47沉井基础

第十章沉井基础§10.1沉井基础概述§10.2沉井基础的类型与构造§10.3沉井基础的设计计算§10.4沉井基础设计计算示例主要内容§10.1沉井基础概述沉井的概念:是井筒状的结构物(图1)。它是以井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础(图2)沉井下沉示意图沉井基础沉井的优点：埋置深度可以很大，整体性强、稳定性好，有较大的承载面积，能承受较大的垂直荷载和水平荷载；沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡土围堰结构物，施工工艺并不复杂，因此在桥梁工程中得到较广泛的应用。同时，沉井施工时对邻近建筑物尤其是软土中地下建筑物的基础，也常用作为矿用竖井、地下油库等。沉井的缺点：施工期较长；对粉细砂类土在井内抽水易发生流砂现象，造成沉井倾斜；沉井下沉过程中遇到的大孤石、树干或井底岩层表面倾斜过大，均会给施工带来一定困难。沉井根据经济合理、施工上可能的原则，一般在下列情况，可以采用沉井基础：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，采用沉井基础与其他深基础相比较，经济上较2.在山区河流中，虽然土质较好，但冲刷大，或河中有3.岩层表面较平坦且覆盖层薄，但河水较深；采用扩大§10.2沉井基础的类型与构造一、沉井的分类(一)按沉井的施工方法分类1.一般沉井：指就地制造下沉的沉井，这种沉井是在基础设计的位置上制造，然后挖土靠沉井自重下沉。如基础位2.浮运沉井：在深水地区筑岛有困难或不经济，或有碍通航当河流流速不大时，可采用岸边浇筑浮运就位下沉的方法，这类沉井称为浮运沉井或浮式沉井。(二)常用的有圆形、圆端形和矩形等。根据井孔的布置方式，又有单孔、双孔及多孔的分别。沉井平面形式a)单孔沉井；b)双孔沉井；c)多孔沉井1.按沉井的平面形状：圆形沉井：沉井在下沉过程中易控制方向；使用抓泥斗挖土，要比其他类型的沉井，更能保证其刃脚均匀地支承在土层上；在侧压力作用下，井壁只受轴向力(侧压力均布时)，或稍受挠曲(侧压力非均布时)；对水泥方向正交或斜交均有矩形沉井：具有制造简单，基础受力有利的优点，常能配合墩台(或其他结构物)底部平面形状。四角一般做成圆角，可有效改善转角处的受力条件，减缓应力集中现象，以降低井壁摩阻力和避免取土清孔的困难。矩形沉井在侧压力作用下，井壁受较大的挠曲力矩；在流水中阻水系数较大，冲刷较严重。圆端形沉井：控制下沉、受力条件、阻水冲刷均较矩形者有利，但沉井制造较复杂。对平面尺寸较大的沉井，可在沉井中设置隔墙，使沉井由单孔变成双孔或多孔2.按沉井的立面形状主要有竖直式、倾斜式及台阶式等。采用形式应视沉井需要通过的土层性质和下沉深度而定。上述各类沉井的适用条件：外壁竖直形式的沉井，它在下沉过程中不易倾斜，井壁接长较简单，模板可重复使用。故当土质较松软，沉井下沉深度不大，可以采用这种形式。倾斜式及台阶式井壁可以减少土与井壁的摩阻力，其缺点是施工较复杂，消耗模板多，同时沉井下沉过程中容易发生倾斜。故在土质较密实，沉井下沉深度大，要求在不太增加沉井本身重量的情况下沉至设计标高，可采用这类沉井。台阶式井壁的台阶宽度约为100～200mm。倾斜式的沉井井壁坡度一般为1/20～1/50，外壁倾斜式沉井同样可以减少下沉时井壁外侧土的阻力，但这类沉井具有下沉不稳定，制造困难等缺点，故较少使用。1.混凝土沉井：混凝土沉井的特点是抗压强度高，抗拉能力低，因此这种沉井宜做成圆形，并适用于下沉深度不大(4～7m)的软土层中。2.钢筋混凝土沉井：这种沉井的抗拉及抗压能力较好，下沉深度可以很大(达数十米以上)，当下沉深度不很大时，井壁上部用混凝土，下部(刃脚)用钢筋混凝土，在桥梁工程中得到较广泛的应用。当沉井平面尺寸较大时，可做成薄壁结构，沉井外壁采用泥浆润滑套，壁后压气等施工辅助措施就地下沉或浮运下沉。此外，钢筋混凝土沉井井壁隔离墙可分段(块)预制，工地拼接，做成装配式。3.竹筋混凝土沉井：沉井在下沉过程中受力较大因而需配置钢筋，一旦完工后，它就不再承受多大的拉力，因此，在南方产竹地区，可以采用耐久性差但抗拉力好的竹替部分钢筋，我国南昌赣江大桥等曾用这种沉井。在沉井分节接头处及刃脚仍用钢筋。一般沉井构造上主要由井壁、刃脚、隔墙、井孔、凹槽、射水管、封底和盖板等组成。二、沉井基础的构造1.井壁井壁是沉井的主要部分。它在沉井下沉过程中起挡土、挡水及利用本身重量克服土与井壁之间的摩阻力的作用。当沉井施工完毕后，它就成为基础或基础的一部分而将上部荷载传递给地基。因此，井壁必须具有足够的强度和一定的厚度。根据井壁在施工中的受力情况，可以在井壁内配置竖向及水平向钢筋，以增加井壁强度。井壁厚度按下沉需要的自重，本身强度以及便于取土和清基等因素而定，一般为0.80～1.50m，为便于绑扎钢筋及浇筑混凝土，其厚度不宜小于0.4m。钢筋混凝土薄壁沉井可不受此限制。井壁的混凝土强度等级不低于C15。2.刃脚井壁下端形如楔状的部分称为刃脚。其作用是在沉井自重作用下易于切土下沉。刃脚底面(踏面)宽度一般为0.1～0.2m，对软土可适当放宽。下沉深度大，且土质较硬，刃脚底面应以型钢(角钢或槽钢)加强(图5-7)，以防刃脚损坏。刃脚内侧斜面与水平面的夹角一般为45°～60°。刃脚高度视井壁厚度、便于抽除垫木而定，一般当沉井湿封底时，取1.5m左右；干封底时，取0.6m左右。由于刃脚在沉井下沉过程中受力较集中，故刃脚宜采用C20以上的钢筋混凝土制刃脚构造3.隔墙沉井平面尺寸较大，也即井壁跨径较大时，应在沉井内设置隔墙，以加强沉井的刚度，使井壁的挠曲应力减小，其厚度一般小于井壁。隔墙底面应高出刃脚底面0.5m以上，避免隔墙下的土顶住沉井而妨碍下沉。也可在刃脚与隔墙联结处设置埂肋加强刃脚与隔墙的连结。如为人工挖土，在隔墙下端应设置过人孔，便于工作人员井孔间往来。4.井孔井孔是挖土排土的工作场所和通道。井孔尺寸应满足施工要求，宽度(直径)不宜小于3m。井孔布置应对称于沉井中心轴，便于对称挖土使沉井均匀下沉。5.凹槽凹槽设在井孔下端近刃脚处，其作用是使封底混凝土与井壁有交好的接合，封底混凝土底面的反力更好的传给井壁(如井孔全部填实的实心沉井也可不设凹槽)。凹槽深度约0.15～0.25m，高约1.0m。6.6.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。一般水压不小于600kPa。如使用泥浆润滑套施工方法时，应有预埋的压射泥浆管路。7.封底和盖板沉井沉至设计标高进行清基后，便浇筑封底混凝土。混凝土达到设计强度后，可从井孔中抽干水井填满混凝土或其它圬工材料。如井孔中不填料或仅填以砂砾则须在沉井顶面筑钢筋混凝土盖板。封底混凝土底面承受地基土和水的反力，这就要求封底混凝土有一定的厚度(可由应力验算决定)，其厚度根据经验也可取不小于井孔最小边长的1.5倍。封底混凝土顶面应高出刃脚根部不小于0.5m，并浇灌到凹槽上端。封底混凝土标号对岩石地基用C15；一般地基用C20。盖板厚度一般为1.5～2.0m。井孔中充填的混凝土，其强度等级不应低于C10§10.3沉井基础的设计计算主要内容：①拟定外形尺寸、高度、壁厚②视为天然地基上深基础的地基强度及变形验算③施工阶段刃脚、井壁的强度计算④使用阶段井壁及顶板、底板强度计算基本假定：①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)②不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力③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10.3.1沉井作为整体深基础的计算1.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：Δx=(z0z)·tanω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非岩石地基计算示意maxdd/2min1xOZZ1zxFVeFHlha)b)FHh2λz1hh0Zd/20沉井底面受到的抗力：/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，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。非岩石地基计算示意上述各式z0和ω为未知数，可由静力平衡导得：式中b1为基础计算宽度，W为基底截面模量。联立求解可得：21H01466,tan23bhhdWFzAmhbhh其中：310018,23hCbhWdmhACChHZX1H10000tan0hhXFbdzFbmzzzdzH1zx1d00200hMFhbzdzW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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。取弯矩平衡可导得：HtanFmhD2.基底嵌入基岩内31612bhWdD其中1dd/2hhAzxFRzxFHOz基底嵌入基岩内计算21R1HH016hzxbhFbdzFFD31HH212zbFzMFhzhzDh由∑X=0可得：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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，故式中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—考虑恒载弯矩Mg对总弯矩M的影响系数，即3.沉井基础验算要求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：在抽出垫木以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/2V2REAWTQ1mgV1MN1.第一节井壁的应力验算10.3.2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最不利情况：刃脚外挠：沉井下沉至一半深度，上部井壁已全部加高，刃脚入土1m。此时刃脚斜面上土的横向推力向外作用，产生向外挠曲。刃脚内挠：沉井下沉至接近设计标高，刃脚下土已掏空，沉井自重全部由外侧摩阻力承担。此时在外侧水、土压力作用下，使刃脚产生向内挠曲。1mh/2h/2V2REAWTQ1mgV1MN2.刃脚