第四章沉井基础

第四章沉井基础一、沉井作用及适用条件1、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，主要借助自重或添加压重等措施克服井壁摩阻力逐节下沉至设计标高，再浇筑混凝土封底并填塞井孔，成为建筑物的基础。2、沉井的特点优点：(1)埋深大，整体性强、稳定性好，承载面积大，承载力高(垂直与水平)；(2)同时用作基础和施工时的挡土和挡水围堰；(3)施工时对邻近建筑物影响较小；(4)内部空间可进一步利用。缺点：(1)施工工期较长；(2)施工技术要求高；(3)施工中易出现流砂，造成沉井倾斜或下沉困难等。3、适用性桥墩、锚碇、矿用竖井、地下泵房、水池、油库、地下设备基础、盾构隧道、顶管的工作井和接收井等。（1）、上部荷载较大，表层地基土承载力不足，一定深度下有较好持力层，且与其他基础方案相比较为经济合理；（2）、在山区河流中，冲刷大或河中有较大卵石不便桩基础施工；（3）、岩层表面较平坦且覆盖层薄，但河水较深，采用扩大基坑施工围堰有困难。江阴长江公路大桥北锚沉井：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。大型钢壳沉井过黄浦江倒虹管沉井二、沉井的分类（1）、按施工方法分为：一般沉井和浮运沉井。一般沉井：直接在基础设计的位置上制造，然后挖土，依靠自重下沉的沉井。（人工筑岛）浮运沉井：先在岸边制造，再浮运就位下沉的沉井。通常在深水地区（如水深大于10m），或水流流速大，有通航要求，人工筑岛困难或不经济时，可采用浮运沉井。（2）、按材料分为：混凝土沉井、钢筋混凝土沉井、竹筋混凝土沉井和钢沉井。混凝土沉井：抗压强度高，抗拉强度低；多为圆形；用于下沉深度不大（4－7m）的松软土层。钢筋混凝土沉井：抗压抗拉强度高，下沉深度大（可达数十米）；可做成重型或薄壁就地制造下沉的沉井，也可做成薄壁浮运沉井及钢丝网水泥沉井等，应用最广。竹筋混凝土沉井：用耐久性差但抗拉力好的竹筋代替部分钢筋，用于我国南方盛产竹材地区：如南昌赣江大桥、白沙沱长江大桥等。钢沉井：由钢材制作，其强度高、重量轻、易于拼装，但用钢量大；适于制造空心浮运沉井。其它：根据工程条件也可选用木沉井和砌石圬工沉井等。（3）、按平面形状分为：圆形、矩形和圆端形；按井孔布置分为：单孔、双孔及多孔沉井。圆形沉井：下沉易控制；侧压力作用下井壁仅受轴向力。用于斜交或水流方向不定的桥墩基础。矩形沉井：制造方便，受力有利，能充分利用地基承载力，与矩形墩台配合好；沉井四角一般做成圆角；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：在控制下沉、受力条件、阻水冲刷等方面均较矩形沉井有利，但施工较为复杂。（4）、按立面形状分为：柱形、阶梯形和锥形柱形沉井：受土体约束较均衡，下沉不易倾斜，井壁接长简单，模板可重复利用；侧阻力较大，当土体密实，下沉深度较大时，易出现下部悬空。用于入土不深或土质较松软的情况。阶梯形沉井、锥形沉井：井壁摩阻力小；施工较复杂，消耗模板多，沉井下沉过程中易发生倾斜。用于土质较密实，沉井下沉深度大，且要求沉井自重不太大时。锥形沉井井壁坡度为1/20－1/40，阶梯形井壁的台阶宽约为100－200mm。三、沉井的构造1、沉井的轮廓尺寸沉井平面形状：常取决于上部结构（或下部结构墩台）底部的形状。矩形沉井，沉井的长短边之比不宜大于3；若上部结构的长宽比较为接近，可采用方形或圆形沉井。沉井的入土深度：根据上部结构、水文地质条件及各土层的承载力等确定。入土深度较大时应分节制造和下沉，每节高度不宜大于5m；底节沉井过高，易造成制模、筑岛时岛面处理、抽垫下沉等困难。2、沉井的一般构造沉井：井壁、刃脚、隔墙、井孔、凹槽、封底和顶板等。有时预埋射水管。（1）、井壁：沉井的外壁，是沉井的主体部分；在下沉过程中起挡土、挡水及利用本身自重克服摩阻力下沉的作用。施工完毕后成为基础或一部分。井壁须具有足够的强度和一定的厚度，并根据受力情况配置竖向及水平钢筋。一般壁厚0.80－1.50m，最薄≥0.4m，混凝土强度≥C15。（2）、刃脚：井壁下端形如楔状的部分；其作用是利于沉井切土下沉。踏面宽度一般≤150mm；下沉深度大或土质较硬时应以角钢或槽钢加强；刃脚内侧斜面与水平面夹角≥45度；刃脚高度≥1.0m，混凝土强度等级≥C20。（3）、隔墙：沉井内壁；其作用是将沉井空腔分隔成多个井孔，便于控制挖土下沉，防止或纠正倾斜和偏移；加强沉井刚度，减小井壁挠曲应力。隔墙厚度约0.5－1.0m；隔墙底面应高出刃脚底面0.5m以上；人工挖土时应设过人孔。（4）、井孔：挖土排土的工作场所和通道。最小边长≥3m；井孔对称布置，以便对称挖土，保证沉井均匀下沉。（5）、凹槽：位于刃脚内侧上方，高约1.0m，深度一般为150－300mm。用于沉井封底时使井壁与封底混凝土较好地结合，使封底混凝土底面反力更好地传给井壁。（6）、射水管：当沉井下沉较深，土阻力较大时，井壁中预埋射水管组；如使用泥浆润滑套施工，应有预埋的压射泥浆管路。（7）、封底：沉至设计标高进行清基后，在刃脚踏面以上至凹槽处浇筑混凝土形成封底。防止地下水涌入井内，并承受地基土和水的反力。封底顶面高出凹槽0.5m，厚度由应力验算决定。混凝土强度≥C15，填充混凝土≥C10。（8）、顶板：沉井封底后，为节省圬工量，减轻基础自重，可做成空心沉井基础，或仅填砂石，此时须在井顶设置钢筋混凝土顶板。顶板厚度一般为1.5－2.0m，钢筋配置由计算确定。第二节沉井施工沉井基础施工一般可分为旱地施工、水中筑岛及浮运沉井三种。一、旱地沉井施工大型沉井下沉施工中一、旱地沉井施工1、清整场地若天然地面土质较硬，只需清净地表杂物并整平；否则应换土或铺填不小于0.5m厚夯实的砂或砂砾垫层，防止沉井因沉降不均产生裂缝；为减小下沉深度，可挖一浅坑，在坑底制作沉井。2、制作第一节沉井先在刃脚处对称铺满垫木（支承第一节沉井），在刃脚处放上刃脚角钢，竖立内模，绑扎钢筋，再立外模浇筑第一节沉井。3、拆模及抽垫当沉井混凝土强度达设计强度70％时可拆模，达设计强度后可抽撤垫木。抽垫应分区、依次、对称、同步地向沉井外抽出。抽垫顺序为：先内壁，再短边，最后长边。长边下垫木隔一根抽一根，以固定垫木为中心，由远而近对称地抽，最后抽除固定垫木，随抽随用砂土回填捣实，以免沉井开裂、移动或偏斜。4、除土下沉沉井宜采用不排水除土下沉，稳定的土层中也可采用排水除土下沉。除土方法可用：人工或机械。排水下沉常用人工除土，人工除土沉井下沉均匀，易于清除井内障碍物，但应有安全措施；不排水下沉时，可使用空气吸泥机、抓土斗、水力吸石筒、水力吸泥机等除土。可采用高压射水破坏土层。沉井正常下沉时，应自中间向刃脚处均匀对称除土，并随时注意沉井正位，保持竖直下沉，无特殊情况不宜采用爆破施工。5、接高沉井当首节沉井下沉至一定深度（井顶露出地面不小于0.5m，或露出水面不小于1.5m）时，停止除土，接筑下节沉井。凿毛顶面，立模，对称均匀浇筑混凝土，强度达设计要求后再拆模继续下沉。6、设置井顶防水围堰若沉井顶面低于地面或水面，应在井顶接筑临时性防水围堰，围堰的平面尺寸略小于沉井，其下端与井顶上预埋锚杆相连。常见的有：土围堰、砖围堰和钢板桩围堰。7、基底检验和处理沉井沉至设计标高后，应检验基底地质情况是否与设计相符。排水下沉时可直接检验；不排水下沉则应进行水下检验，必要时可用钻机取样。当基底达设计要求后，应对地基进行处理。砂性土或粘性土地基，一般可在井底铺砾石或碎石层至刃脚底面以上200mm；岩石地基，应凿除风化岩层，若岩层倾斜，还应凿成阶梯形。要除净井底浮土、软土，使封底混凝土与地基结合紧密。8、沉井封底基底检验合格后应及时封底。排水下沉时，可采用普通混凝土封底；否则宜用水下混凝土封底。若沉井面积大，可用多导管先外后内、先低后高依次浇筑。封底一般为素混凝土。9、井孔填充和顶板浇筑封底混凝土达设计强度后，再排干井孔中水，填充井内圬工。如井孔中不填料或仅填砾石，则井顶应浇筑钢筋混凝土顶板，以支承上部结构。然后砌筑井上构筑物，并拆除临时性井顶围堰。二、水中沉井施工1、水中筑岛当水深小于3m，流速≤1.5m/s时，可采用砂或砾石在水中筑岛，周围用草袋围护；若水深或流速加大，可采用围堤防护筑岛；当水深较大或流速较大时，宜采用钢板桩围堰筑岛。岛面应高出最高施工水位0.5m以上。围堰筑岛时，围堰距井壁外缘距离应满足一定要求。其余施工方法与旱地沉井施工相同。二、水中沉井施工2、浮运沉井若水深人工筑岛困难或不经济时，可采用浮运法施工。即将沉井在岸边作成空体结构，或采用其他措施（如带钢气筒等）使沉井浮于水上，利用岸边滑道滑入水中，然后牵引至设计位置。在悬浮状态下，逐步将水或混凝土注入空体中，使沉井徐徐下沉至河底。沉井需分段制造时，在悬浮状态下逐节接长下沉至河底，当刃脚切入河床一定深度后，即可按一般沉井下沉方法施工。三、泥浆套和空气幕下沉沉井施工简介当沉井深度很大，井侧土质较好时，井壁与土层间的摩阻力很大时，通常可设置泥浆润滑套和空气幕来减小井壁摩阻力。1、用泥浆套下沉沉井泥浆套下沉法是借助泥浆泵和输送管道将特制的泥浆压入沉井外壁与土层之间，在沉井外围形成有一定厚度的泥浆层，该泥浆层把土与井壁隔开，并起润滑作用，从而大大降低沉井下沉中的摩擦阻力，减少井壁圬工数量，加速沉井下沉，并具有良好的稳定性。2、用空气幕下沉沉井用空气幕下沉是通过向沿井壁四周预埋的气管中压入高压气流，气流沿喷气孔射出再沿沉井外壁上升，在沉井周围形成一空气“帷幕”（即空气幕），使井壁周围土松动或液化，摩阻力减小，促使沉井下沉。空气幕沉井在构造上增加了一套压气系统。适用于砂类土、粉质土及粘性土地层，对于卵石土、砾类土及风化岩等地层不宜使用。四、沉井下沉过程中常见问题及处理1、偏斜沉井偏斜大多发生在下沉不深时。纠正偏斜，通常可用除土、压重、顶部施加水平力或刃脚下支垫等方法处理，空气幕沉井也可采用单侧压气纠偏。2、难沉：即沉井下沉过慢或停沉。解决措施主要是：增加压重和减少井壁摩阻力。增加压重方法有：提前接筑下节沉井，增加沉井自重；在井顶加压沙袋、钢轨等重物；不排水下沉时，可井内抽水，减少浮力，迫使下沉，但需保证不产生流砂现象。减小井壁摩阻力方法有：将沉井设计成阶梯形、钟形，或使外壁光滑；井壁内埋设高压射水管组；利用泥浆套或空气幕辅助下沉；增大开挖范围和深度，必要时还可采用少量炸药起爆助沉。3、突沉沉井产生较大的倾斜或超沉。引起突沉的主要原因是井壁摩阻力较小，当刃脚下土被挖除时，沉井支承削弱，或排水过多、除土太深、出现塑流等。防止突沉的措施一般是控制均匀除土，在刃脚处除土不宜过深，此外，在设计时可采用增大刃脚踏面宽度或增设底梁的措施提高刃脚阻力。4、流砂在粉、细砂层中下沉沉井，经常出现流砂现象，若不采取适当措施将造成沉井严重倾斜。防止流砂的措施是：（1）、排水下沉时发生流砂可向井内灌水，采取不排水除土，减小水头梯度；（2）、采用井点、深井或深井泵降水，降低井外水位，改变水头梯度方向使土层稳定。第三节、沉井的设计与计算沉井既是建筑物的基础，又是施工过程中挡土、挡水的结构物，因此其设计计算需包括两大部分：（1）、沉井作为整体深基础的计算；（2）、沉井在施工过程中的结构计算。1、沉井作为整体深基础设计（1）、当沉井埋深在最大冲刷线以下较浅仅数米时，可不考虑基础侧面土的横向抗力影响，按浅基础设计计算；（2）、当埋深较大时，沉井周围土体对沉井的约束作用不可忽视，此时应考虑基础侧面土体弹性抗力的影响，按刚性桩（）计算内力和土抗力。5.2h2、沉井在施工过程中的结构计算沉井在施工过程中的结构计算包括：（1）、沉井自重下沉验算；（2）、底节沉井竖向挠曲验算；（3）、沉井刃脚受力计算；（4）、井壁受力计算；（5）、混凝土封底及顶板计算等。第四节地下连续墙简介(现浇地下连续墙)定义：在泥浆护壁条件下，使用专门的成槽机械，在地面开挖一条狭长的深槽，然后在槽内设置钢筋笼，浇注混凝土，逐步形成一道连续的地下钢筋混凝土连续墙。特点：施工噪音、震动较