体性好2)..既是基础又是围堰结构3).对邻近建筑物影响小，内部空间可以利用1.优点2.缺点1).施工期较长2).粉细砂中易发生流砂，造成沉井倾斜3).下沉过程遇大孤石、树干或井底岩石表面倾斜过大，施工困难地面制作挖土下沉节省开挖量竣工后基础施工期护壁封底适用条件1)上部荷载较大,表层地基土承载力不足,采用扩大基础不合适时;2)山区河流中,虽然土质较好,但冲刷大,或河中有较大卵石不便桩基础施工时;3)岩层表面较平坦且覆盖层薄,但河水较深,采用扩大基础施工围堰有困难时.一.沉井的分类第二节沉井的类型和构造(一)按施工方法分一般沉井浮运沉井(二)按形状分1.按平面形状分圆形沉井矩形沉井圆端形沉井2.按立面形状分(视土层性质及下沉深度定)竖直式倾斜式台阶式沉井的平面形式水上筑岛下沉沉井沉井的立面形式(三)按材料分砼沉井钢筋砼沉井竹筋砼沉井钢沉井二.沉井基础的构造(一)沉井轮廓尺寸矩形沉井：长边/短边3襟边宽度：0.2m且沉井全高/50；浮运沉井：0.4m顶面须设围堰时，应据围堰构造加大墩台身边缘尽可能支承于井壁或盖板支承面上，对于空心沉井不允许墩台身全部置于井孔位置上。立面：顶面位于地面下0.2m或地下水位上0.5m.高度较大时应分节下沉，3m每节高度5m松软土层中下沉时，底节高度0.8沉井宽度方型或圆形井：长边接近短边时平面:墩台底部尺寸+襟边宽度(二)沉井的一般构造1.井壁作用：施工中用作围堰，承受土、水压力下沉时作为重量(靠自重克服井壁与土之间的摩阻力)施工完毕后，作为基础或基础的一部分承担荷载厚度：0.80~1.5m且0.4m砼：C152.刃脚作用：下沉时切土砼：C20受力最集中的部分3.隔墙作用：加强沉井刚度分隔井孔，各井孔内分别挖土，以控制沉降及纠倾4.井孔宽度：3m，对称布置盖板井壁隔墙凹槽井孔刃脚封底0.8~1.245°0.50.1~0.2(二)沉井的一般构造5.凹槽作用：使封底砼与井壁更好地结合，封底砼底面的反力能更好地传给井壁深度0.15~0.25m，高1m.盖板井壁隔墙凹槽井孔刃脚封底0.8~1.245°0.50.1~0.26.射水管需射水下沉时，应在孔壁预埋射水管。沿孔壁均匀布置，以便于控制水压和水量来调整下沉方向.7.封底及盖板封底砼厚度：1.5倍井孔最小边长等级：岩石地基：C15，一般地基：C20盖板厚度：1.5~2.0m孔内填充砼：C10(三)浮运沉井构造不带气筒带气筒1.不带气筒的浮运沉井水浅，流速不大，河床平缓，冲刷小钢丝网水泥薄壁沉井：内、外壁及横隔板均用钢丝网水泥制成。带临时底板的浮运沉井：底板设于刃脚底部，并保证其水密性及强度且便于拆除施工流程：沉井浮运就位后，接高沉井使其下沉至河床，向筒内注水至与筒外水位平齐，拆除临时底板。2.带气筒的浮运沉井水深流急双壁钢底节单壁钢壳钢气筒提供浮式沉井接高时所需的浮力控制沉井上浮、下沉及纠偏防水结构、接高时砼的模板(四)组合式沉井当刃脚遇到倾斜较大岩层,或沉井范围内地基软硬不均,且水深较大时采用.组合沉井:上面是沉井,下面是桩基础的混合式基础一旱地上沉井的施工1.整平场地土质较硬：清除杂物土质较软：夯实或铺填砂垫层2.制造第一节沉井刃脚踏面处对称铺设垫土放置刃脚角钢支模绑扎钢筋，浇注第一节沉井砼第三节沉井施工第三节沉井施工3.拆模及抽垫待砼强度达到70%，拆模。达到设计强度后，抽垫木。抽垫木注意：(1)顺序：先内墙，后短边，最后长边。撤长边时，以定位垫木为中心，由远到近依次、对称、同步地抽撤。(2)撤完一根垫木后，应立即回填砂土捣实4.挖土下沉定位垫木定位垫木定位垫木定位垫木排水下沉：不排水下沉：土层性质稳定，不会产生流砂时人工或机械开挖(高压水枪冲土为泥)抓土斗或水力吸泥机水下出土井内水位高于井外水位1~2m吸泥机吸出井外5.接高井筒6.筑井顶围堰7.地基检验和处理检验地基土质情况，场地是否平整，对地基进行必要的处理，保证井底地基尽量平整，浮土及软土清除干净，使封底砼、沉井及地基紧密连接。8.封底、充填井孔及浇筑顶盖二.水中沉井施工1.筑岛法材料：砂、砾石围堰筑岛时，不考虑沉井重力对钢板桩的侧向压力的影响时围堰距井壁外缘的最小距离：245Htgb角筑岛土在水中的内摩擦2.浮运法1.筑岛法三.沉进井下沉过程中遇到问题及处理1.沉井倾斜和偏移原因：土质松软，沉井下沉不均；土层软硬不匀；挖土不对称；发生流砂；遇到障碍物；挖除的土堆于一侧；偏心受压及沉井一侧受到冲刷较大处理措施：1)倾斜高的一侧集中挖土或高压水射松土层低的一侧回填砂石高的一侧加重物顶面施加水平力有意使沉井倾斜均匀挖土使沉井沿倾斜方向下沉至底面中心与设计中心线重合纠正倾斜3)清除障碍物：树根或钢材:切除大孤石:炸除2)偏移：三.沉进井下沉过程中遇到问题及处理2..沉井下沉困难原因：沉井自重偏轻，克服不了井壁摩阻力刃脚遇大障碍物被顶住处理措施：增加沉井自重减小井壁摩阻力接高沉井，增加自重顶部压重物降低井内水位，减小沉井所受浮力立面设计成阶梯形、台阶形井壁外高压射水安放炸药，利用炮震使沉井下沉采用空气幕或泥浆套四.泥浆润滑油套与壁后压气施工法1.泥浆润滑套1)原理：井壁四周注入泥浆，利用泥浆的润滑作用降低井壁摩阻力2)材料要求：配比：粘土：水：碳酸钠=0.35~0.45：0.55~0.65：0.004~0.00615PI，含砂率6%粘土：3)构造射口挡板防止泥浆直冲土壁及土壁局部坍落堵塞射浆口地表围圈保护泥浆压浆管：内管(壁厚)、外管(壁薄)4)至设计标高，用水泥砂浆置换泥浆以增大井壁摩阻力，防止沉井下沉2.壁后压气沉井法原理：通过向井壁四周预埋的气管喷射高压气流，在井壁外侧形成一圈空气幕，使井壁周围土体松动，减小井壁摩阻力，使沉井下沉压气时气压取该处静水压力的2.5倍施工中大型沉井江阴公路大桥北锚沉井:沉井平面长69米，宽51米，下沉深度为58米，体积20.4万立方米,列世界最大沉井第三节沉井的设计与计算沉井是深基础的一种类型，沉井在施工完毕后，由于它本身就是结构物的基础，就应按基础的要求进行各项验算；但在施工过程中，沉井是挡土、挡水的结构物，因而还要对沉井本身进行结构设计和计算。一、沉井作为整体深基础的设计与计算沉井作为整体深基础设计主要是根据上部结构特点、荷载大小以及水文、地质情况，结合沉井的构造要求及施工方法，拟定出沉井的平面尺寸，埋置深度，然后进行沉井基础的计算。沉井基础的计算，根据它的埋置深度可用两种不同的计算方法。一、沉井作为整体深基础的设计与计算沉井埋置深度较浅:可以不考虑基础侧面土的横向抗力影响，而按浅基础设计计算规定，分别验算地基强度、沉井基础的稳定性和沉降；沉井埋置深度较大: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，可按刚性桩计算内力和土抗力，即相当于“m”法中h2.5的情况。一、沉井作为整体深基础的设计与计算计算假定:1.地基土为弹性介质,水平向地基系数随深度成正比增加;2.不考虑基础与土之间的粘结力和摩阻力;3.沉井基础刚度与土体刚度之比为无穷大.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，可按刚性桩计算内力和土抗力，即相当于“m”法中h2.5的情况。（一）非岩石地基上沉井基础的计算沉井基础受到水平力H及偏心竖向力N作用。将水平力H及偏心竖向力N引起的力矩等效转换成水平力H距离基底的作用高度:（一）非岩石地基上沉井基础的计算水平力H作用下沉井将围绕位于地面下z0深度处的A点转动一角，地面下深度z处沉井基础产生的水平位移x和土的横向抗力zx分别为：x=(z0－z)tgzx=xCz=mz(z0－z)tg式中z0—转动中心A离地面的距离zx随深度呈抛物线变化（一）非岩石地基上沉井基础的计算基础底面处的压应力，考虑到该水平面上的竖向地基系数C0不变，故压应力图形与基础竖向位移图相似。x=(z0－z)tgzx=xCz=mz(z0－z)tg上述三个公式中，有两个未知数z0和，要求解其值，可建立两个平衡方程式（一）非岩石地基上沉井基础的计算W为基底的截面模量;联立求解可得z0、ω（tanω），进而求得平衡方程:)3(21831hWdhbA00CmhCCh（一）非岩石地基上沉井基础的计算基底边缘处的压应力为式中A0——基础底面积。离地面或最大冲刷线以下z深度处基础截面上的弯矩（二）基底嵌入基岩内的沉井认为基底不产生水平位移，则基础的旋转中心A与基底中心相吻合，即z0＝h。地面下z深度处产生的水平位移Δx和土的横向抗力zx分别为Δx=(h－z)tgzx＝mzΔx＝mz(h－z)tg基底边缘处的竖向应力为（二）基底嵌入基岩内的沉井由弯矩平衡方程ΣMA＝0便可解出值，并进一步求得基底边缘处的应力由ΣX＝0，得到嵌入处未知的水平阻力P地面以下z深度处截面上弯矩（三）验算1.基底应力验算2.横向抗力验算极限抗力值计算方法:基础在外力作用下产生位移时，在深度z处基础一侧产生主动土压力强度pa，而被挤压一侧土就受到被动土压力强度pP，其极限抗力用土压力表达为（三）验算3.墩台顶面水平位移验算考虑到转角一般均很小，可令tg=。如果沉井基底嵌入基岩内，z0＝h。桥梁规范：墩台顶面的水平位移应满足：L为相邻跨中最小跨的跨度二、沉井施工过程结构强度计算（一）自重下沉验算验算在沉井施工下沉时，保证在自重作用下克服井壁摩阻力而顺利下沉，下沉系数K满足（二）第一节沉井竖向挠曲验算将井壁看作承受自重的梁计算竖向挠曲应力.若挠曲应力超过材料强度,应增加第一节高度(相当于增加截面高度),或井壁内配置横向挠曲受力筋.1TQK二、沉井施工过程结构强度计算（三）刃脚计算计算模式:沉井刃脚相当于三面固定，一面自由的双向板;简化处理:1)刃脚可看作固着在井壁根部处的悬臂梁，梁长等于井壁刃脚斜面部分的高度；2)刃脚又可看作为一个封闭的水平框架。作用在刃脚侧面上的水平外力将由悬臂梁和框架来共同承担.二、沉井施工过程结构强度计算（四）井壁计算。1.竖向挠曲计算（沉井抽承垫木时计算）2.沉井均布竖向拉力计算（井壁竖直钢筋验算）3.沉井井壁水平应力计算（井壁水平钢筋计算）（五）封底混凝土的厚度计算沉井底板可按均布荷载作用下的铰支承板设计，在计算该均布荷载时，不计沉井均布摩阻力。