长安大学基础工程第五章-沉井基础及地下连续墙

1第五章沉井基础及地下连续墙第一节概述沉井基础的定义：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。沉井基础的特点：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。沉井基础的典型施工方法：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；中心岛式下沉沉井基础的使用范围：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。第二节沉井的类型和构造一、沉井分类按材料分类：2混凝土、钢筋混凝土、钢、砖、石、木等按平面形状分类：圆形、方形、矩形、椭圆形、圆端形、多边形及多孔井字形等，如图4－l所示。按竖向剖面形状分类：圆柱形、阶梯形及锥形等，如图4-2所示。二、沉井构造井壁(侧壁)、刃脚、内隔墙、井孔、封底和顶盖板等组成，如图4－3所示。1．井壁井壁是沉井的主要部分，应有足够的厚度与强度，以承受在下沉过程中各种最不利荷载组合(水土压力)所产生的内力，同时要有足够的重量，使沉井能在自重作用下顺利下沉到设计标高。设计时通常先假定井壁厚度，再进行强度验算。井壁厚度一般为0.4~1.2m左右。对于薄壁沉井，应采用触变泥浆润滑套、壁外喷射高压空气等措施，以降低沉井下沉时的摩阻力，达到减薄井壁厚度的目的。但对于这种薄壁沉井的抗浮问题，应谨慎核算，并采取适当、有效的措施。2．刃脚井壁最下端一般都做成刀刃状的“刃脚”。其主要功用是减少下沉阻力。刃脚还应具有一定的强度，以免在下沉过程中损坏。刃脚底的水平面称为踏面，如图4-4所示。刃脚的式样应根据沉井下沉时所穿越土层的软硬程度和刃脚单位长度上的反力大小决定，沉井重、土质软时，踏面要宽些。相反，沉'井轻，又要穿过硬土层时，踏面要窄些，有时甚至要用角钢加固的钢刃脚。3．内隔墙根据使用和结构上的需要，在沉井井筒内设置内隔墙。内隔墙的主要作用是增加沉井在下沉过程中的刚度，减小井壁受力计算跨度。同时，又把整个沉井分隔成多个施工井孔(取土3井)，使挖土和下沉可以较均衡地进行，也便于沉井偏斜时的纠偏。内隔墙因不承受水土压力，所以，其厚度较沉井外壁要薄一些。5．井孔沉井内设置的内隔墙或纵横隔墙或纵横框架形成的格子称作井孔，井孔尺寸应满足工艺要求。6．射水管当沉井下沉深度大，穿过的土质又较好，估计下沉会产生困难时，可在井壁中预埋射水管组。射水管应均匀布置，以利于控制水压和水量来调整下沉方向。一般不小于600kPa。如使用触变泥浆润滑套施工方法时，应有预埋的压射泥浆管路。7．封底及顶盖当沉井下沉到设计标高，经过技术检验并对井底清理整平后，即可封底，以防止地下水渗入井内。为了使封底混凝土和底板与井壁间有更好的联结，以传递基底反力，使沉井成为空间结构受力体系，常于刃脚上方井壁内侧预留凹槽，以便在该处浇筑钢筋混凝土底板和楼板及井内结构。凹槽的高度应根据底板厚度决定，主要为传递底板反力而采取的构造措施。凹槽底面一般距刃脚踏面2.5m左右。槽高约1.0m，接近于封底混凝土的厚度，以保证封底工作顺利进行。凹人深度c约为150~250mm。第三节沉井的施工沉井基础施工一般可分为旱地施工、水中筑岛施工及浮运沉井施工三种，现分别简介如下：一、旱地上沉井的施工桥梁墩台位于旱地时，沉井可就地制造、挖土下沉、封底、充填井孔以及浇筑顶板。在这种情况下，一般较容易施工，工序如下：（一）整平场地（二）制造第一节沉井（三）拆模及抽垫（四）挖土下沉（五）接高沉井（六）筑井顶围堰（七）地基检验和处理（八）封底、充填井孔及浇筑顶盖二、水中沉井的施工（一）筑岛法（二）浮运沉井施工三、沉井下沉过程中遇到的问题及处理4（一）沉井发生倾斜和偏移偏斜主要原因：土岛表面松软，使沉井下沉不均，河底土质软硬不匀；挖土不对称；井内发生流砂，沉井突然下沉，刃脚遇到障碍物顶住而未及时发现；并内挖除的土堆压在沉井外一侧，沉井受压偏移或水流将沉井一侧土冲空等。沉井发生倾斜纠正方法：在沉井高的一侧集中挖土；在低的一侧回填砂石；在沉井高的一侧加重物或用高压身水冲松土层；必要时可在沉井顶面施加水平力扶正。沉井发生偏移纠正方法：纠正沉井中心位置发生偏移的方法是先使沉井倾斜，然后均匀除土，使沉井底中心线下沉至设计中心线后，再进行纠偏。（二）沉井下沉困难增加沉井自重减小沉井外壁的摩阻力四、泥浆润滑套与壁后压气沉井施工法（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。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%（泥浆的性能指标以及检测方洁可参见有关施工技术手册）。这种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。泥浆润滑套的构造主要包括：射口挡板，地表围圈及压浆管。沉井下沉过程中要勤补浆，勤观测，发现倾斜、漏浆等问题要及时纠正。当沉井沉到设计标高时，若基底为一般土质，因井壁摩阻力较小，会形成边清基边下沉的现象，为此，应压入水泥砂浆换置泥浆，以增大井壁的摩阻力。另外，在卵石、砾石层中采用泥浆润滑套效果一般较差。（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。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。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。5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沉井作为整体深基础时的基本假定条件：1．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；2．不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力；3．沉井基础的刚度与土的刚度之比可认为是无限大。（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作用时，为了讨论方便，可以把这些外力转变为中心荷载和水平力的共同作用，转变后的水平力H距离基底的作用高度λ为HMHHlNe先讨论沉井在水平力H作用下的情况。由于水平力的作用，沉井将围绕位于地面下Z0深度处的A点转动一ω角，地面下深度Z处深井基础产生的水平位移Δx和土的横向抗力σzx分别为tgZZx)(0tgZZCCzzxzx)(0式中：Z0——转动中心A离地面的距离；Cz——深度Z处水平向的地基系数，Cz=mZ0（kN/m3）m为地基比例系数（kN/m4）。将Cz值代入得tgZZmZzx)(06从式中可见，土的横各抗力沿深度为二次抛物线变化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，故其压应力图形与基础竖向位移图相似。故tgdCCd20102式中C0（见桩基础）不得小于10m0，d为基底宽度或直径。在上述三个公式中，有两个未知数Z0和ω，要求解其值，可建立两个平衡方程式，即ΣX=0hhzxdZZZZmtgbHdzbH000110)(ΣX=0hdzxWZdZbHh02110式中b1为基础计算宽度，按第四章中“m法”计算，W为基底的截面模量。对上二式进行联立解，可得)3(26)4(1210hhbdWhhbZ)18()32(12311WdhbmhhhHtgAmhHtg6式中：00CmhCCh，β为深度h处沉井侧面的水平向地基系数与沉井底面的竖向地基系数的比值，其中m、m0按第三章有关规定采用；)3(21831hWdhbA)(60ZZZAhHzxAHdd32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7AHdAN30maxmin式中A0为基础底面积。离地面或最大冲刷线以下Z深度处基础截面上的弯矩，为ZzxzdZZZbZhHM0111)()()2(2)(031ZAhAZHbZhH（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。当基础有水平力H作用时，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上述公式中只有一个未知数ω，故只需建立一个弯矩平衡方程便可解出ω值。∑MA=0hdzxWdZZhbhhH02110)()(解上式得mhDHtg式中12631WdhbD将tgω代入得DhHZZhzx)(8DHdd22基底边缘处的应力为DHdAN20maxmin根据∑x=0，可以求出嵌入处未知的水平阻力PHdZbPhzx01)16(21DhbH地面以下Z深度处基础截面上的变矩为)2(12)(31ZhDhHZbZhHMz（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δ2，三部分组成。02210)(hKKZ或对支承在岩石地基上的墩台顶面水平位移为0221)(KhhK（四）验算1．基底应力验算σmax≤[σ]h2．横向抗力验算σzx≤Pp—Pa由朗金土压力理论可知)245(2)245(2ctgZtgPp)245(2)245(2ctgZtgPa代入得)(cos4cZtgzx9式中γ为土的容重，φ和C分别为土的内摩擦角和粘聚力。考虑到桥梁结构性质和荷载情况，并根据试验知道出现最大的横向抗力大致在3hZ和Z=h处，将考虑的这些值代入便有下列不等式)3(cos4213ctghxh)3(cos421ctghhx式中xh3——相应于3hZ深度处的土横向抗力；σhx——相应于Z=h深度处的土横向抗力，h基础的埋置深度；η1——取决于上部结构形式的系数，一般取η1=1，对于拱桥η1=0.7；η2——考虑恒载对基础重心所产生的变矩Mg在总弯矩M中所占百分比的系数，即MMg8.012。3．墩台顶面水平位移验算)(5.0cmL式中L为相邻跨中最小跨的跨度（m），当跨度L＜25m时，L按25m计算。二、沉井施工过程中的结构强度计算沉井结构在施工过程中主要进行下列验算。（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TQK＞1式中：K——下沉系数，应根据土类别及施工条件取大于1的数值；Q——沉井自重（kN）；T——土对井