第五章沉井基础及地下连续墙

1第五章沉井基础及地下连续墙2本章主要内容基本概念、作用及适用条件类型和构造沉井施工沉井的设计与计算重点难点3第一节概述定义：沉井是一种井筒状结构物，是依靠在井内挖士，借助井体自重及其它辅助措施而逐步下沉至预定设计标高，最终形成的建筑物基础的一种深基础型式。4江阴大桥北锚锭沉井沉井平面长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。世界第２的美国费雷泽诺桥的沉井体积为15万立方米5大型钢壳沉井6过黄浦江倒虹管沉井7宝山钢铁厂取水泵房工程8特点占地面积小，不需要板桩围护，与大开挖相比较，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，操作简便，无需特殊的专业设备。近年来，沉井的施工技术和施工机械都有很大改进。典型施工方法触变泥浆润滑套法；壁后压气（空气幕）法；钻吸排土沉井施工技术；中心岛式下沉9缺点(1)施工工期较长；(2)施工技术要求高；(3)施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。10使用范围：1．上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力不足，扩大基础开挖工作量大，以及支撑困难，但在一定深度下有好的持力层，采用沉井基础与其它深基础相比较，经济上较为合理时；2．在山区河流中，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。11第二节沉井的类型和构造一、沉井分类按材料分类：混凝土、钢筋混凝土、钢、砖、石、木等按施工方法分类：一般沉井、浮运沉井12按平面形状分类13按竖向剖面形状分类14二、沉井构造刃脚井壁内隔墙取土井凹槽射水管封底顶(盖)板151）井壁：主要承担井外水土压力和自重的部分设计时通常先假定井壁厚度再进行承载力验算；井壁厚度一般为0.8~1.5ma）、（b）竖直的；（c）、（d）台阶形的；（e）锥形的；（f）倒锥形的沉井外壁的形式162）刃脚：作用在于减少沉井下沉阻力a—混凝土刃脚；b—设角钢的刃脚；c—尖刃脚173）隔墙加强沉井刚度、缩小外壁计算跨度，同时又将沉井分成多个取土井，便于掌握挖土位置以控制下沉的方向；内隔墙的间距一般不大于5~6m，厚度一般为0.5~1.0m。一般要求隔墙底高出刃脚底面0.5~1.0m。184）取土井（井孔）位置：取土井的平面布置应与中轴线对称，以利于沉井均匀下沉；大小：由取土方法而定，采用挖土斗取土时，应能使挖土斗自由升降，最小边长不宜小于3m。处理：以素混凝土、片石混凝土或砌片填充。195）凹槽为了封底混凝土嵌入井壁，形成整体，使传至沉井壁上的力能更好地传递给封底混凝土底面。遇到意外困难，还可在凹槽处浇筑钢筋混凝土盖板，将沉井改为沉箱。尺寸：凹槽深约0.15~0.25m，高约1.0m左右，其距刃脚底面一般在1.5m以上。206）射水管组、探测管、气管和压浆管射水管组：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。高压水水压一般不小于0.6MPa，每一水管的排水量不小于200L/min；探测管：探测刃脚和隔墙底面下的泥面标高，清基射水或破坏沉井正面土层以利下沉；气管：空气幕下沉沉井；压浆管：埋设压浆管21探测管227）封底渗水率小于6mm/min时，排干水后用C15或C20普通混凝土浇筑；当井中的渗水率大于6mm/min时，宜采用导管法浇注C20级水下混凝土封底。厚度按其承载力条件计算确定，一般其顶面应高出凹槽0.5m。238）顶(盖)板以混凝土填心的沉井可用素混凝土顶板；空心或以其他松散料填心的沉井需用钢筋混凝土顶板，厚度一般为1.0~2.0m；排水下沉的沉井，其顶面在地面或水位以下时，应设挡土防水墙连接在井壁的顶部。24（三）浮运沉井材料：多由钢筋混凝土、钢和木等材料组合而成。适用条件：水深流缓、覆盖层浅或潮水高差大、地质复杂的近海河流上的桥梁基础。分类：不带气筒和带气筒两种25不带气筒的浮运沉井26带钢气筒的浮运沉井27（四）组合式沉井组成：上面沉井，下面桩基适用条件：采用低桩承台而围水挖基浇筑承台有困难，当沉井刃脚遇到倾斜较大的岩层或在沉井范围内地基土软硬不均而水深较大时。28分类：旱地施工沉井与水上施工沉井旱地沉井工序：就地制造→挖土下沉→孔底清查→封底→充填井孔以及浇注顶板。第三节沉井的施工29旱地沉井施工过程图30大型沉井下沉施工中31水上沉井工序：水深3~4m以内且流速不大时(筑岛法)水上筑岛→岛上制造→挖土下沉→孔底清查→封底→充填井孔以及浇注顶板。水较深或流速较大时（浮运法）岸边制造→牵引滑移或起吊就位→挖土下沉→孔底清查→封底→充填井孔以及浇注顶板。32水上沉井施工过程图水上筑岛下沉沉井浮运沉井下水33深圳水库钢壳沉井施工34施工中常见问题1、突沉井壁侧摩阻力较小2、沉偏土质不均匀或出现个别障碍物或施工质量问题3、难沉侧摩阻力过大或有障碍35沉井纠编的方法（1）当沉井向某侧倾斜时，可在高的一侧多挖土，使沉井恢复水平，然后再均匀挖土。（2）当矩形沉井长边产生偏差时，可采用偏心压重进行纠偏36偏心压重纠偏示意图37（3）小沉井或矩形沉井短边方向产生偏差时，应在下沉少的一侧外部用压力水冲井壁附近的土，并加偏心压重；在下沉多的一侧加一水平推力，以纠正倾斜38（4）当直径相对其高度来说较小且为圆形沉井出现倾斜时，应在下沉多的方向挖土，下沉少的一侧加压重，并用钢绳从横向给沉井一定拉力，以纠正沉井倾斜。（5）当采用触泥浆润滑套时，可采用导向木法纠偏。（6）沉井位移的纠正方法如下图所示。当沉井中心线与设计中心线不重合，可先一侧挖土，使沉井倾斜，然后均匀挖土，使沉井沿倾斜方向下沉到沉井底面中心线接近设计中心线位置时，再纠正倾斜。39沉井位移纠正方法示意图40四、泥浆润滑套与壁后压气施工法（一）泥浆润滑套泥浆润滑套是把配置的泥浆灌注在沉井井壁周围，形成井壁与泥浆接触。泥浆对沉井壁起润滑作用，它与井壁间摩阻力仅3～5kPa大大降低了井壁摩阻力(一般粘性土对井壁摩阻力为25～50kPa)，因而有提高沉井下沉的施工效率，减少井壁的圬土数量，加大了沉井的下沉深度，施工中沉井稳定性好等优点。41选用的泥浆配合比应使泥浆性能具有良好的固壁性、触变性和胶体稳定性。一般采用的泥浆配合比（重量比）为粘土35%～45%，水55%～65%，另加分散剂碳酸钠0.4%～0.6%，其中粘土或粉质粘土要求塑性指数不小于15，含砂率小于6%。泥浆润滑套的构造主要包括：射口挡板，地表围圈及压浆管。42（二）壁后压气沉井法壁后压气沉井法也是减少下沉时井壁摩阻力的有效方法。它是通过对沿井壁内周围预埋的气管中喷射高压气流，气流沿喷气孔射出再沿沉井外壁上升，形成一圈压气层（又称空气幕），使井壁周围土松动，减少井壁摩阻力，促使沉井顺利下沉。43施工气管布置施工时压气管分层分布设置，竖管可用塑料管或钢管，水平环管则采用直径25mm的硬质聚氯乙烯管，沿井壁外缘埋设。每层水平环管可按四角分为四个区，以便分别压气调整沉井倾斜。压气沉井所需的气压可取静水压力的2.5倍。44比较与泥浆润滑套相比，壁后压气沉井法在停气后即可恢复土对井壁的摩阻力，下沉量易于控制，且所需施工设备简单，可以水下施工，经济效果好。现认为在一般条件下较泥浆润滑套更为方便，它适用于细、粉砂类土的粘性土中。45第四节沉井的设计与计算一、沉井作为整体深基础的设计与计算基本假设：地基土作为弹性变形介质，水平向地基系数随深度成正比例增加；不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力；沉井基础的刚度与土的刚度之比可认为是无限大。46HN（一）非岩石地基上沉井基础的计算水平力H距离基底的作用高度λ：荷载简化HMHHlNe47沉井在水平力H作用下的响应沉井将围绕位于地面下Z0深度处的A点转动ω角，地面下深度Z处沉井基础产生的水平位移Δx和土的横向抗力σzx：tgZZx)(0tgZZCCzzxzx)(0tgZZmZzx)(0tgdCCd20102未知数48平衡方程解得hhzxdZZZZmtgbHdzbH000110)(hdzxWZdZbHh02110ΣX=0ΣM=0)3(26)4(1210hhbdWhhbZ)18()32(12311WdhbmhhhHtgAmhHtg6或00CmhCCh)3(21831hWdhbA49代入得当有竖向荷载N及水平力H同时作用时则基底边缘处的压应力为)(60ZZZAhHzxAHdd32AHdAN30maxmin50离地面或最大冲刷线以下Z深度处基础截面上的弯矩ZzxzdZZZbZhHM0111)()()2(2)(031ZAhAZHbZhH51（二）基底嵌入基岩内的计算方法若基底嵌入基岩内，在水平力和竖直偏心荷载作用下，可以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，为一已知值。这样，在基底嵌入处便存在一水平阻力P，由于P力对基底中心轴的力臂很小，一般可忽略P对A点的力距。52水平力H作用下的响应地面下z深度处产生的水平位移ΔX和土的横向抗力σzx分别为：ΔX=（h-z）tgωσzx=mzΔx=mz（h-z）tgω基底边缘处的竖向应力为tgmhdtgdCd2202未知数53平衡方程∑MA=0解得：hdzxWdZZhbhhH02110)()(mhDHtg12631WdhbDDhHZZhzx)(DHdd22基底边缘应力：DHdAN20maxmin嵌入处水平阻力：)16(21DhbHP)2(12)(31ZhDhHZbZhHMzz处弯矩：54（三）墩台顶面的水平位移基础在水平力和力矩作用下,墩台顶面会产生水平位移δ，它由地面处的水平位移Z0tgω，地面到墩台顶范围h2范围内墩台身弹性挠曲变形引起的墩台顶水平位移δ0三部分组成。02210)(hKKZ岩基上的墩台顶面水平位移0221)(KhhK55（四）验算1．基底应力验算：σmax≤[σ]h2．横向抗力验算：σzx≤Pp-Pa)245(2)245(2ctgZtgPp)245(2)245(2ctgZtgPa)(cos4cZtgzx56∵最大的横向抗力大致在h/3和h处∴墩台顶面水平位移验算)3(cos4213ctghxh)3(cos421ctghhx)(5.0cmL57二、沉井施工过程中的结构强度计算（一）沉井自重下沉验算为了使沉井能在自重下顺利下沉，沉井重力（不排水下沉者应扣除浮力）应大于土对井壁的摩阻力，将两者之比称为下沉系数，要求1TQKiiiuhfT58调整措施加大井壁厚度或调整取土井尺寸；如为不排水下沉者，则下沉到一定深度后可采用排水下沉；增加附加荷载或射水助沉；采用泥浆润滑套或壁后压气法等措施。59（二）第一节（底节）沉井的竖向挠曲验算1．排水挖土下沉（支承点位置易于控制）首节沉井支承点的布置原则：使支点与跨中弯矩大致相等。2．不排水挖土下沉（支承点位置不易控制）根据可能出现的最不利情况进行验算。60（三）沉井刃脚受力计算沉井刃脚相当于是三面固定，一面自由的双向板，为简化计算一方面可看作固着在刃脚根部处的悬臂梁，梁长等于井壁刃脚斜面部分的高度；另一方面，刃脚又可看作为一个封闭的水平框架。因此，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，也即部分水平外力是垂直向传至刃脚根部，余下部分由框架承担。61刃脚水平力的分配刃脚悬臂作用的分配系数为刃脚框架作用的分配系数为4144105.01.0LhLak)0.1(a424405.0Lhhkk支承于隔墙间的井壁最大计算跨度刃脚斜面部分的高度支承于隔墙间的井壁最小计算跨度；621．刃脚竖向受力分析刃脚根部可以认为与井壁嵌固，刃脚高度作为悬臂长度，并可根据以下两种不利情况分别计算：（1）当沉井下沉途中，刃脚内侧已切入土中深约1m，这时刃脚处于向外挠曲的