基础工程-赵明华-第五章

5.沉井基础内容提要沉井基础的分类、构造及施工沉井作为整体深基础的计算沉井施工过程的结构强度计算地下连续墙简介5.1概述沉井：带刃脚的井筒状构造物，用人工或机械方法清除井内土石，主要借自重克服井壁与土层摩阻，逐节下沉至基底设计标高的基础。图5.1沉井基础示意特点下基深，hmax=220m，适用于深水，整体性强，稳定性好，承载力大造价高，施工期长，不排水施工时难于克服刃脚下孤石、沉船、树干等障碍物，易发生流砂现象适用条件上部荷载较大在山区河流中冲刷大河水较深，采用扩大基础施工围堰有困难5.1.1沉井的作用及适用条件下沉方式：就地制造下沉沉井(一般沉井)、浮运沉井制作材料：砼沉井，钢筋砼沉井，竹筋沉井(南昌赣江大桥、白沙沱长江大桥)，钢～,砖石～,木～外观形状：平面:力求简单对称，利于受力，便于施工，有圆形、矩形和圆端形等剖面:柱形(下沉过程不易倾斜、井壁接长简单，模板反复利用)、阶梯形(下沉阻力小)、锥形(下沉阻力小)5.1.2沉井的分类图5.2沉井的平面形式5.1.3沉井基础的构造沉井组成刃脚井壁内隔墙井孔凹槽封底盖板图5.3沉井的一般构造井壁:沉井主要部分，下沉过程起挡土、挡水及压重作用，为深基础的护壁和建筑物的基础。5.1.3沉井基础的构造a)柱形;b)阶梯形;c)阶梯形;d)锥形一般：厚0.8～1.5m，每节高≤5m，砼强度等级≥C15。•例：湘江大桥(一桥)8#墩，上节厚2.6m，下节3.0m，22×12×5m，下沉12.6m图5.4沉井立面形状刃脚：井壁下端楔状部分，利于切入土中加速下沉5.1.3沉井基础的构造一般底面(踏面)厚100～200mm，以型钢加强，高1m以上，砼强度等级≥C20图5.5刃脚构造示意隔墙：加强沉井整体刚度5.1.3沉井基础的构造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图5.6隔墙构造示意井孔：挖土排土的工作场所和通道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，一般宽度≥3m，对称布置处理：以素混凝土、片石混凝土或砌片填充。图5.7井孔构造示意5.1.3沉井基础的构造凹槽：使封底砼和井壁结合良好深约0.15-0.25m，高约1.0m，距刃脚底面一般在1.5m以上图5.8凹槽构造示意5.1.3沉井基础的构造封底和盖板：封底厚由计算确定，顶面突出刃脚根部不小于0.5m，并达凹槽上端，砼强度一般地基C20，岩石地基C15。盖板厚一般1.5～2.0m，井孔充填砼时砼应≥C10。图5.9封底和盖板示意5.1.3沉井基础的构造5.2沉井的施工旱地沉井施工：平整场地，制造第一节沉井、拆模及抽垫、挖土下沉、接高沉井、井顶围堰、地基检验和处理、封底、充填井孔、浇筑顶盖。水上筑岛：水流速不大，水深≤3～4m时采用，砂岛应高出施工最高水位0.5m以上，在岛上浇筑沉井。浮运沉井：水深筑岛困难时采用，岸边制作，滑入水中，井壁为空体可浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。5.2.1旱地沉井施工铺垫木立模板绑钢筋注混凝土、养生拆模及抽垫土内模制造沉井刃脚清理场地图5.10制造第一节沉井实例制造第一节沉井拆模及抽垫拆模顺序：井孔模板、外侧模板、隔墙支撑及模板、刃脚面支撑及模板抽垫顺序：内壁、短边及长边下对称同步。长边下隔1根撤1根，最后以定位桩为中心由远而近对称撤除5.2.1旱地沉井施工图5.11沉井垫木（a）圆形沉井垫木；（b）矩形沉井垫木除土下沉b)a)d)c)5.2.1旱地沉井施工图5.12除土下沉示意接高沉井设置井顶防水围堰基底检验和处理封底井孔填充和顶板浇筑5.2.1旱地沉井施工5.2.2水中沉井施工水中筑捣无围堰防护土岛b2.0m2~3m0.5ma)b)最高施工水位b2.0m最高施工水位0.5mc)H防护围堰0.5m最高施工水位bHtg(45-/2)φb2.0m2~3m0.5ma)b)最高施工水位b2.0m最高施工水位0.5mc)H防护围堰0.5m最高施工水位bHtg(45-/2)φ有围堰防护土岛围堰筑岛水流速不大，水深≤3～4m时采用图5.13水中筑岛下沉沉井浮运沉井水深筑岛困难时采用，岸边制作，滑入水中，井壁为空体浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。5.2.2水中沉井施工图5.14浮运沉井施工示意图浮式沉井：双壁钢壳直径21.4米净高13.6米5.2.4沉井下沉所遇问题及处理偏斜：沉井偏斜大多发生在下沉不深时，导致偏斜原因有多种；纠偏方法有：除土、压重、顶部施加水平力难沉：即沉井下沉过慢或停沉；原因（侧阻过大、踏面过大、孤石树根等）；解决方法（射水、加重井壁、减小踏面、小型爆破）突沉：沉井产生较大的倾斜或超沉，突沉常发生于软土地区；主要原因是井壁侧阻较小流砂：在粉、细砂层中下沉沉井，易出现流砂现象；主要原因是土中动水压力的水头梯度大于临界值；防治措施有：采用井点降水及不排水除土，或向井内回灌水主要内容：拟定外形尺寸、高度、壁厚视为天然地基上深基础的地基强度及变形验算施工阶段刃脚、井壁的强度计算使用阶段井壁及顶板、底板强度计算5.3沉井的设计与计算沉井高度•沉井底面标高，主要根据上部荷载、水文地质条件及各土层的承载力等确定。•沉井作为基础，其顶面应埋入地面0.2m或地下水位以下0.5m。沉井平面形状和尺寸•沉井平面形状应根据上部建筑物的平面形状决定。•为防止下沉过程中少许偏斜对建筑物影响，要求留襟边，其宽度≮下沉总深度的2%，且不得小于20cm。5.3.1沉井作为整体深基础的计算沉井尺寸设计•下沉系数:确定沉井的外形尺寸和壁厚时，应保证沉井在各种施工阶段能克服四壁摩阻力R1而顺利下沉，即要求K1：11.10~1.25tGKRG—各种施工阶段沉井的自重；Rt—沉井井壁土的摩阻力。下沉系数K1、抗浮稳定系数K2•抗浮稳定系数:当沉井下沉到设计标高，砼封底并做好钢筋砼顶板、抽除井内积水后，而内部结构及设备尚未安装，井外地下水位达最高时，应考虑沉井的抗浮稳定，即要求K2：05.12PRGKt∑G—沉井结构的自重；P—水对沉井的浮力，等于地下水位以下沉井排开同体积的水重地基强度：沉井作为深基础时，一般要求下沉至坚实土层或岩层上，且地基强度须满足：F—作用于沉井顶面处荷载G—沉井自重Rf—井侧总摩阻力Rj—沉井底部地基土的总反力Rj=faA(fa为基底土承载力特征值)F+G≤Rj+Rf沉井作为天然地基基础计算式中：5.3.1沉井作为整体深基础的计算井侧总摩阻力Rf：可假定井侧总摩阻力Rf沿深度成梯形分布，距地面5m范围内按三角形分布，5m以下为常数，故总摩阻力为f2h2f1h1f4h4f3h3Rth0HGFfah-2.5mh5mRjRf＝U(h－2.5)qU—沉井周长q—单位面积摩阻力加权平均值，可按表5-1取值。图5.15井壁摩阻力分布假设式中：5.3.1沉井作为整体深基础的计算基本假定：•地基土为弹性变形介质，水平向地基系数随深度成正比例增加(即m法)•不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力•沉井刚度与土刚度之比为无限大，横向力作用下只产生转动而无挠曲变形根据基底地质情况，可分为非岩石地基和基底嵌入基岩内两种情况分析考虑土体弹性抗力的沉井设计与计算5.3.1沉井作为整体深基础的计算非岩石地基maxdd/2min1xOZZ1zxFVeFHlha)b)FHh2λz1hh0Zd/20在FH作用下，沉井将围绕位于地面下深度z0处点A转动ω角则深度z处沉井水平位移Δx为：将水平力FH和偏心竖向力FV(=F＋G)等效为距基底作用高度为λ的水平力FH，即：VHHHFeFlMFF图5.16非岩石地基计算示意Δx=(z0z)·tanω5.3.1沉井作为整体深基础的计算maxdd/2min1xOZZ1zxFVeFHlha)b)FHh2λz1hh0Zd/20/2010tan2ddCC其中：Cz=mzC0=mh即土的横向抗力沿深度呈二次抛物线变化，若基底竖向地基系数C0不变，沉井底面受到的抗力：σzx=ΔxCz=Cz(z0z)·tanω沉井受到的横向抗力σzx式中C0按桩基计算方法确定，但不得小于10m0。图5.17非岩石地基计算示意5.3.1沉井作为整体深基础的计算上述各式z0和ω为未知数，可由静力平衡导得：b1为基础计算宽度，W为基底截面模量。联立求解得：21H01466,tan23bhhdWFzAmhbhh其中：310018,23hCbhWdmhACChHZX1H10000tan0hhXFbdzFbmzzzdzH1zx1d00200hMFhbzdzW5.3.1沉井作为整体深基础的计算H06zxFzzzAhmaxVHmin03FFdAA将此代入上述各式得土体横向抗力：基底边缘处压应力：式中A0为基底面积。离地面下深度z处截面弯矩为：H11103H1H022zzzxMFhzbzzdzFbzFhzzzhA5.3.1沉井作为整体深基础的计算基底嵌入基岩，在水平力和竖直偏心荷载作用下，可假定基底不产生水平位移，故旋转中心A与基底中心重合，即z0=h。基底嵌入处将存在一水平阻力FR，其对A点的力矩可忽略不计。由弯矩平衡得：HtanFmhD基底嵌入基岩内31612bhWdD其中1dd/2hhAzxFRzxFHOz图5.18基底嵌入基岩内计算5.3.1沉井作为整体深基础的计算21R1HH016hzxbhFbdzFFD31HH212zbFzMFhzhzDh地面下深度z处截面上的弯矩为尚需注意,当基础仅受偏心竖向力FV作用时,λ→∞，上述各式不能应用。此时应以M=FV·e代替上述各式中FHh1，同理可导得上述两种情况下相应的计算公式。HzxFhzzDhVHmaxmin2FFdAD土体横向抗力基底边缘处压应力基底嵌入处水平阻力FR由∑X=0可得：δ=(z0h2)tanω+δ0δ0为h2范围内台身弹性挠曲变形引起的墩顶水平位移3222032HhMhEIEI其中：FH、M为墩顶作用的水平力及弯矩墩台顶水平位移计入基础实际刚度对地面处水平位移及转角的影响后(tanω≈ω)，可写为：δ=(z0K1+h2K2)ω+δ0K1、K2—水平位移影响系数，根据αh及λ/h查书表5-2。墩台顶水平位移：4tancoszxzc1234tancos3hxhc124tancoshxhcMMg8.012横向抗力•经验表明最大横向抗力大致在z=h/3和z=h处，故η1—取决于上部结构形式的系数，一般取η1=1，拱桥η1=0.7；η2—考虑恒载弯矩Mg对总弯矩M的影响系数，即验算•要求σzx应小于井周土的极限抗力值，而极限抗力以土压力表示，即：σzx≤PpPa•由朗金土压力理论可得：墩台顶水平位移L5.0其中：L为相邻跨中最小跨的跨度（m），当L25m，取L＝25m。此外，对高而窄的沉井还应验算产生施工容许偏差时的影响。（cm）要求：基底应力σmax≤fah要求：在抽出垫木及挖土可能有不均匀等不利条件下，第一节井壁在自重作用下应按单支点、简支梁等验算井壁强度。1mh/2h/2V2REAWTQ1mgV1MN第一节井壁的应力验算5.3.2沉井施工过程的结构强度计算排水除土下沉•不排水除土下沉a)c)b)lb0.7l0.15l0.15l0.5l0.5l图5.19底节沉井支点布置示意考虑下两种