土木工程本科生专业课程第五沉井基础

第五章第五章 沉井基础沉井基础 土木工程本科生专业课程基础工程主主 要要 内内 容容5.1 5.1 天然地基上深基础的修筑方法天然地基上深基础的修筑方法5.2 5.2 沉井的类型和构造沉井的类型和构造5.3 5.3 沉井的施工方法沉井的施工方法5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算5.1 5.1 天然地基上深基础的修筑方法天然地基上深基础的修筑方法概述概述基础埋深基础埋深施工难度施工难度施工安全系数施工安全系数水中施工水中施工需采用特殊需采用特殊的处理方式的处理方式需更多更强需更多更强的支撑结构的支撑结构施工困难施工困难造价上升造价上升沉井基础沉井基础沉箱基础沉箱基础新方法新方法施工方法施工方法制作制作井筒井筒挖土挖土下沉下沉到达设到达设计标高计标高封底填封底填充制盖充制盖修筑上修筑上部结构部结构5.1 5.1 天然地基上深基础的修筑方法天然地基上深基础的修筑方法特点特点施工过程：沉井挡土、挡水，起临时围堰作用施工过程：沉井挡土、挡水，起临时围堰作用运营阶段：深埋的实体基础运营阶段：深埋的实体基础优点优点刚度大、横向抗力大、抗震性能较好刚度大、横向抗力大、抗震性能较好机具简单、施工方便机具简单、施工方便5.1 5.1 天然地基上深基础的修筑方法天然地基上深基础的修筑方法5.1 5.1 天然地基上深基础的修筑方法天然地基上深基础的修筑方法5.2 5.2 沉井的类型和构造沉井的类型和构造5.3 5.3 沉井的施工方法沉井的施工方法5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算主主 要要 内内 容容5.2 5.2 沉井的类型及构造沉井的类型及构造5.2.1 5.2.1 沉井类型沉井类型按下沉方法按下沉方法一般沉井一般沉井浮运沉井浮运沉井按沉井材料按沉井材料混凝土沉井混凝土沉井钢筋混凝土沉井钢筋混凝土沉井钢沉井钢沉井其他沉井其他沉井11井壁井壁22刃脚刃脚33隔墙隔墙44井孔井孔55凹槽凹槽66射水管射水管77封底封底88顶盖顶盖5.2 5.2 沉井的类型及构造沉井的类型及构造5.2.2 5.2.2 沉井构造沉井构造1 1 平面形状平面形状平面平面形状形状圆形沉井圆形沉井矩形沉井矩形沉井圆端形沉井圆端形沉井 受力性能好，充分发挥混凝土受力性能好，充分发挥混凝土 抗压强度抗压强度 挖土方便，下沉均匀，易于控挖土方便，下沉均匀，易于控 制方向制方向 基底基底maxmax 同面积的矩形同面积的矩形 制造方便，下沉方向不易控制制造方便，下沉方向不易控制 能充分利用地基承载力能充分利用地基承载力 介于前两者之间介于前两者之间5.2 5.2 沉井的类型及构造沉井的类型及构造5.2 5.2 沉井的类型及构造沉井的类型及构造2 2 平面尺寸平面尺寸 顶面尺寸：大于墩底尺寸顶面尺寸：大于墩底尺寸 底面尺寸：由地基承载力确定底面尺寸：由地基承载力确定3 3 沉井高度沉井高度 顶面标高顶面标高H1：低于最低水位或低于地面：低于最低水位或低于地面 底面标高底面标高H2：由最小埋深和地基承载力确定：由最小埋深和地基承载力确定 沉井高度沉井高度H:H=H1-H2 高沉井高沉井可分节制造：每节高不大于可分节制造：每节高不大于56m，首节不大于首节不大于46m 第二节沉井过高，会导致沉井下沉发生倾斜第二节沉井过高，会导致沉井下沉发生倾斜 以及使下沉不深的首节沉井发生问题以及使下沉不深的首节沉井发生问题5.2 5.2 沉井的类型及构造沉井的类型及构造4 4 井孔设置及大小井孔设置及大小 设置目的：排土设置目的：排土 平面尺寸：挖土机具能顺利通过，对称布置平面尺寸：挖土机具能顺利通过，对称布置 设置方式设置方式:单孔、双孔及多孔单孔、双孔及多孔5 5 井壁井壁应有足够的强度和重量应有足够的强度和重量竖直形竖直形台阶形台阶形斜坡形斜坡形易于控制易于控制方向，但方向，但阻力大，阻力大，不易下沉不易下沉台阶宽度台阶宽度1020mm多设在沉多设在沉井分节处井分节处有利下沉有利下沉但易偏斜但易偏斜100100：1 1至至5050：1 15.2 5.2 沉井的类型及构造沉井的类型及构造6 6 隔墙隔墙 作用：作用：减小受弯跨度，提高沉井刚度，降低减小受弯跨度，提高沉井刚度，降低 沉井应力沉井应力 均匀挖土，控制下沉方向，不致倾斜均匀挖土，控制下沉方向，不致倾斜 特点：特点：厚厚0.81.2m，底面高出刃脚踏面不小于，底面高出刃脚踏面不小于0.5m0.5m h h较大时，设梗肋于隔墙底部与刃脚连接处较大时，设梗肋于隔墙底部与刃脚连接处 排水下沉，隔墙底留排水下沉，隔墙底留1.0-1.2m1.0-1.2m2 2过人通道过人通道 设置透水孔，一般设置透水孔，一般20-20cm20-20cm2 2，设置在隔墙，设置在隔墙 上部离顶部上部离顶部23m5.2 5.2 沉井的类型及构造沉井的类型及构造7 7 射水管组射水管组 作用：作用：利用高压水流冲松井壁四周的土，降利用高压水流冲松井壁四周的土，降 低侧阻力端阻力低侧阻力端阻力 控制水量、水压大小，调整下沉方向控制水量、水压大小，调整下沉方向5.2 5.2 沉井的类型及构造沉井的类型及构造8 8 探测管组探测管组 作用：作用：探测刃脚和隔墙底面下的泥面标高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清基射水或破坏沉井正面土层以利下沉 沉井水下封底后，可作为刃脚或隔墙下沉井水下封底后，可作为刃脚或隔墙下 封底混凝土的质量检查孔封底混凝土的质量检查孔 使用条件：平面尺寸大，不排水下沉较深的沉井使用条件：平面尺寸大，不排水下沉较深的沉井5.2 5.2 沉井的类型及构造沉井的类型及构造9 9 凹槽凹槽 作用：作用：使封底混凝土更好的与井壁联结使封底混凝土更好的与井壁联结 如将沉井改为沉箱，凹槽处可制作箱顶如将沉井改为沉箱，凹槽处可制作箱顶10 10 井顶围堰井顶围堰 作用：防止井顶以上的土，水落入井内作用：防止井顶以上的土，水落入井内11 11 封底混凝土封底混凝土12 12 顶盖顶盖受力和稳定条件确定是否填充受力和稳定条件确定是否填充厚度由计算确定厚度由计算确定5.1 5.1 天然地基上深基础的修筑方法天然地基上深基础的修筑方法5.2 5.2 沉井的类型和构造沉井的类型和构造5.3 5.3 沉井的施工方法沉井的施工方法5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算主主 要要 内内 容容江阴长江公路大桥 北锚碇采用大型深沉井基础，平面尺寸为69米51米，下沉58米，为世界第一大沉井(面积近个半篮球场，高度相当于层楼)。世界第一大沉井南岸重力嵌岩锚北岸南岸5.3 5.3 沉井的施工沉井的施工5.3.1 5.3.1 陆地沉井的施工陆地沉井的施工 场地准备场地准备 立模、绑扎钢筋立模、绑扎钢筋 垫木法垫木法 无垫木法无垫木法 土模法土模法 方法方法 填土内模填土内模 挖土内模挖土内模5.3 5.3 沉井的施工沉井的施工垫木布置垫木布置示意图示意图挖土内模挖土内模5.3 5.3 沉井的施工沉井的施工 浇筑混凝土浇筑混凝土 对称均匀地进行，防止不均匀沉降引起沉对称均匀地进行，防止不均匀沉降引起沉井开裂，且尽量一次性浇筑井开裂，且尽量一次性浇筑 拆除模板和垫木拆除模板和垫木模板拆除时间：侧面直立模板模板拆除时间：侧面直立模板设计强度设计强度25%25%刃脚斜面、隔墙底面刃脚斜面、隔墙底面设计强度设计强度75%75%垫木垫木=设计强度设计强度垫木拆除顺序：先内壁，后外壁；先短边，后长边垫木拆除顺序：先内壁，后外壁；先短边，后长边长边下的垫木是隔一根撤一根，以定长边下的垫木是隔一根撤一根，以定位垫木为中心，由远而近地对称拆除位垫木为中心，由远而近地对称拆除5.3 5.3 沉井的施工沉井的施工 挖土下沉挖土下沉 接筑沉井接筑沉井 地基检验和处理地基检验和处理 井底填充井底填充 制作顶盖制作顶盖排水挖土下沉：无地下水或土层渗水量较小且稳定排水挖土下沉：无地下水或土层渗水量较小且稳定不排水挖土下沉：与上述情况相反不排水挖土下沉：与上述情况相反为避免沉井发生倾斜，挖土应分层均匀进行为避免沉井发生倾斜，挖土应分层均匀进行先挖井孔中心，再挖隔墙下，后挖刃脚下土先挖井孔中心，再挖隔墙下，后挖刃脚下土5.3 5.3 沉井的施工沉井的施工5.3.2 5.3.2 水中沉井的施工水中沉井的施工 筑岛法筑岛法在河流浅滩或水位不深在河流浅滩或水位不深水流速度不大时采用水流速度不大时采用5.3 5.3 沉井的施工沉井的施工 浮运法浮运法浮运沉井下水浮运沉井下水双壁浮运沉井双壁浮运沉井带气筒浮运沉带气筒浮运沉井井带临时性井底带临时性井底浮运沉井浮运沉井在深水河道中，水流速度在深水河道中，水流速度较大，人工筑岛有困难时较大，人工筑岛有困难时5.3 5.3 沉井的施工沉井的施工 沉井倾斜沉井倾斜偏挖土：在下沉少的一侧多挖土，下沉多的一侧偏挖土：在下沉少的一侧多挖土，下沉多的一侧 少挖土或不挖土少挖土或不挖土偏压重：在井顶不对称加重，不对称射水，或在偏压重：在井顶不对称加重，不对称射水，或在 井顶施加水平力将沉井扶正井顶施加水平力将沉井扶正在沉的少的一侧挖土，底面灌注膨润土泥浆，以在沉的少的一侧挖土，底面灌注膨润土泥浆，以 减小井壁与土之间的摩擦力减小井壁与土之间的摩擦力5.3 5.3 沉井的施工沉井的施工5.3.3 5.3.3 沉井下沉问题及处理方法沉井下沉问题及处理方法 沉井偏移沉井偏移先偏挖土使之倾斜，再均匀挖土至井底中心先偏挖土使之倾斜，再均匀挖土至井底中心 接近设计标高时，再纠倾斜接近设计标高时，再纠倾斜5.3 5.3 沉井的施工沉井的施工 难沉问题难沉问题井底有障碍物井底有障碍物井壁阻力过大井壁阻力过大 突沉问题突沉问题高压射水法高压射水法泥浆套法泥浆套法空气幕法空气幕法炮震法炮震法主要发生在软土地区，可加宽刃脚踏面解决主要发生在软土地区，可加宽刃脚踏面解决清除障碍物清除障碍物加重法加重法减小井壁摩阻力减小井壁摩阻力5.3 5.3 沉井的施工沉井的施工5.1 5.1 天然地基上深基础的修筑方法天然地基上深基础的修筑方法5.2 5.2 沉井的类型和构造沉井的类型和构造5.3 5.3 沉井的施工方法沉井的施工方法5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算主主 要要 内内 容容5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算5.4.1 5.4.1 集资料集资料设计资料：设计资料：上部结构、墩台类型及尺寸、沉井基上部结构、墩台类型及尺寸、沉井基 础的设计荷载础的设计荷载 水文、地质资料等水文、地质资料等设计内容：设计内容：作为基础本身的检算，深埋刚性基础作为基础本身的检算，深埋刚性基础 沉井结构的设计计算沉井结构的设计计算施工过程中沉井所受到的施工过程中沉井所受到的外力及其结构的设计计算外力及其结构的设计计算5.4.2 5.4.2 沉井各部尺寸的拟定沉井各部尺寸的拟定包包括括沉井高度及分节沉井高度及分节平面形状及尺寸平面形状及尺寸井孔布置及大小井孔布置及大小刃脚形状及尺寸刃脚形状及尺寸封底及顶盖厚度封底及顶盖厚度上部结构的特点上部结构的特点设计荷载的大小设计荷载的大小水文、地质情况水文、地质情况沉井构造及施工方法沉井构造及施工方法依依据据5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算5.4.3 5.4.3 沉井的检算沉井的检算作为整体深基础的设计计算作为整体深基础的设计计算埋深较小，不考虑基础侧面土的横向抗力，埋深较小，不考虑基础侧面土的横向抗力，按浅基础进行计算按浅基础进行计算埋深较大，需要考虑基础侧面土的横向抗力，埋深较大，需要考虑基础侧面土的横向抗力，按刚性桩进行计算按刚性桩进行计算5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算 非岩石地基上沉井基础的计算非岩石地基上沉井基础的计算 如右图所示，在横向力如右图所示，在横向力H H和和M M的作用下，基础将沿轴线上的的作用下，基础将沿轴线上的a a点发生转动，转动角度为点发生转动，转动角度为则在则在z z深度处基础的横向位移为深度处基础的横向位移为)(tan)(00zzzzxz0za a点的深度点的深度则在则在z z深度处基础侧面土的横向抗力为深度处基础侧面土的横向抗力为基础转动引起基础底面边缘的竖向位移为基础转动引起基础底面边缘的竖向位移为)(0zzmzxCzzzzds5.05.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算相应的基底反力为相应的基底反力为05.0dC对对a a 点取矩有点取矩有0)(0000WdzbzzHzMlz05.0dC)(0zzmzxCzzzz忽略基础侧面和底面的摩擦力，由水平方向的力平衡忽略基础侧面和底面的摩擦力，由水平方向的力平衡方程有方程有0)(00lzbdzH5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算0)(000lzdzzzmbH02)(002000WCdzdzzzmbHzMldWClmbMHl04018)32(12)23(26)34(200300HlMmlbdWHCHlMmlbz5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算则在则在z z深度处基础的弯矩为深度处基础的弯矩为)2(12020zzmzbHzMMz5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算同时考虑竖向力同时考虑竖向力N N时，基础底面的竖向应力为时，基础底面的竖向应力为00minmax21dCAN 嵌入岩层的沉井基础的计算嵌入岩层的沉井基础的计算 基础绕底面中心点基础绕底面中心点a a转动，并转动，并 假设假设a a点的坐标为点的坐标为z z0 0=l 忽略岩面以下基础侧面的横忽略岩面以下基础侧面的横 向抗力向抗力P P引起的弯矩引起的弯矩则基础侧面土的横向抗力为则基础侧面土的横向抗力为)(zlmzz5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算对对a a点取矩可以得到基础的转角为点取矩可以得到基础的转角为则在则在z z深度处基础的弯矩为深度处基础的弯矩为由水平方向的力平衡条件可得由水平方向的力平衡条件可得若若P P为负，则说明其作用方向与图示方向相反为负，则说明其作用方向与图示方向相反dWClmbMHl0406)(12)2(1220zlmzbHzMMzHmlbP6305.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算作为围护结构的设计计算作为围护结构的设计计算 沉井自重的计算沉井自重的计算 下沉系数下沉系数K K1 1G G沉井自重沉井自重B B水的浮力水的浮力R Rf f井壁摩阻力井壁摩阻力fRBGK15.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算 下沉稳定系数下沉稳定系数R R1 1刃脚下土的支持力刃脚下土的支持力R R2 2隔墙下土的支持力隔墙下土的支持力 抗浮安全系数抗浮安全系数K K2 2B B1 1封底后水的浮力封底后水的浮力211RRRBGKf12BRGKf1K5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算 刃脚计算刃脚计算 刃脚向外挠曲的计算刃脚向外挠曲的计算 计算刃脚外侧的土压力计算刃脚外侧的土压力E E和和 水压力水压力WW 计算井壁自重计算井壁自重GG 计算刃脚自重计算刃脚自重g g 计算土对刃脚外侧的摩擦力计算土对刃脚外侧的摩擦力T T 计算刃脚下土的抗力计算刃脚下土的抗力 计算刃脚根部的截面内力计算刃脚根部的截面内力 根据截面内力进行钢筋计算根据截面内力进行钢筋计算5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算 刃脚向内挠曲的计算刃脚向内挠曲的计算 沉井下沉到设计标高沉井下沉到设计标高 刃脚下的土掏空且未浇筑混凝土刃脚下的土掏空且未浇筑混凝土 井壁外侧作用最大的水、土压力井壁外侧作用最大的水、土压力 忽略刃脚自重和土的摩阻力影响忽略刃脚自重和土的摩阻力影响 各水平外力应乘以分配系数各水平外力应乘以分配系数5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算计算要点计算要点 刃脚水平受力分析刃脚水平受力分析计算要点计算要点 计算图式为一闭合的水平框架计算图式为一闭合的水平框架 沉井下沉到设计标高沉井下沉到设计标高 刃脚下的土掏空且未浇筑混凝土刃脚下的土掏空且未浇筑混凝土 框架上的力等于作用在刃脚上的框架上的力等于作用在刃脚上的水平力乘以分配系数水平力乘以分配系数5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算 井壁计算井壁计算 竖向挠曲计算竖向挠曲计算5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算排水挖土下沉排水挖土下沉5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算不排水挖土下不排水挖土下沉沉5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算 井壁竖向拉力计算井壁竖向拉力计算由竖向力平衡方程有由竖向力平衡方程有 假设该等截面沉井自重为假设该等截面沉井自重为G，沉井入土深度为，沉井入土深度为h,U为井壁为井壁周长，周长，为地面处井壁单位摩阻力，为地面处井壁单位摩阻力，为距刃脚底为距刃脚底x处的摩阻力处的摩阻力xhUG21hUG2距离刃脚底距离刃脚底x x处的拉力为处的拉力为222hGxhGxxUhGxSxx0dxdSx022hGxhG4/2/maxGShx5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算 井壁水平受力井壁水平受力分析分析5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算 封底混凝土厚度计算封底混凝土厚度计算 封底混凝土看作支撑在凹槽，封底混凝土看作支撑在凹槽，按周边支撑的双向板或圆板按周边支撑的双向板或圆板计算计算 封底混凝土按受剪计算：封封底混凝土按受剪计算：封底混凝土在井孔范围内荷载底混凝土在井孔范围内荷载作用下，有沿刃脚斜面高度作用下，有沿刃脚斜面高度截面剪断的可能截面剪断的可能封底混凝土封底混凝土剪应力剪应力计算图计算图5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算 顶盖内力计算顶盖内力计算5.4 5.4 沉井的设计计算沉井的设计计算 u地下连续墙的概念u地下连续墙优点地下连续墙地下连续墙http:/