第七章-沉井基础

第七章沉井基础7.1沉井的基本概念、作用及适用条件沉井的概念: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)图1沉井下沉示意图图2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3.岩层表面较平坦且覆盖层薄，但河水较深；7.2沉井的类型和构造一、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。如基础位置在水中，需先在水中筑岛，再2.浮式沉井：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)按沉井形状分类常用的有圆形、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利，也即承受水平土压力和水压力性能良好。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。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。2.按沉井的立面形状主要有柱形、锥形及阶梯形等。采用形式应视沉井需要通过的土层性质和下沉深度而定。土软，浅土密，深土软，深上述各类沉井的适用条件：柱形沉井，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。锥形沉井，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。锥形式的沉井井壁坡度一般为1/20～1/40，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。阶梯式沉井的台阶宽度约为100～200mm。鉴于沉井所承受的土压力与水压力，均随深度而增大。为了合理利用材料，可将沉井的井壁随深度分为几段，做成阶梯形。下部井壁厚度大，上部井壁厚度小，因此，这种沉井外壁所受的摩擦阻力可以减小，有利于下沉。(三)按沉井所用材料分类1.素混凝土沉井：素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。4.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来承受下沉阶段过程中拉力。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。5.钢沉井：钢沉井由钢材制作，强度高、质量轻、易于拼装、适于制造空心浮运沉井，但用钢量大，国内应用较少。3.砖石沉井：这种沉井适用于深度浅的小型沉井，或临时性沉井。例如，房屋纠倾工作井，即用砖砌沉井，深度约4～5m。二、沉井基础的构造(一)沉井的轮廓尺寸沉井的平面形状：决定于墩(台)底部的形状。对矩形或圆端形墩，可采用相应形状的沉井，采用矩形沉井时，为保证下沉的稳定性，沉井的长边与短边之比不宜大于3。当墩的长宽比较为接近时，可采用方形或圆形沉井。沉井顶面尺寸为墩(台)身底部尺寸加襟边宽度。襟边宽度不宜小于0.2m，也不宜小于沉井全高的1/50，浮运沉井不小于0.4m。如沉井顶面需设置围堰，其襟边宽度根据围堰构造还需加大。墩(台)身边缘应尽可能支承于井壁上或盖板支承面上，对井孔内不以混凝土填实的空心沉井不允许墩(台)身边的缘全部置于井孔位置上。沉井的底面标高：须根据上部结构荷载，水文地质条件及各土层的承载力等确定。沉井基础的顶面(墩底)要求埋在地面下0.2m或在地下水位以上0.5m。当沉井顶面标高和底面标高确定之后，由墩底面和沉井底面两个标高之差即可定出沉井高度。高的沉井应分节制造和下沉，每节高度不宜大于5m，对底节沉井若是在松软土层中下沉时，还不应大于沉井宽度的0.8倍。若底节沉井高度过高，沉井过重，会给制模、筑岛时岛面处理、抽除垫木下沉等带来困难。(二)沉井的一般构造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。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(右图)，以防刃脚损坏。刃脚内侧斜面与水平面的夹角一般为大于等于45°。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成刃脚构造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.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。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。封底混凝土是传递墩（台）全部荷载于地基的承重结构，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(三)浮运沉井的构造1.不带气筒的浮运沉井不带气筒的浮式沉井适应于水深较浅、流速不大、河床较平、冲刷较小的自然条件。一般在岸边制造，通过滑道拖拉下水，浮运到墩位，再接高下沉到河床。这种沉井可用钢、木、钢筋混凝土、钢丝网及水泥等材料组合。钢丝网水泥薄壁沉井是由内、外壁组成的空心井壁沉井，这是制造浮运沉井较好的方法，具有施工方便、节省钢材等优点。沉井的内壁、外壁及横隔板都是钢筋钢丝网水泥制成。做法是将若干层钢丝网均匀地铺设在钢筋网的两侧，外面涂抹不低于40号的水泥砂浆，使它充满钢筋网和钢丝网之间的间隙并形成厚1～3mm的保护层。2.带钢气筒的浮运沉井带钢气筒的浮运沉井适用于水深流急的巨型沉井。它主要由双壁的沉井底节、单壁钢壳、钢气筒等组成。双壁钢沉井底节是一个可以自浮于水中的壳体结构；底节能上能下的井壁采用单壁钢壳，它一般由6mm厚的钢板及若干竖向肋骨角钢构成，并以水平圆环作承受壁外水压时的支撑，钢壳沿高度可分为几节，在接高时拼焊，单壁钢壳既是防水结构，又是接高时灌注沉井外圈混凝土的模板一部分；钢气筒是沉井内部的防水结构，它依据压缩空气排开气筒内水提供浮式沉井在接高过程中所需的浮力。同时在悬浮下沉中可以通过在气筒充气或放气及不同气筒内的气压调节使沉井可以上浮、下沉及调正偏斜，落入河床后如偏移过大，还可将气筒全部充气，使沉井重新浮起，重新定(四)组合式沉井当采用低桩承台而围水挖基浇筑承台有困难时；当沉井刃脚遇到倾斜较大的岩层或在沉井范围内地基土软硬不均而水深较大时可采用上面是沉井下面是桩基的混合式基础，或称组合式沉井。施工时按设计尺寸做成沉井，下沉到预定标高后，进行浇筑封底混凝土和承台，在井内其上预留孔位钻孔灌注成桩。这种混合式沉井既有围水挡土作用，又作为钻孔桩的护筒，还作为桩基的承台。7.3沉井的施工沉井的施工方法与墩台基础所在地点的地质和水文情况以及具备的技术力量、施工机具与设备有关。在水中修筑沉井时，应对河流汛期、通航、河床冲刷调查研究，并制定施工计划。尽量利用枯水季节进行施工。如施工须经过汛期，应有相应的措施。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，参见下图。在这种情况下，一般较容易施工。沉井施工顺序图a)制造第一节沉井；b)抽垫木、挖土下沉；c)沉井接高下沉；d)1-井壁；2-凹槽；3-刃脚；4-承垫木；5-素混凝土封底1.整平场地如天然地面土质较好，只需将地面杂物清掉整平地面，就可在其上制造沉井，如为了减小沉井的下沉深度也可在基础位置处挖一浅坑，在坑底制造沉井下沉，坑底应高出地下水位0.5～1.0m。如土质松软，应整平夯实或换土夯实。在一般情况下，应在整平场地上铺上不小于0.5m厚的砂或砂砾层。2.制造第一节沉井由于沉井自重较大，刃脚踏面尺寸较小，应力集中，场地土往往承受不了这样大的压力。所以在整平的场地上应在刃脚踏面位置处对称地铺满一层垫木(可用200×200mm的方木)以加大支承面积，使沉井重量在垫木下产生的压应力不大于100kPa。垫