第六章-沉井基础构造与设计

第一节沉井适用条件沉井是一种四周有壁，下部无底，上部无盖，通常用钢筋混凝土作成的筒形结构物。一般先在地面或人工筑岛的岛上制作井筒，就地在井内不断地挖土，随着井内土面逐渐挖深，沉井依靠其本身自重，克服井壁与土层之间的摩阻力及刃脚下土的阻力不断下沉，直至预定的设计标高。最后，进行沉井封底及混凝土填心。桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计沉井基础特点整体性强埋置深度大稳定性好能承受较大的垂直荷载和水平荷载沉井既是基础,施工时是的土和挡水围堰结构物施工工艺也不复杂,但施工工期较长桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计基础选型，应根据经济、施工等因素综合考虑确定。一般在下列情况，可采用沉井基础：1．上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力不足，做扩大基础开挖量大，以及支撑困难，或场地狭窄与有结构物有干扰，但在一定深度下有好的持力层，采用沉井较其他深基础经济合理时；2．地震区土质液化深度大；山区河流中，土质较好，但冲刷大，或河卵石较大不便桩基施工时；3．岩层表面较平且覆盖层较薄，但河水较深，采用扩大基础施工围护困难时，可采用浮运沉井。桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计①对细砂及粉砂类土在井内抽水易发生流沙现象，造成沉井倾斜；②沉井下沉过程中遇到大孤石、树干或井底岩层面倾斜过大，会给施工带来一定困难。不适用沉井基础的情况桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计国内采用沉井基础的结构物江阴长江公路大桥桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计北岸南岸•99年建成通车的江阴长江公路大桥北锚沉井基础平面尺寸69m×51m，埋深58m，是目前世界上平面尺寸最大的钢筋混凝土沉井基础，总体规模也堪称世界之最。桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计南京长江大桥的沉井下沉深度达54.87米桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计•日本明石海峡大桥，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国外采用沉井基础的桥梁桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计宝山钢铁厂取水泵房工程宝山钢铁厂取水泵房工程使用沉井基础的其他结构物桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计1、沉井平面形状有矩形、圆形和圆端形三种。按其结构特征可分为单孔、双孔及多孔沉井一沉井分类第二节沉井基础构造与设计桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计2、按竖直剖面形状分主要有竖直式，倾斜式及阶梯式等桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计3．按使用材料分(1)混凝土及钢筋混凝土沉井混凝土沉井宜做成园形，适用于下沉深度不大(4-7m)的软土层中，钢筋混凝土沉井其抗垃和抗压性能均较好，下沉深度可以很大（达数十米以上）。当下沉深度不很大时，沉井壁大部用混凝土，下部(刃脚)用钢筋混凝土的沉井。在桥梁工程中是最为常见的。桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计(2)钢沉井用钢板焊制成井壁的沉井，具有强度高、重量轻。易于拼装的特点，宜作浮运沉井和高低刃脚沉井之用。但用钢量大，国内较少采用。(3)其它材料的沉井有竹筋混凝土沉井、砖石沉井和木沉井等，一般情况下不大采用，除非在特定条件下。考虑因地制宜、就地取材时才应用。桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计4．按下沉方式分(1)就地制造下沉的沉井这种沉井是在基础设汁位置上制造，然后在井孔中挖土，靠沉井自重而下沉。如基础位于浅水处，需先在水中筑岛．再在岛面筑井下沉。(2)浮运沉井在深水区，筑岛困难或不经济时，或有碍通航，或河流流速较大，可在岸边制拼井体，滑移下水，再拖运到设计位置下沉。桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计二、沉井构造如图沉井组成刃脚井壁隔墙井孔凹槽封底混凝土顶盖桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计足够的强度、足够的重量,施工中挡土防水，施工完成后成为基础重要组成部分增加沉井刚度，多个施工井孔(取土井),挖土均衡，底部高于井壁井壁：井壁：隔墙：使底板与井壁有更好联结，底距刃脚踏面2.5m，槽高约1.0m，凹入深度约150~250mm凹槽：桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计hb图6-2沉井的刃脚构造100×100×10Φ16l=500交错焊于角钢头(a)(b)Φ20焊于加劲板上500×16588×16(c)桥梁墩台与基础第五章桩基础构造与设计减少下沉阻力，宽10～20cm，高约1.5m，内侧倾角45°～60°刃脚：防止地下水渗入井内,浇注浇注的混凝土底板的混凝土底板钢筋混凝土，顶盖达设计强度后方可砌筑墩、台及其它结构封底：顶盖：桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计井顶围堰当沉井顶面按设计要求位于地面或岛面以下一定深度时，井顶需接筑围堰，以挡土防水。待刃脚沉至设计标高后，直至墩身混凝土高出地面或水面时，即可将这一临时结构拆除。围堰用材料，应视井顶埋入深度和水位(含地下水位)高低而定，常用的有木板、砖石、钢板桩，如图6—3示。桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计(a)木板井顶围堰(b)钢板桩井顶围堰井壁锚栓木板围木顶撑立柱砖砌圬工汇水槽钢板桩顶撑钢环砖砌圬工汇水槽板桩槽环墙A沉井壁A2cm厚木板钢板桩混凝土粘土夯实预埋钢筋环墙20301045图6-3井顶围堰构造桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计沉井的平面尺寸，首先必须满足构造和施工求，即沉井外轮廓尺寸不得小于墩台底平面尺寸加最小襟边宽。沉井顶面襟边的最小宽度，应根据施工容许偏差而定，一般不得小于沉井总高度的1/50，并不得小于20厘米。对浮式沉井还应另加25厘米。对需设井顶围堰者，其襟边宽度尚应满足安装墩台身模板的需要。通常用算出的最小构造尺寸作为初拟尺寸。然后进行地基承载力的验算，直至符合为止。井孔布置应对称，平面尺寸应满足取土机具所需净空和除土范围要求。采用抓土斗除土时，净空一般不宜小于2.5—3.0m(容量0.75m*m*m的抓、张开尺寸为2．65*1．27m)。三、沉井各部分尺寸拟定(如图)桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计一、基本假定与弹性抗力•㈠基本假定•1地基土作为弹性变形介质，地基系数随深度成正比例增加；•2不考虑基础与土之间的黏着力和摩阻力；•3沉井基础刚度与土的刚度之比可认为是无限大。•沉井基础在横向外力作用下只发生转动而无挠曲变形，因此可按刚性基础计算内力和土抗力。•第三节沉井作为整体基础的计算桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计基底嵌入岩层的计算式基底嵌入基岩内，在水平力和竖向偏心荷载作用下，可认为基底不产生水平位移，基础的旋转中心A与基底中心相吻合，即而基底嵌入处将产生水平阻力Ph由于嵌入不深，通常Ph，力矩A点很近，可认为Ph即作用于基础底面，则Ph对A点的力矩可略去不计桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计ay02Cahωσ=0max2CaFNωσ+=FN桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计地面下y深度处产生的水平位移Δx和水平土抗力σx分别为基底的竖向应力为（水平力P作用）：(6-4)上述式中只有一个未知数，故只需建立一个弯矩平衡方程便可解出ω值。ΣMh=0代入并积分:0)(00=−−−+∫WdyyhbQMhhxhσσωω)(tan)(yhyhx−≈−=myyhCxyxωσ)(−=•Δ=ωωσmhaaCh21tan210==桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计代入并积分:整理得:则:令ΣFx=0，得基础嵌入处的水平力021212)(040020=−−+=−−−+∫CaWhmbQhMCaWydyyhmbQhMhωωωω0)6()(12040=+−+ωWaCmhbQhM0406)(12WaCmhbQhM++=ω∫=−+hxhdybQP000σ061)(3000=−+=−−+∫hmbQPydyyhmbQPhhhωω桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计则:当求得的Ph为负值时,则Ph的方向与图示相反,作用于基础的另一侧.基础底面竖向压应力:基础前后侧横向压力:基础身体—截面内的弯矩:QhmbPh−=3061ω0minmax2CaFNωσ±=ωσ)(yhmyx−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−+=)2(1220yhmybQyMMyω桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计三、基底置于非岩石地基上的计算式以基础为脱离体，自两个静力平衡条件ΣFx=0及ΣM0=0可列出包括yA和ω的两个方程式；联立求解便可得出yA和ω的表达式。弹性力σx、σh可自ω和yA求得。()()AAxyytgyyωωΔ=−=−ymyyCxAyx⋅⋅−=⋅Δ=ωσ)((一)土的水平弹抗力桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计ΔyyAhdyyayNAωQMΔx02Cahωσ=0max2CaFNωσ+=FN由上式可以看出，土的水平压应力σx图随深度按二次抛物线变化。（二）基底竖向压应力由两部分合成：1．在竖向力N作用下，基底压应力呈均布状2．由于基础是刚性的，所以当基础转动角时，基底面也旋转了角，在基底的一侧产生向下位移，另一侧向上位移:由它产生的基底压应力:其中C0为深度h处地基的竖向地基系数FNωyΔyΔω2ay=Δωσ⋅⋅=Δ⋅=200aCyChω桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计3．转动中心位置和转角令ΣFx=0展开整理得:令所以，基底前后边缘最大和最个竖向压应力为以上两者之叠加0minmax2CaFN⋅±=ωσ000=−∫hxdybQσ0)3121()(32000=−−=−−∫hhymbQydyyymbQAhAωω06233020=−−QhmbhmbyAωω00=ΣM000=−+∫hhxWydybMσσ桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计代入积分:展开整理而得:联解①、②式得：02)43(2)(0300020=−−+=−−+∫CaWhyhmbMCaWdyyyymbMAhAωωωω06341204030=−−+CWahmbhmbyMAωωω4001232)18MQhbmhWaCω+=+（30020(43)62(32)AbmhMQhQWaCybmhMQh++=+桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计（三）任意截面弯矩地面下任一深度y处基础截面内的弯矩为：但通常情况下，沉井基础横截面上由产生的应力不控制设计，可不必检算。⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−+=)2(1220yymybQyMMAyωyMyM桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计xσaPpPapxPP−≤σ四、弹性固着验算弹性固着验算亦即水平土抗力验算，即基础前后侧某一深度处水平应力不得超过土体的抗力，这一条件谓之弹性固着条件。如满足不了这一条件，则不能考虑基础侧向土的弹性抗力作用。当基础在外力作用下产生位移时，在深度y处基础一侧产生主动土压力强度，而被挤压一侧土体受到被动土压力强度，其极限抗力以土压力表达为：，由朗金土压力理论可知，在地面以下深度y处桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计2(45)2(45)22pPytgCtgφφγ=°++°[phone]aPytgCtgφφγ=°−−°−，由朗金土压力理论可知，在地面以下深度y处4()cosxytgCσγφφ≤+代入（6—19）整理得桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计3hy=hy=出现最大的水平压应力大致在和处12()34()cos3hxhtgCσηηγφφ≤+()124()coshxhtgCσηηγφφ≤+1η11=η7.01=η—取决于上部结构形式的系数，一般取，对于静不定结构—考虑恒载对基础底面重心所产生的弯矩在总弯矩中所占的百分比的系数，当nMmMah5.2≤mnMM8.012−=η时,2η桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计δ五、墩台顶面的水平位移受结构刚度影响的墩台顶面的弹性水平位移，是保持桥上线路平稳的重要条件，必须控制在一定范围内，以保证列车高速安全地运行。基础在水平力和力矩作用下，墩台顶面会产生水平位移由三部分组成，如图6—6所示。δ[]δδδ≤+⋅+=0(h)AtgωLtgωy桥梁墩台与基础第六章沉井基础构造与设计1K2K由于基础的实际刚度并非无穷大，故须考虑基础实际刚度对地面或局部冲刷线处的水平位移和转角的影响，用系数表示。因此(6—22)式可写成：[]δδωδ≤++