k 天然地基上的浅基础

【第16次课】教学目的：通过本次课教学使学生掌握沉井的概念，沉井的构造构造，沉井的施工措施。教学重点：沉井的概念，沉井的构造构造，沉井的施工措施。教学难点：沉井的施工措施。板书 解说第四章 沉井基本及地下持续墙第一节 沉井的基本概念、作用及合用条件概念： 沉井是井筒状的构造物(图4-1)。它是以井内挖土，依托自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后通过混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁敦台或其他构造物的基本（图4-2）。长处： 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;沉井既是基本，又是施工时的挡土和挡水围堰构造物，施工工艺并不复杂 (图4-3)。同步，沉井施工时对邻近建筑物影响较小且内部空间可资运用，因而常用作为工业建筑物特别是软土中地下建筑物的基本，也常用作为矿用竖井、地下油库等。缺陷： 施工期较长，对粉细砂类土在井内抽水易发生流砂现象，导致沉井倾斜，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，均会给施工请来一定困难。合用： 1上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力局限性，做扩大基本开挖工作量大，以及支撑困难，但在一定深度下有好的持力层，采用沉井基本与其她深基本相比较，经济上较为合理时;2 在山区河流中，虽然土质较好，但冲刷大，或河中有较大卵石不便桩基本施工时; 3 岩层表面较平坦且覆盖层薄，但河水较深;采用扩大基本施工围堰有困难时。板书 解说第二节 沉井的类型和构造一、沉井的分类(一)按沉井施工措施的分类1 一般沉井 指就地制造下沉的沉井，这种沉井是在基本设计的位置上制造，然后挖土靠沉井自重下沉。如基本位置在水中，需先在水中筑岛，再在岛上筑井下沉。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措施，此类沉井称为浮运沉井或浮式沉井。(二)按沉井的形状的分类1按沉井的平面形状 圆形沉井 矩形沉井 圆端形沉井2按沉井的立面形状竖直式倾斜式台阶式等(图4-5)。(三)按沉井的建筑材科的分类1 混凝土沉井 2 钢筋混凝士沉井 3 竹简混凝土沉井 赣江大桥4 钢沉井板书 解说二、沉井基本的构造(一)沉井的轮廓尺寸平面形状 墩(台)底部的形状。矩形沉井 矩形或圆端形墩（沉井的长边与短边之比不适宜不小于3）方形或圆形沉井 墩的长宽比较为接近沉井顶面尺寸为墩(台)身底部尺寸加襟边宽度。襟边宽度不适宜不不小于0.2m，也不适宜不不小于沉井全高的1/50，浮运沉井不不不小于0.4m。沉井的高度须根据上部构造，水文地质条件及各土层的承载力等定出墩底标高相沉井基本底面的埋置深度后拟定。高的沉井应分节制造和下沉，每节高度不适宜不小于5m，对底节沉井若是在松软土层中下沉时，还不应不小于沉井宽度的0.8倍。若底节沉井高度过高，沉井过重，会给制模、板书 解说筑岛时岛面解决、抽除垫木下沉等带来困难。(二)沉井的一般构造1井壁井壁是沉井的主体部分。它在沉井下沉过程中起挡土、挡水及运用自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，它就成为基本或基本的一部分而将上部荷载传到地基。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状况，可以在井壁内配备竖向及水平向钢筋，以增长井壁强度。井壁厚度按下沉需要的自重，自身强度以及便于取土和清基等因素而定，一般为0.80一1.20m。钢筋混凝土薄壁沉井可不受此限制。井壁的混凝土标号不低于15号。2刃脚井壁下端形如楔状的部分称为刃脚。其作用是在沉井白重作用下易于切土下沉。刃脚底面(踏面)宽度一般为0.1一0.2m，对软土可合适放宽。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4-7)，以防刃脚损坏。刃脚内侧斜面与水平面的夹角应不小于45。刃脚高度视井壁厚度、便于抽除垫木而定，一般在1.Om以上。由于刃脚在沉井下沉过程中受力较板书 解说集中，故刃脚宜采用20号以上的钢筋混凝土制成。3隔墙沉井长宽尺寸较大，应在沉井内设立隔墙，以加强沉井的刚度，使井壁的挠曲应力减小，其厚度一般不不小于井壁。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阻碍下沉。也可在刃脚与隔墙联结处设立埂肋加强刃脚与隔墙的连结。如为人工挖土，在隔墙下端应设立过人孔，便于工作人员井孔间往来。4井孔井孔是挖土排士的工作场合和通道。井孔尺寸应满足施工规定，宽度(直径)不适宜不不小于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，其作用是便封底混凝土与井壁有较好的接合，封底混凝土底面的反力更好的传给井壁(如井孔所有填妥的实心沉井也可不设凹槽)。凹槽深度约0.150.25m，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节下沉方向。一般水压不不不小于600kPa。如使用泥浆润滑套施工措施时，应有预理的压射泥浆管路。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，可从井孔中抽干水并填满混凝土或其他圬工材料。如井孔中不填料或仅填以砂砾则须在沉井顶面宽钢筋混凝土盖板。封底混凝土底面承受地基土和水的反力，这就规定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不不小于井孔最小边长的L5倍。封底混凝土顶面应高出刃脚根部不不不小于0.5m，并灌溉到凹槽上端。封底混凝土标号对岩石地基用15号;一般地基用20号。盖板厚度一般为L52.0m。井孔中充填的混凝土，其标号不应低于10号。板书 解说(三)浮运沉井的构造1不带气筒的浮运沉井合用： 水下太深、流速不大、河床较平、冲刷较小的自然条件。施工： 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、外壁构成的空心井壁沉井，这是制造浮运沉井较好的措施，具有施工以便、节省钢材等长处。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，使它布满钢筋网和钢丝网之间的间隙并形成厚1一3mm的保护层。图4-8是钢丝网水泥薄壁浮运沉井的一种形式。板书 解说带临时底板的浮运沉井：底板一般是在底节的井孔下端刃脚处设立的木质底板及其支撑，底板的构造应保证其水密性、能承受工作水压并便于拆除。带底板的浮运沉井就位后，即可接高井壁使其逐渐下沉，沉到河床后向井孔充水到与外面水面齐平，即可拆除临时底板。这种带底板的浮运沉井与筑马法、围堰法施工相比，可以节省大量工程量，施工速度也较快。2带钢气筒的浮运沉井合用： 水深流急的巨型沉井。图4-9为一带钢气筒的圆形浮运沉井构造图。它重要由权壁的沉井底节、单壁钢壳、钢气筒等构成。双壁钢沉井底节是一种可以自浮于水中的壳体构造;底节以上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，单壁钢壳既是防水构造，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构造，它根据压缩空气排开气筒内的水提供浮式沉井在接高过程中所需的浮力。同步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所有充气，使沉井重新浮起，定位下沉。当采用低桩承合而围水挖基浇筑承具有困难时;当沉井刃脚遇到倾斜较大的岩层或在沉井范畴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本，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，又作为钻孔惦的护筒，还作为桩基的承台(请参阅第三章桩基本有关沉井结合法的内容，板书 解说第三节 沉井的施工一、旱地上沉井的施工(图4-10)1整平场地2制造第一节沉井3拆模及抽垫4挖土下沉5接高沉井6筑井顶围堰7地基检查和解决8封底、充填井孔及浇筑顶盖 二、水中沉井的施工1筑岛法水流速不大，水深在3或4m以内，可用水中筑岛的措施(图4-12)。筑岛材料为砂或砾石，周边用草袋围护，如水深较大可作围堰防护。岛面应比沉井周边宽出2m以上，作为护道，并应高出施工最高水位0.5m以上。砂岛地基强度应符合规定，然后在岛上浇筑沉井。如筑岛压缩水面较大，可采用钢板桩围堰筑岛。水深较大，如超过10m时，筑岛法很不经济，且施工也困难，可改用浮运法施工。沉井在岸边做成，运用在岸边铺成的滑道滑入水中(图4-13)，然后用绳索引到设计墩位。沉井井壁可做成空体形式或采用其他措施（如带木底或装上钢气筒)使沉井浮于水上，也可以在船坞内制成用浮船定位和吊放下沉或运用潮汐，水位上涨浮起，再浮运至设计位置。沉井就位后，用水或混凝土灌入空怀、徐徐下沉直至河底。或依托在悬浮状态下接长沉井及填充混凝土使它逐渐下沉，这时每个环节均需保证沉井自身足够的稳定性。沉井刃脚切入河床一定深度后，可按前述下沉措施施工。三、沉井下沉过程中遇到的问题及解决1沉井发生倾斜和偏移偏斜因素： 土岛表面松软，使沉井下沉不均，河底土质软硬不匀;挖土板书 解说不对称;井内发生流砂，沉井忽然下沉，刃脚遇到障碍物顶住而禾及时发现;井内挖除的土堆压在沉井外一侧，沉井受压偏移或水流将沉井一侧土冲空等。沉井偏斜大多数发生在沉井下沉不深的时候，下沉较深时，只要控制得好，发生倾斜较少。纠正措施： 在沉井高的一侧集中挖土;在低的一侧回填砂石;在沉井高的一侧加重物或用高压射水冲松土层;必要时可在沉井顶面施加水平力扶正。纠正沉井中心位置发生偏移的措施是先使沉井倾斜，然后均匀除土，使沉井底中心线下沉至设计中心线后，再进行纠偏。在刃脚遇到障碍物的状况，必须予以清除后再下沉。清除措施可以是人工排除，如遇树根或钢材可锯断或烧断，遇大孤石宜用少量炸药炸碎，以免损坏刃脚。在不能排水的状况下，由潜水工进行水下切割或水下爆破。2沉井下沉困难因素： 沉井自身重力克服不了井壁摩阻力，或刃脚下遇到大的障碍物所致。解决措施：（1）增长沉井自重 可提前浇筑上一节沉井，以增长沉井自重，或在沉井顶上压重物(如钢轨、铁块或砂袋等，迫使沉井下沉。对不排水下沉的沉井，可以抽出井内的水以增长沉井自重，用这种措施要保证土不会产生流砂现象。(2)减小沉井外壁的摩阻力。减小沉井外壁摩阻力的措施是:可以将沉井设计成阶梯形、钟形，或在施工中尽量使外壁光滑;亦可在井壁内理设高压射水管组，运用高压水流冲松井壁附近的土，且水流沿井壁上升而润滑井壁，便沉井摩阻力减小;以上几项措施在设计时就应考虑。在刃脚下挖空的状况，可采用炸药，运用炮震使沉井下沉，这种措施对沉井快沉至设计标高时效果较好，但要避免震坏沉井，放用药量要少，次数不适宜太多。 【思考题】1沉井基本与桩基本的荷载传递有何区别?2沉井基本有什么特点:3沉井在施工中会浮现哪些问题，应如何解决4泥浆润滑套的特点和作用是什么?【第17次课】教学目的：通过本次课教学使学生掌握沉井的概念，沉井的构造构造，沉井的施工措施。教学重点：沉井的概念，沉井的构造构造，沉井的施工措施。教学难点：沉井的施工措施。板书 解说四、泥浆润滑套与壁后压气沉井施工法l泥浆润滑套泥浆润滑套： 把配备的泥浆灌注在沉井井壁周边，形成井壁与泥浆接触。作用： 对沉井壁起润滑作用，它与井壁间摩阻力仅35KPa大大减少了井壁摩阻力一般粘性土对井壁摩阻力为2550KPa，砂性土为1225Kpa。长处： 提高沉井下沉的施工效率，减少井壁的圬土数量，加大了沉井的下沉深度，施工中沉井稳定性好。泥浆配合比： 应使泥浆性能具有良好的固壁性、触变性和胶体稳定性。一般采用的泥浆配合比(重量比)为粘土35%45%，水55%65%，另加分散剂碳酸钠0.4%0.6%，其中粘土或粉质粘土规定塑性指数不不不小于15，含砂率不不小于6%(泥浆的性能指标以及检测措施可参见有关施工技术手册)。泥浆润滑套的构造：射口挡板： 用角钢或钢板弯制，置于每个泥浆射出口处固定在井壁台阶上(见图4-14)，它的作用是避免泥浆管射出的泥浆百冲土壁而起缓冲作用，避免士壁局部坍落堵塞射浆口。地表围圈： 埋设在沉井周边保护泥浆的围壁(图4-15)。它的作用是沉井下沉时避免土壁坍落;保持一定数量的泥浆储存量以保证在沉井下沉过程中泥浆补充到新导致的空隙内;通过泥浆在围圈内的流动，调节各压浆管出浆的不均衡。地表围圈的宽度即沉井台阶的宽度，其高度一般在1.52.0m左右，顶面高出地面或岛面约板书 解说0.5m，圈顶面宜加盖。可用木板或钢板制做。压浆管： 根据井壁的厚度有内营法和外管法两种。厚壁沉井多采用内营法(图4-14)，薄壁沉井宜采用外管法(图4-16)。2壁后压气沉井法壁后压气沉井法也是减少下沉时井壁摩阻力的有效措施。它是通过对沿井壁内周边预埋的气管中喷射高压气流，气流沿喷气孔射出再沿沉井外壁上升，形成一圈压气层(又称空气幕)式井壁周边土松动。减少井壁摩阻力，使沉井顺利下沉。 施工时压气管分层分布设立，竖管可用塑料管或钢管，水平环管刚采用直径25mm的硬质聚氯乙烯管，沿井壁外缘埋设。每层水平环管可按四角分为四个区，以便分别压气调节沉井倾斜，压气沉井所需的气压可取静水压力的2.5倍。与泥浆润滑套相比，壁后压气沉井法在停气后即可恢复土对井壁的摩阻的，下沉量易于控制，且所需施工设备简朴，可以水下施工，经济效果好。现觉得在一般条件下较泥浆润滑套更为以便，它合用于细、粉砂类土和粘性土中。但设计措施和施工措施尚待积累更多的资料。第四节 沉井的设计与计算沉井 施工完毕后 是构造物的基本 按基本的规定进行各项验算施工过程中 是挡土、挡水 沉井自身进行构造设计和计算一、沉井作为整体深基本的设计与计算设计根据： 上部构造特点、荷载大小以及水文、地质状况，结合沉井的构造规定及施工措施。设计内容： 拟定出沉井的平面尺寸，埋置深度，然后进行沉井基本的计算。计算措施： 1）按浅基本设计计算规定，分别验算地基强度、沉井基本的稳定性和沉降，使它符合容许值的规定。2）当沉井基本埋置深度较大时，由于埋置在上体内较深，不可忽视沉井周边土体对沉井的约束作用，因此在验算地板书 解说基应力。变形及沉井的稳定性时，需要考虑基本侧面土体弹性抗力的影响。计算基本假定：1 地基上作为弹性变形介质，水平向地基系数随深度成正比例增长;2 不考虑基本与上之间的粘着力和摩阻力;3 沉井基本的刚度与土的刚度之比可觉得是无限大。(一)非岩石地基上沉井基本的计算沉井基本受到水平力H及偏心竖向力N作用时(图4-17a)，为了讨论以便，可以把这些外力转变为中心荷载和水平力的共同作用，转变后的水平力H距离基底的作用高度从（图4-17b）为 （4-1）先讨论沉井在水平力H作用下的状况。由于水平力的作用，沉井将环绕位于地面下Z。深度处的A点转动角(图4-18)，地面下深度Z处沉井基本产生的水平位移曲和土的横向抗力分别为 （4-2）板书 解说 （4-3a）式中：Z.0 转动中心A离地面的距离;Cz 深度Z处水平向的地基系数，Cz=mZ0 (kN/m3)，m为地基比例系数(kN/m。)将G值代大武(4-3a)得 （4-3b）从式(4-3b)可见，土的横向抗力沿深度为二次抛物线变化。 基本底面处的压应力，考虑到该水平面上的竖向地基系数G不变，故其压应力图形与基本竖向位移图相似。故（4-4）式中C0(见表3-16注)不得不不小于10m0，d为基底宽度或直径。在上述三个公式中，有两个未知数Z。和w，规定解其值，可建立两个平衡方程式:X=0 （4-5）M=0 （4-6）式中b1为基本计算宽度，按第三章中“m法”计算，w为基底的截面模量。对上二式进行联立解，可得 （4-7） （4-8）板书 解说或 式中： 为深度h处沉井侧面的水平向地基系数与沉井底面的竖向地基系数的比值，其中m、m。按第三章有关规定采用将式（4-7）(4-8)代入式（4-3）及式（4-4）得 （4-9） （4-10）当有竖向荷载N及水平力H同步作用时(图4-18)则基底边沿处的压应力为 （4-11）式中A。为基本底面积。离地面或最大冲刷线如下Z深度处基本截面上的弯矩(图4-18)，为 （4-12）板书 解说(二)基底嵌入基岩内的计算措施若基底嵌入基岩内，在水平力和竖直偏心荷载作用下，可觉得基底不产生水平位移，则基本的旋转中心A与基底中心相吻合，即Z0=h，为一已知值(图4-19)。这样，在基底嵌人处便存在一水平阻力P，由于P力对基底中心轴的力臂很小，一般可忽视P对A点的力矩。当基本有水平力H作用时，地面下Z深度处产生的水平位移M和土的横向抗力zx分别为 （4-13） （4-14）基底边沿处的竖向应力为 （4-15）岩石的C0值可按表3-17查用。上述公式中只有一种末知数，故只需建立一种弯矩平衡方程便可解出值。板书 解说MA=0 （4-16）解上式得 （4-17）式中 将tg代入式（4-14）（4-15）得 （4-18） （4-19）基底边沿处的应力为 （4-20）根据X=0可以求出嵌人处未知的水平阻力P板书 解说 （4-21）地面如下Z深度处基本截面上的弯矩为 （4-22）(三) 墩台顶面的水平位移基本在水平力和力矩作用下，墩台顶面会产生水平位移，它由地面处的水平位移Z0tg，地面到墩台顶范畴机h2的水平移h2tg，在h2范畴内墩合身弹性挠曲变形引起的墩台顶水平位移0，三部分构成。 （4-23）考虑到转角一般均很小，令tg=不会产生多大的误差。另一方面，由于基本的实际刚度并非无穷大，而刚度对墩台顶的水平位移是有影响的。故需考虑实际刚度对地面处水平位移的影响及对地面处转角的影响，用系数K1及K2表达。K1、K2是h，/h的函数，其值可按表4-1查用。因此，式(4-23)可写成 （4-24）或对支承在岩石地基上的墩台顶面水平位移为 （4-25）(四)验算1基底应力验算式(4-11)及式（4-20）所计算出的最大压应力不应超过沉井底面处土的容许压应力。板书 解说 （4-26）2横向抗力验算由式(4-9)，(4-18)计算出的zx，值应不不小于沉井周边土的极限抗力值，否则不能考虑基本侧向上的弹性抗力，其计算措施如下：当基本在外力作用下产生位移时，在深度Z处基本一侧产生积极上压力强度Pa而被挤压一侧土就受到被动土压力强度Pp，故其极限抗力，以土压力体现为 （4-27）由朗金土压力理论可知 （4-28）代入式（4-27）整顿后 （4-29）式中为土的容重，和c分别为土的内摩擦角和粘聚力。考虑到桥梁构造性质和荷载状况，并根据实验懂得浮现最大的横向抗力大体在Z=h/3和Z=h处，将考虑的这些值代入式(4-29，便有下列不等式 （4-30）板书 解说 （4-31）式中：（h/3）x相应于Z=h/3深度处的土横向抗力;hx 相应于Z=h深度处的土横向抗力，h为基本的理量深度;1 取决于上部构造形式的系数，一般取1=1，对于拱桥1=0.7;2 考虑恒载对基本底面重心所产生的弯矩Mg在总弯矩M中所占比例的系数，即2=1-0.8Mg/M3墩台顶面水平位移验算桥梁墩台设计时，除应考虑基本沉降外，往往还需要检查由于地基变形和墩合身的弹性水平变形所产生的墩台顶面的弹性水平位移。现行规范规定：墩台顶面的水平位移应符合下列规定：0.5L(cm)，式中L为相邻跨中最小跨的跨度(m)，当跨度上25m时，按25m计算。【第18次课】教学目的：通过本次课教学使学生掌握沉井的概念，沉井的构造构造，沉井的施工措施。教学重点：沉井的概念，沉井的构造构造，沉井的施工措施。教学难点：沉井的施工措施。板书 解说二、沉井施工过程中的构造强度计算从底节沉井拆除垫木，直至上部构造修筑完毕开始使用，以及营运过程中沉井均受到不同外力的作用。因此，沉井的构造强度必须满足各阶段最不利受力状况的规定。根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTJ023-85)，钢筋混凝土受弯构件施工阶段应力验算可采用容许应力法。因此在下列有关钢筋混凝土构造强度验算中除沉井封底与顶盖一部分计算外，均采用容许应力法。针对沉井各部分在施工过程中的最不利受力状况，一方面拟出相应的计算图式，然后计算截面应力，进行必要的配筋，保证井体构造在施工各阶段中的强度和稳定。 (一)沉井自重下沉验算为了便沉井能在自重下顺利下沉，沉井重力(不排水下沉者应扣除浮力)应不小于土对井壁的摩阻力，将两者之比称为下沉系数，规定 （4-32）式中：K 下沉系数，应根据土类别及施工条件取不小于l的数值;Q 沉井自重（KN）;T 土对井壁的总摩阻力当不能满足式(4-32)规定期，可选择下列措施直至满足规定：加大井壁厚度或调节取土井尺寸；如为不排水下沉者，则下沉者到一定深度后可采用排水下沉；增长附加荷载或射板书 解说水助沉;采用泥浆润滑套或壁后压气法等措施。(二)第一节(底节)沉井的竖向挠曲验算第一节沉井在抽除垫木及挖土下沉过程中，沉井可按承受自重的梁计算井壁产生的竖向挠曲应力。如挠曲应力超过了沉井材料的容许限值，就应增长第一节沉井高度或在井壁内设立横向钢筋，以避免沉井竖向开裂。 验算时应采用的第一节沉井的支承点位置与沉井的施工措施有关，现分别叙还如下：1排水挖土下沉由于沉井是排水挖土下沉，因此不管在抽除刃脚下垫木以及在整个挖土下沉过程中，都能较好地控制沉井的支承点。为了使井体挠曲应力尽量小些，支点距离可以控制在最有利的位置处。对矩形及圆端形沉井而言，是使其支点和跨中点的弯矩大体相等。如沉井长宽比不小于支点设在长边上，支点间距可采用0.7L，L为沉井长度如(图4-20a)，以此验算沉井井壁顶部和下部弯曲抗拉的强度，避免开裂。圆形沉井四个支点可布置在两个互相垂直线上的端点处。2不排水挖土下沉由于井孔中有水，挖土也许不均匀，支点设立也难控制，沉井下沉过程中也许会浮现最不利的支承状况。对矩形及圆端形沉井，支点在长边的中点上，如图4-20b)，另一种状况支点在四个角上，如图4-20c);对于圆形沉井，两个支点位于始终径上。图4-20a)和b)状况使沉井成为一悬臂梁，在支点处，沉井顶部也许产生竖向开裂;而图4-20c)使沉井成为一简支梁，跨中弯矩最大，也许沉井下部竖向开裂。两种状况均应对长边跨中附近最小截面上下缘进行验算。若底节沉井内隔墙的跨度较大，还需验算内隔墙的抗拉强度。内隔墙最不利的受力状况是下部土已挖空，第二节沉井的内墙已浇筑，但未凝固，这时，内隔墙成为两端支承在井壁上的梁，承受了自身重量以及上部第二节沉井内隔墙如模板等重量。如验算成果也许使内隔墙下部产生竖向开裂，应采用措施，或布置水平向钢筋，或在浇筑第二节沉板书 解说井时内隔墙底部回填砂石并夯实，使荷载传至填土上。(三) 沉井刃脚受力计算沉井在下沉过程中，刃脚受力较为复杂，刃脚切入土中时受到向外弯曲应力，挖空刃脚下的土时，刃脚又受到外部土、水压力作用而向内弯曲。从构造上来分析，可觉得刃脚把一部分力通过自身作为悬壁梁的作田传到刃脚根部，另一部分由自身作为一种水平的闭合框架作用所承当，因此，可以把刃脚当作在平面上是一种水平闭合框架，在竖向是一种固定在井壁上的悬臂梁。水平外力的分派系数，如根据悬臂及水平框架两者的变位关系及其她某些假定得到：刃脚悬臂作用的分派系数为 （4-33）刃脚框架作用的分派系数为 （4-34）式中：L1 支承于隔墙间的井壁最大计算跨度;L2 支承于隔墙间的井壁最小计算跨度;hk 刃脚斜面部分的高度。水平外力按上面两个分派系数数分派，只合用于内隔墙底面高出刃脚底面不超过0.5m，或不小于0.5m而垂直埂肋的状况。否则，所有水平力应由悬臂作用承当，即=1.0。刃脚不再起水平框架作用，但仍应按构造规定布置水平钢筋，便能承受一定的正、负弯矩。外力通过上面的分派后来，就可以将刃脚受力状况按竖、横两个方向来计算。1刃脚竖向受力分析(1) 刃脚向外挠曲的内力计算 最不利状况： 刃脚斜面上土的抵御力最大，而井壁外的土压力及水压力最小一般近似觉得在沉井下沉施工过程中，刃脚内侧切入土中深度约1.0m，上节沉井均已接上，且沉井上部露出地面或水面约板书 解说板书 解说一节沉井高度时较符合需要条件，为最不利状况，以此来计算刃脚的向外挠曲弯矩。刃脚高度范畴内的外力： 刃脚外侧的积极土压力及水压力，沉井自重，土对刃脚外侧的摩阻力，以及刃脚下土的抵御力。其计算图式如图4-21。1)作用在刃脚外侧单位宽度上的土压力及水压力的合力为 （4-35）式中：pe2+w2 作用在刃脚根部处的土压力及水压力强度之和; pe3+w3 刃脚底面处的土压力及水压力强度之和;hk 刃脚高度。pe+w力的作用点(离刃脚根部的距离)为 （4-36）地面下深度hi处刃脚承受的土压力ei可按朗金积极土压力公式计算 （4-37）式中i为hi高度范畴内土的平均容重，在水位如下应考虑浮力, hi为计算位置至地面的距离。水压力i的计算为i=whwi，其中w为水的容重，hwi为计算位置至水面的距离。水压力是应根据施工状况和土质条件计算的(可参照刃脚向内挠曲验算时有关阐明)，为了避免计算所得土、水压力值偏大而使验算措施偏于不安全，一般设计规范均规定了由式(4-35)算得的刃脚外侧土、水压力值不得不小于静水压力的70%，否则按静水压力的70%。2)作用在刃脚外侧单位宽度上的摩阻力Ti可按下列二式计算，并取其较小者 （4-38）板书 解说 （4-39）式中：土与井壁间单位面积上的摩阻力，由表4-2查用;hk 刃脚高度;E 刃脚外侧总的积极土压力3)刃脚下抵御力的计算。刃脚下竖向反力R(取单位宽度)可按下式计算 （4-40）式中：q 为沿井壁周长单位宽度上沉井的自重，在水下部分应考虑水的浮力;T 为沉井入土部分单位宽度上的摩阻力。为求R的作用点，可将R分为v1及v2两部分，然后根据图4-21求得。图中刃脚踏面宽度为a1，踏面下的反力假定为均匀分布，其合力用v1表达。假定刃脚斜面与水平面成角，斜面与土间的摩擦角为况。故作用在斜面上土反力的合力与斜面的垂直方向成角，斜面上反力成三角形分布，在地面处为o，将合力分解成竖直力v2及水平力H时，它们的应力图形也是呈三角形分布。因此， （4-41）R的作用点距井壁外侧的距离为（4-42）式中：b2为刃脚内侧入土斜面在水平面上的投影长度。根据力的平衡条件，从图4-21可知 （4-43） （4-44） （4-45）其中2为土与刃脚斜面间的外摩擦角，一般定为300，刃脚斜面上水平反力H 作用点离刃脚底面1/3m。4)刃脚(单位宽度)自重g为(4-43) （4-46） 式中： 井壁厚度i 钢筋混凝土刃脚的容重，不排水施工时应扣除浮力。刃脚自重g的作用点至刃脚根部中心轴的距离 （4-47）求出以上各力的数值、方向及作用点后，再算出各力对刃脚根部中心轴的弯矩总和值M0竖向力N0及剪力Q，其算式为 （4-48） （4-49） （4-50）式中：MR、MH、Me+w、MT、Mg分别为反力R、土压力及水压力pe+w、横向力H、刃脚底部的外侧摩阻力T1以及刃脚自重g对刃脚根部中心轴的弯矩，其中作用在刃脚部分的各水平力均应接规定考虑分派系数上述各式数值的正负号视具体状况而定。根据M0、N0及Q值就可验算刃脚根部应力并计算出刃脚内侧所需的竖向钢筋用量。一般刃脚钢筋截面积不适宜少于刃脚跟部截面积的0.1%，刃脚的竖直钢筋应伸入根部以上0.5L1(L1为支承于隔墙间的井 最大计算跨跨度)。(2)刃脚向内挠曲的内力计算最不利状况： 沉井已下沉至设计标高，刃脚下的土已挖空而尚未浇筑封底混凝土(图4-22)，这时，将刃脚作为根部固定在井壁的悬板书 解说臂梁，计算最大的向内弯矩。作用在刃脚上的力： 刃脚外侧的土压力、水压力、摩阻力以及刃脚自身的重力。计算措施： 同前。但计算水压力应注意根据施工实际状况，现行的设计规范考虑到一般的状况及从安全出发规定不排水下沉沉井，井壁外侧水压力值以内水压力值以50%计算，或按施工也许浮现的水头差计算。若为排水下沉沉井，对不透水土，可按静水压力70%计算，在透水性土中，可按静水压力的100%计算。计算所得各水平外力均应接规定考虑分派系数。根据外力值计算出对刃脚根部中心轴的弯矩、竖向力及剪力后，并以此求出刃脚外壁的钢筋用量。同样，刃脚钢筋截面积不适宜少于刃脚恨部截面积的0.1%。刃脚的竖直钢筋应伸入刃脚恨部以上0.5L1。2刃脚水平钢筋的计算最不利的状况： 沉井已下沉至设计标高，刃脚下的土已挖空，尚未浇筑封底混凝土的时候。计算措施： 由于刃脚有悬臂作用及水平闭合框架的作用，故当刃脚作为悬臂考虑时，刃脚所受水平力乘以而作用于框架的水平力应乘以分派系数式（4-34)后，其值作为水平框架上的外力，由此求出框架的弯矩及轴向力值。再计算框架所需的水平钢筋用量。 根据常用沉井水平框架的平面形式，现列出其内力计算式，以供设计时参照。(1)单孔矩形框架(图4-23)A点处的弯矩B点处的弯矩C点处的弯矩轴向力板书 解说式中：K=a/b，a为短边长度，b为长边长度。(2)单孔圆端形(图4-24)式中：K=L/r，r为圆心至圆端形井壁中心轴的距离。(3)双孔矩形(图4-25)板书 解说式中:K=a/b。(4)双孔圆端形(图4-26a) 板书 解说(5)圆形沉井(图4-26b)圆形沉井，如在均匀土中平稳下沉，受到周边均布的水平压力，则刃脚作为水平圆环，其任意截面上的内力弯矩M=0，剪力Q=0，轴向压力N=pR，其中R为沉井刃脚外壁的半径。如由于下沉过程中沉井发生倾斜或土质的不均匀，都将使刃脚截面产生弯矩。因此应根据实际状况考虑水平压力的分布。为了便于计算，可以对土压力的分布作如下的假设：设在井壁(刃脚)的横截面上互成90。两点处的径向压力为PA、PB，计算PA时土的内摩擦角可增大2.550，计算PB时减少2.5 5，并假设其她各点的土压力Pa按下式变化 pa=PA(1+sin)式中：=-1，=pB/pA(也可根据土质不均匀状况，覆盖层厚度，直接拟定值，一般取1.5-2.5，。则作用在A、B截面上的内力为NA=PAr(1+0.785)MA=-0.149PAr2NB=PAr(1+0.5)MB=0.137PAr2式中：NA、MA A截面上的轴向力和弯矩; NB、MB B截面(垂直于A截面)上的轴向力弯矩; r 井壁(刃脚)轴线的半径。(四)井壁受力计算1.井壁竖向拉应力验算沉井在下沉过程中，刃脚下的土已被挖空，但沉井上部被摩擦力较大的上体夹住(这一般在下部土层比上部土层软的情板书 解说况下浮现)，这时下部沉井呈悬挂状态，井壁就有在自重作用下被拉断的也许，因而应验算井壁的竖向拉应力。拉应力的大小与井壁摩阻力分布图有关，在判断也许夹住沉井的土层不明显时，呵近似假定沿沉井高度成例三角形分布(图2-27)。在地面处摩阻力最大，而刃脚底面处为零。该沉井自重为G，h 为沉井的入土深度，U为井壁的周长，为地面处井壁上的摩阻力，x为距刃脚底x处的摩阻力(图4-27) 由于 （4-51）离刃脚底x处井壁的拉力为Sx，其值为 （4-52）为求得最大拉应力令 （4-53）除沉井障碍物卡住的状况以外，可用式(4-53)算出的拉应力进行验算，当Smax不小于井壁污工材料容许限值时，应布置必要的竖向受力钢筋。对每市井壁接缝处的竖直拉力验算，可假定该处混凝土不承受拉应力，所有由接缝处钢筋承受。钢筋的应力应不不小于0.75钢筋原则强度，并须验算钢筋锚固长度。板书 解说2井壁横向受力计算沉井下沉过程中，井壁始终受到水平向的土压力及水压力作用，因而应验算井壁材料的强度。验算时是将井壁水平向截取一段作为水平框架来考虑，然后计算该框架的受力状况(计算措施与刃脚框架计算同)。井壁截取位置应是在刃脚根部(如图4-28所示)。沉井的最不利下沉状况是下沉至设计标高，刃脚下土已挖空而尚未封底，此时在c一c断面(图4-28)以上截取一段高度为井壁厚A的井壁作为水平框架。其上作用的水平荷载，除了该段井壁范畴内的土、水压力外，尚有刃脚作为悬臂作用传来的水平剪力(其值等于刃脚向内挠曲时受到的水平外力乘以分派系数。对于分布浇筑的沉井，整个沉井高度范畴的井壁厚度也许不一致，而依厚度变化提成数段。因此，除了应验算接近刃脚根部以上处的井壁材料强度外，同步还应验算备厚度变化段最下端处的单位高度的井壁作为水平框架的强度。并以此来控制该段全高的设计。这些水平框架所承受的水平力为该水平框架高度范畴内的土压力及水压力，并不需乘以分派系数。采用泥浆润滑套的沉井，若台阶以上泥浆压力不小于上述土压力和水压力之和，则井壁压力应按泥浆压力计算。(五)混凝土封底及项盖的计算1封底混凝土计算沉井封底混凝土的厚度应根据基底承受的反力状况而定。作用于封底混凝土的竖向反力可分为两种状况：一种是沉井水下封底后，在施工抽水时封底混凝土需承受基底水和地基土的向上反力；一种是空心沉井在使用阶段，封底混凝土须承受沉井基本所有最不利荷载组合所产生的基底反力，如沉井井孔内填砂或有水时，可扣除其重量。 封底混凝土厚度，可按下列两种措施计算并取其控制者。1. 封底混凝土视为支承在凹槽或隔墙底面和刃脚上的底板，按周边支承的双向板(矩形或圆端形沉井，或圆板(圆形沉井，计算。底板与井壁的连接一般按简支承考虑，当底板与井壁有可靠的整体连接(由井壁内预留钢筋联接等)时，板书 解说也可按弹性固定考虑。封底混凝土的厚度，可按下式计算: （4-54）式中：h1 封底混凝土的厚度(m); Mtm 在最大均布反力作用下的最大计算弯矩(kNm)，按支承条件考虑的荷载系数可由构造设计手册直取;Rwj 混凝土弯曲抗拉极限强度; si 荷载安全系数，此处si=1.1；m 材料安全系数，此处m=2.31 b 计算宽度，此处取lm。有时为简朴初步估算也可采用式(2-29)。(2)封底混凝土接受剪计算，即计算封底混凝土承受基底反力后与否有沿井孔范畴内周边剪断的也许性。若剪应力超过其抗剪强度则应加大封底混凝土的抗剪面积。2钢筋混凝土盖板的计算对于空心沉井或井孔填以砾砂石的沉井，必须在井顶筑钢筋混凝土盖板，用以支承墩台的所有荷载。盖板厚度一般是预先拟定的，只需进行配筋计算，计算时考虑盖板作为承受最不利组合传来均布荷载的双向板，然后以此计算成果来进行配筋计算。如墩身所有位于井孔内，还应验算盖板的剪应力和井壁支承压力。如墩身较大，部分支承在井壁上则不需进行盖板的剪力验算，只进行井壁压应力的验算。三、浮运沉井的计算要点设计浮运沉井，除了按前述措施计算外，还应考虑沉井浮运过程中的受力状况。在根据基本构造的需要拟订出沉井的基本尺寸后，先要拟定浮运沉井的浮体构造，进行施工环节计算，精确计算各施工环节的沉井重量，入土深度，浮体稳定性，井壁内外水头差，井壁露出水面高度等。(一)浮运沉升稳定性验算浮运沉井由于其浮运阶段和就位后接高下沉至河床阶段中均属一板书 解说个悬浮于水中的浮体，它必须是一种稳定的浮体，故对悬浮状态下沉井，根据每一种施工环节中的受力状况，必须核算其稳定性。在稳定性验算中，重要是决定沉井的重心、浮心及定倾半径，然后将它们的数值进行比较，便可判断沉井在浮运和下沉过程中与否稳定。现以带临时底板的浮运沉井为例，进行稳定性验算如下。1计算浮心位置(图4-29)沉井重量等于沉井排开水的重量，浮运沉井吃水深h0(从底板算起)，可按下式计算： （4-55）式中：V0 为沉井底板以上部分排水体积；A0 为沉井吃水的截面积，对圆端形沉井(图4-30) （4-56）其中：d为圆端形直径或沉井的宽度；L为沉井矩形部分的长度。浮心的位置，以刃脚底面起算为h3+Y1时，Y1可由下式求得 （4-57）式中：M为各排水体积(沉井底板以上部分排水体积V0、刃脚体积V1、底板下隔墙体积V2)对其中心到刃脚底距离的乘积。如各部分的乘积分别以M0、M2、M3表达则 （4-58） （4-59） （4-60）板书 解说 （4-61）式中：h1 底板至刃脚底面的距离;h3 隔墙底距刃脚踏面的距离;h4 底板下的隔墙高度;底板下井壁的厚度;1隔墙厚度;a1 隔墙底踏面的宽度;a 刃脚踏面的宽度。 2重心位置的计算(图4-29)设重心位置O2，离刃脚底面的距离为Y2，则 （4-62）式中：M为沉井各部分体积对其中心到刃脚底面距离的乘积，并假定了沉井圬工单位重相似。令重心与浮心的高差为Y，则 （4-63）3定倾半径的计算 定倾半径为定倾中心到浮心的距离，由下式计算（4-64）式中：Ix-x为吃水截面积的惯性矩，对圆端形沉井而言(图4-30)其值为 （4-65）对带气筒的浮运沉井，应根据气筒布置、各阶段气筒的使用、连通状况分别拟定定倾半径。板书 解说4浮运沉井稳定的必要条件浮运沉井的稳定性应满足重心到浮心的距离不不小于定倾中心到浮心的距离即 （4-66）(二)浮运沉井露出水面最小高度的验算沉井在浮运过程中受到牵引力、风力等作用，不免使沉井产生一定的倾斜，这就规定沉井倾斜后顶面露出水面0.51.0m作为安全高度或沉井露出水面的最小高度，以保证沉井在拖运中的安全。拖引力及风力等对浮心产生弯矩M，因而使沉井旋转(倾斜)角度其值为 （4-67）式中：为水的容量，取为l0kN/m3。在一般状况下不容许值不小于6。沉井浮运时露出水面的最小高度h按下式计算 （4-68）式中：H 浮运时沉井的高度;f 浮运沉井发生最大的倾斜时，顶面露出水面的安全距离，其值为0.51.0m。上式中用了dtg，d为圆端形的直径，即假定由于弯矩作用使沉井没入水中的深度为计算值(d/2)tg的两倍。【思考题】1沉井基本的设计计算涉及哪些内容?2沉井基本基底应力验算的基本原理是什么?3沉井构造计算有哪些内容?4浮运沉井的计算有何特殊性？【第19次课】教学目的：通过本次课教学使学生掌握沉井的概念，沉井的构造构造，沉井的施工措施。教学重点：沉井的概念，沉井的构造构造，沉井的施工措施。教学难点：沉井的施工措施。板书 解说第六节 地下持续墙一、地下持续墙的概念、特点及其应用与发展概念： 地下持续墙是在地面上用抓斗式或回转式等的成槽机械，沿着开挖工程的周边，在泥浆护壁的状况下开挖一条狭长的深槽，形成一种单元槽段后，在槽内放大预先在地面上制作好的钢筋笼，然后用导管法灌溉混凝土，完毕一种单元的墙段，各单元墙段之间以特定的接头方式互相连接，形成一条地下持续墙壁(图4-40)。随着地下持续墙技术的发展也可在挖好深槽后直接放置预制的钢筋混凝土或预应力混凝土墙板。长处： 构造刚度大;整体性、防渗性和耐久性好;施工时基本上无噪声、无振动、施工速度快、建造深度大，能适应较复杂的地质条件;可以做为地下主体构造的一部分、节省挡土构造的造价等长处。应用范畴： 市政工程的多种地下工程、房屋基本，竖井、船坞船闸，码头堤坝等。近来，地下墙技术在国内有了较快的发展和应用。应用类型: 1作为地下工程基坑的挡上防渗墙，它是施工用的临时构造; 2在开挖期作为基坑施工的挡土防渗构造，后来与主体构造侧墙以某种形式结合，作为主体构造侧墙的一部分；