第八章沉井与沉箱结构

安徽建筑工业学院地下结构工程主讲教师：席培胜第3章沉井基础3.1概述3.1.1沉井基础的特点及其应用范围是以沉井法施工的地下结构物和深基础的一种型式。先在地表制作成一个井筒状的结构物（沉井），然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构。广泛应用于桥梁、烟囱、水塔的基础；水泵房、地下油库、水池竖井等深井构筑物和盾构或顶管的工作井。技术上比较稳妥可靠，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，沉井基础埋置较深，稳定性好，能支承较大的荷载。3.1.2沉井的分类（1）按下沉环境可分为陆地沉井（包括在浅水中先筑岛制作的沉井）和浮运沉井；（2）按沉井构造形式可分为独立沉井和连续沉井；（3）按沉井平面形式可分为圆形、椭圆形、正方形、矩形和多边形等；也可分为单孔和多孔沉井（见图8-1）；（4）按沉井制作材料可分为混凝土、钢筋混凝土、钢、砖、石以及组合式沉井等。沉井按平面形式分类a—圆形单孔沉井；b—正方形单孔沉井；c—矩形单孔沉井；d—矩形双孔沉井；e—椭圆形双孔沉井；f—矩形多孔沉井3.1.3沉井的设计原则结构简单对称，受力合理，施工方便。沉井的长短边之比越小越好，以保证下沉时的稳定性。一般沉井应分节制作，每节高度不宜大于5m。沉井底节高度应满足拆除支承时沉井纵向抗弯要求之外，在松软土层中下沉的沉井，底节高度不宜大于0.8b。3.1.4沉井的施工步骤沉井施工步骤示意图3.2沉井构造沉井组成：刃脚、井壁、内隔墙、取土井、凹槽、封底、顶板1）沉井刃脚：作用在于减少沉井下沉阻力a—混凝土刃脚；b—设角钢的刃脚；c—尖刃脚2）井壁主要承担井外水土压力和自重的部分设计时通常先假定井壁厚度再进行承载力验算；井壁厚度一般为0.8~1.5m；a）、（b）竖直的；（c）、（d）台阶形的；（e）锥形的；（f）倒锥形的图8-5沉井外壁的形式3）内隔墙加强沉井刚度、缩小外壁计算跨度，同时又将沉井分成多个取土井，便于掌握挖土位置以控制下沉的方向；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。4）取土井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，最小边长不宜小于2.5m。处理：以素混凝土、片石混凝土或砌片填充。5）凹槽为了封底混凝土嵌入井壁，形成整体，使传至沉井壁上的力能更好地传递给封底混凝土底面。遇到意外困难，还可在凹槽处浇筑钢筋混凝土盖板，将沉井改为沉箱。尺寸：凹槽深约0.15~0.25m，高约1.0m左右，其距刃脚底面一般在1.5m以上。6）射水管组、探测管、气管和压浆管射水管组：压入高压水把井壁四周的土冲松，以减少摩擦力和端部阻力。高压水水压一般不小于0.6MPa，每一水管的排水量不小于200L/min；探测管：探测刃脚和隔墙底面下的泥面标高，清基射水或破坏沉井正面土层以利下沉；气管：空气幕下沉沉井；压浆管：埋设压浆管7）封底渗水率小于6mm/min时，排干水后用C15或C20普通混凝土浇筑；当井中的渗水率大于6mm/min时，宜采用导管法浇注C20级水下混凝土封底。厚度按其承载力条件计算确定，一般其顶面应高出凹槽0.5m。8）顶板以混凝土填心的沉井可用素混凝土顶板；空心或以其他松散料填心的沉井需用钢筋混凝土顶板，厚度一般为1.0~2.0m；排水下沉的沉井，其顶面在地面或水位以下时，应设挡土防水墙连接在井壁的顶部。3.3沉井结构设计计算3.3.1下沉系数计算验算沉井自重是否能克服下沉时土的摩阻力，用下沉系数k表示：25.1~15.1/RGkiiiRfuh表8-1沉井井壁与土体之间的摩阻力f（kPa）土的种类粘性土砂性土砂卵石砂砾石软土泥浆套f(kPa)25~5012~2518~3015~2010~123~5摩擦力分布假定从地表到5m深度范围内，单位摩阻力按直线规律由零增加至最大值；超过深度5m以后取常数值3.3.2沉井底节验算刃脚下的支承位置不断在变，三种情况：1）在排水或无水情况下下沉沉井2）对于不排水下沉的沉井（1）假定底节沉井仅支承于长边的中点（2）假定底节沉井支承于短边的两端点3.3.3沉井井壁计算沉井井壁应进行竖直和水平两个方向的内力计算。1）竖直方向在沉井的下沉过程中，当沉井被四周土体箝固着而刃脚下的土已被掏空时，应验算井壁接缝处的竖向拉应力。接缝处：混凝土不承受拉应力而由接缝处的钢筋承受，此时钢筋的抗拉安全系数可采用1.25；同时并须验算钢筋的锚固长度。井壁摩阻力可假定沿沉井全高按倒三角形分布，即在刃脚底面处为零，在地面处为最大，此时最危险的截面在沉井入土深度的1/2处沉井外侧直立时的井壁受拉计算图按《公路桥涵地基与基础设计规范》，最大竖向拉力Plmax为此时沉井全部重力G的1/4，即实际工程中，沉井被卡住较为常见，也出现过被拉裂的沉井。4/maxGPl验算建议值表3-2沉井竖向拉力计算及其最小配筋率沉井施工状态沉井结构或受其影响建筑物的安全等级与拉力计算取值纵向钢筋最小构造配筋率一级二级三级钢筋混凝土最小配筋率不宜于少0.1%；少筋混凝土不宜少于0.05%排水下沉0.50G0.30G0.25G不排水下沉0.40G0.25G0.20G泥浆套中下沉0.30G0.25G0.20G2）水平方向根据排水或不排水的情况，沉井井壁在水压力和土压力等水平荷载作用下，应作为水平框架验算其水平方向的挠曲。（1）验算刃脚根部以上，其高度等于该处井壁厚度t的一段井壁，依此设置该段的水平钢筋。计算简图QEWqttEEE2Q——由刃脚传来的剪力，其值等于求算刃脚竖直外力时分配于悬臂梁上的水平力（kN/m）。whWwhW32t32tEEEE（2）其余各段井壁的计算，可按井壁断面的变化,取每一段中控制设计的井壁（位于每一段最下端的单位高度）进行计算。上部井段按照作用在水平框架上的均布荷载q=W+E。然后用同样的计算方法，求得水平框架的最大弯矩M、轴向压力N、剪力Q，并据此设计水平钢筋。3.3.4沉井刃脚验算沉井刃脚部分可分别作为悬臂或水平框架验算其竖向及水平向的弯曲强度。1）按悬臂梁计算刃脚竖直方向的挠曲强度此时，刃脚根部可以认为与井壁嵌固，刃脚高度作为悬臂长度，并可根据以下两种不利情况分别计算：（1）当沉井下沉途中，刃脚内侧已切入土中深约1m;①沿井壁的水平方向取一个单位宽度，计算作用在刃脚上的土压力E和水压力W。②作用在井壁单位宽度上的摩阻力T，取其最小值EEET5.0tgAT③刃脚下单位宽度上土的垂直反力TGRv刃脚斜面上的土反力21VVRvbabaVV22121hatb联立方程式即可求得V1和V2。④作用在刃脚斜面上的水平反力U可按下式计算：U的作用点在距刃脚底面1/3高处。)(tg2VU⑤刃脚重力g按下式计算：⑥求得作用在刃脚上的所有外力的大小、方向和作用点之后，即可求算刃脚根部处截面上每单位周长内（井壁）的轴向压力N、水平剪力Q及对截面重心轴的弯矩M。并据此计算在刃脚内侧的钢筋（竖直）数量。2athgh（2）当沉井已沉到设计标高，刃脚下的土已被掏空，这时刃脚处于向内挠曲的不利情况，①计算刃脚外侧的土压力和水压力。②由于刃脚下的土已被掏空，故刃脚下的垂直反力Rv和刃脚斜面水平反力U等于零③作用在井壁外侧的摩阻力T④刃脚计算时重力g与前面相同⑤计算在刃脚外侧的钢筋（竖直）数量2）按封闭的水平框架计算刃脚水平方向的挠曲强度21161qLM212NqL121qLQ作用在刃脚侧面上的水平外力将由悬臂梁和框架来共同承担。分配系数公式如:悬臂作用:框架作用:105.00141441LhL424405.0Lhh3.3.5沉井封底计算封底混凝土在基底反力作用下，将其当作支承于刃脚斜面及隔墙上的周边支承板考虑；支承情况（简支或嵌固）和计算强度在设计中应视具体情况而定。1）规定（1）封底混凝土应承受基底水和土的向上反力，此时混凝土的龄期不足，应降低容许应力；（2）混凝土填实时，计入井孔内填充物的重力；（3）封底混凝土的厚度，一般不宜小于1.5D；2）干封底及有关计算（a）下有足够厚粘土层；（b）待底板达到足够强度后方停止降水沉井可干封底的情况（1）沉井刃脚停留在不透水粘土层中；不透水粘土层的厚度：A——沉井底部面积（m2）；——土的有效重度（即浮重度）（kN/m3）；——刃脚下面不透水粘土层厚度（m）；c——粘土的粘聚力（kPa）；U——沉井刃脚踏面内壁周长（m）；wwHAcUhhAh（2）在沉井内设吸水鼓并有良好滤层的情况下降水，一直降到钢筋混凝土底板足够承担地下水回升后的水土压力，方可拆除并封闭降水管，在这种情况下，可采用干封底。3）水下封底混凝土的厚度计算封底要求是：（1）按最不利情况混凝土厚度：即在沉井封底后，将井内水排干，在钢筋混凝土底板尚未施工前。（2）水下封底混凝土最好不让其中出现拉应力。分配线相交于素混凝土封底上，可以认为不承受拉应力。中央锅底挖深可形成倒拱。若出现拉应力，计算方法：注意计算跨度；①周边简支支承的圆板在承受均匀荷载时，可计算板中心的最大弯矩值：②周边简支支承的双向板在承受均布荷载时，计算跨中弯矩Mx和My：222max2.0)6~513(16)3(16prprprM2qLaMxx2qLaMyy简支支承双向板计算简图③求出弯矩值后，封底混凝土的厚度——考虑封底混凝土因与井底泥土掺混需要增加的厚度，宜取0.3~0.5m；若基底采取铺块石或碎石灌浆抹平处理后再封底，可不考虑此增加值。utmthbfFMh5.3uh④封底混凝土剪应力计算应加大封底混凝土的抗剪面积。如在井壁和隔墙内设置凹槽等。3.3.6沉井底板计算1）底板荷载计算A：沉井结构的最大自重除以沉井外围底面积的商，不计井壁侧面摩阻力。B：假定水压力全部由钢筋混凝土底板承受。土反力和水压力中数值较大者2）沉井底板内力计算内力可按单跨或多跨板计算;边界支承条件,根据具体情况决定;3.3.7沉井抗浮稳定验算可能出现的最高地下水位进行验算,一般的沉井依靠自重获得抗浮稳定。在不计井壁摩阻力的情况下，抗浮稳定验算公式为：05.1/BGKf3.3.8沉井下沉对周围环境的影响1）影响范围的确定采用土坡稳定计算方法乘以重要性系数——影响范围内建筑物安全等级的重要性系数)245(tgHL表3-4沉井下沉影响范围内建筑物安全等级的重要性系数重要性系数建筑物安全等级一级二级三级2.52.01.82）减少沉井对周围土体破坏的措施（1）增大沉井的下沉系数;使沉井刃脚插入土中0.5-3.0m，以阻止土体从井外向井向涌入。（2）在粉细砂土层中下沉沉井时;事先压浆固结;使粉细砂土固结后（3）如沉井外流砂等固结困难时，也可采用不排水下沉沉井;（4）及时进行回填（5）沉井等地下工程施工前应作好充分准备，施工速度要快；（6）沉井下沉影响范围内的重要建筑物应采取桩基或地下连续墙等加固措施，防止土体破坏向建筑物方向延伸。本讲要点了解沉井构造；掌握下沉系数计算；沉井底节验算；沉井井壁计算；沉井刃脚验算；掌握:沉井封底验算；掌握沉井底板计算方法；了解沉井下沉影响及处理措施。