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第五章 沉井基础,第一章 沉井的基本概念、作用及适用条件,一.工作原理,用砖、素砼或钢筋砼制成的筒形结构物，施工时从井筒内挖土，使得沉井失去支承靠自重作用而下沉，不断接高沉井，不断挖土下沉，直至设计标高，封底。,二.作用,1.施工中用作围堰,抵抗土压水压,2.竣工后作为深基础,三.特点,1).承载力高，刚度大，整体性好,2).既是基础又是围堰结构,3).对邻近建筑物影响小，内部空间可以利用,1.优点,2.缺点,1).施工期较长,2).粉细砂中易发生流砂，造成沉井倾斜,3).下沉过程遇大孤石、树干或井底岩石表面倾斜过大，施工困难,适用条件,上部荷载较大,表层地基土承载力不足,采用扩大基础不合适时; 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础施工时; 岩层表面较平坦且覆盖层薄,但河水较深,采用扩大基础施工围堰有困难时.,一.沉井的分类,第二节 沉井的类型和构造,(一) 按施工方法分,一般沉井,浮运沉井,(二) 按 形状分,1. 按 平面形状分,圆形沉井,矩形沉井,圆端形沉井,2. 按 立面形状分(视土层性质及下沉深度定),竖直式,倾斜式,台阶式,(三) 按 材料分,砼沉井,钢筋砼沉井,竹筋砼沉井,钢沉井,二.沉井基础的构造,(一) 沉井轮廓尺寸,矩形沉井：长边/短边3,襟边宽度：0.2m且沉井全高/50； 浮运沉井： 0.4m 顶面须设围堰时，应据围堰构造加大,墩台身边缘尽可能支承于井壁或盖板支承面上，对于空心沉井不允许墩台身全部置于井孔位置上。,立面：顶面位于地面下0.2m或地下水位上0.5m. 高度较大时应分节下沉， 3m每节高度5m 松软土层中下沉时，底节高度0.8沉井宽度,方型或圆形井：长边接近短边时,平面: 墩台底部尺寸+襟边宽度,(二)沉井的一般构造,1.井壁,作用：,施工中用作围堰，承受土、水压力,下沉时作为重量(靠自重克服井壁与土之间的摩阻力),施工完毕后，作为基础或基础的一部分承担荷载,厚度：0.801.5m且0.4m 砼：C15,2.刃脚,作用：下沉时切土,砼：C20,受力最集中的部分,3.隔墙,作用：,加强沉井刚度,分隔井孔，各井孔内分别挖土， 以控制沉降及纠倾,4.井孔,宽度：3m，对称布置,(二)沉井的一般构造,5.凹槽,作用：使封底砼与井壁更好地结合，封底砼底面的反力能更好地传给井壁深度0.150.25m，高1m.,6.射水管,需射水下沉时，应在孔壁预埋射水管。沿孔壁均匀布置，以便于控制水压和水量来调整下沉方向.,7.封底及盖板,封底砼 厚度： 1.5倍井孔最小边长 等级：岩石地基：C15， 一般地基：C20 盖板 厚度：1.52.0m 孔内填充砼： C10,(三) 浮运沉井构造,不带气筒,带气筒,1.不带气筒的浮运沉井,水浅，流速不大，河床平缓，冲刷小,钢丝网水泥薄壁沉井：内、外壁及横隔板均用钢丝网水泥制成。,带临时底板的浮运沉井：底板设于刃脚底部，并保证其水密性及强度且便于拆除,施工流程：沉井浮运就位后，接高沉井使其下沉至河床，向筒内 注水至与筒外水位平齐，拆除临时底板。,2.带气筒的浮运沉井,水深流急,双壁钢底节,单壁钢壳,钢气筒,提供浮式沉井接高时所需的浮力,控制沉井上浮、下沉及纠偏,防水结构、接高时砼的模板,(四) 组合式沉井,当刃脚遇到倾斜较大岩层,或沉井范围内地基软硬不均,且水深较大时采用. 组合沉井:上面是沉井,下面是桩基础的混合式基础,一旱地上沉井的施工,1.整平场地,土质较硬：清除杂物,土质较软：夯实或铺填砂垫层,2.制造第一节沉井,刃脚踏面处对称铺设垫土,放置刃脚角钢,支模绑扎钢筋，浇注第一节沉井砼,第三节 沉井施工,第三节 沉井施工,3.拆模及抽垫,待砼强度达到70%，拆模。达到设计强度后，抽垫木。,抽垫木注意： (1)顺序：先内墙，后短边，最后长边。 撤长边时，以定位垫木为中心，由远到近依次、对称、同步地抽撤。 (2)撤完一根垫木后，应立即回填砂土捣实,4.挖土下沉,排水下沉：,不排水下沉：,土层性质稳定，不会产生流砂时,人工或机械开挖(高压水枪冲土为 泥),抓土斗或水力吸泥机水下出土,井内水位高于井外水位12m,吸泥机吸出井外,5.接高井筒,6.筑井顶围堰,7.地基检验和处理,检验地基土质情况，场地是否平整，对地基进行必要的处理， 保证井底地基尽量平整，浮土及软土清除干净，使封底砼、沉 井及地基紧密连接。,8.封底、充填井孔及浇筑顶盖,二.水中沉井施工,1.筑岛法,材料：砂、砾石,围堰筑岛时，不考虑沉井重力对钢板桩的侧向压力 的影响时围堰距井壁外缘的最小距离：,2.浮运法,1.筑岛法,三.沉进井下沉过程中遇到问题及处理,1.沉井倾斜和偏移,原因：土质松软，沉井下沉不均；土层软硬不匀；挖土不对称；发生流砂； 遇到障碍物；挖除的土堆于一侧；偏心受压及沉井一侧受到冲刷较大,处理措施：1)倾斜,高的一侧集中挖土或高压水射松土层,低的一侧回填砂石,高的一侧加重物,顶面施加水平力,有意使沉井倾斜,均匀挖土使沉井沿倾斜方向下沉至底面中心与设计中心线重合,纠正倾斜,3)清除障碍物：,树根或钢材: 切除,大孤石 : 炸除,2)偏移：,三.沉进井下沉过程中遇到问题及处理,2.沉井下沉困难,原因：,沉井自重偏轻，克服不了井壁摩阻力,刃脚遇大障碍物被顶住,处理措施：,增加沉井自重,减小井壁摩阻力,接高沉井，增加自重,顶部压重物,降低井内水位，减小沉井所受浮力,立面设计成阶梯形、台阶形,井壁外高压射水,安放炸药，利用炮震使沉井下沉,采用空气幕或泥浆套,四. 泥浆润滑油套与壁后压气施工法,1.泥浆润滑套,1)原理：井壁四周注入泥浆，利用泥浆的润滑作用降低井壁摩阻力,2)材料要求：配比 ：粘土：水：碳酸钠=0.350.45：0.550.65：0.0040.006,，含砂率6%,粘土：,3)构造,射口挡板,防止泥浆直冲土壁及土壁局部坍落堵塞射浆口,地表围圈,保护泥浆,压浆管：内管(壁厚)、外管(壁薄),4)至设计标高，用水泥砂浆置换泥浆以增大井壁摩阻力，防止沉井下沉,2.壁后压气沉井法,原理：通过向井壁四周预埋的气管喷射高压气流，在井壁外侧形成一圈空气幕，使井壁周围土体松动，减小井壁摩阻力，使沉井下沉,压气时气压取该处静水压力的2.5倍,施工中大型沉井,江阴公路大桥北锚沉井: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,第三节 沉井的设计与计算,沉井是深基础的一种类型，沉井在施工完毕后，由于它本身就是结构物的基础，就应按基础的要求进行各项验算；但在施工过程中，沉井是挡土、挡水的结构物，因而还要对沉井本身进行结构设计和计算。 一、沉井作为整体深基础的设计与计算 沉井作为整体深基础设计主要是根据上部结构特点、荷载大小以及水文、地质情况，结合沉井的构造要求及施工方法，拟定出沉井的平面尺寸，埋置深度，然后进行沉井基础的计算。 沉井基础的计算，根据它的埋置深度可用两种不同的计算方法。,一、沉井作为整体深基础的设计与计算,沉井埋置深度较浅:可以不考虑基础侧面土的横向抗力影响，而按浅基础设计计算规定，分别验算地基强度、沉井基础的稳定性和沉降； 沉井埋置深度较大:考虑基础侧面土体弹性抗力的影响。 假定沉井基础在横向外力作用下只能发生转动而无挠曲变形。因此，可按刚性桩计算内力和土抗力，即相当于“m”法中h2.5的情况。,一、沉井作为整体深基础的设计与计算,计算假定: 1. 地基土为弹性介质,水平向地基系数随深度成正比增加; 2. 不考虑基础与土之间的粘结力和摩阻力; 3.沉井基础刚度与土体刚度之比为无穷大. 沉井基础在横向外力作用下只能发生转动而无挠曲变形。因此，可按刚性桩计算内力和土抗力，即相当于“m”法中h2.5的情况。,（一）非岩石地基上沉井基础的计算,沉井基础受到水平力H及偏心竖向力N作用。将水平力H及偏心竖向力N引起的力矩等效转换成水平力H距离基底的作用高度:,（一）非岩石地基上沉井基础的计算,水平力H作用下沉井将围绕位于地面下z0深度处的A点转动一角，地面下深度z处沉井基础产生的水平位移x和土的横向抗力zx分别为： x = (z0z)tg zx = xCz = mz(z0z)tg 式中 z0转动中心A离地面的距离 zx随深度呈抛物线变化,（一）非岩石地基上沉井基础的计算,基础底面处的压应力，考虑到该水平面上的竖向地基系数C0不变，故压应力图形与基础竖向位移图相似。 x = (z0z)tg zx = xCz = mz(z0z)tg 上述三个公式中，有两个未知数z0和，要求解其值，可建立两个平衡方程式,（一）非岩石地基上沉井基础的计算,W为基底的截面模量;联立求解可得z0、（tan），进而求得,平衡方程:,（一）非岩石地基上沉井基础的计算,基底边缘处的压应力为 式中A0基础底面积。 离地面或最大冲刷线以下z深度处基础截面上的弯矩,（二）基底嵌入基岩内的沉井,认为基底不产生水平位移，则基础的旋转中心A与基底中心相吻合，即z0h。地面下z深度处产生的水平位移x和土的横向抗力zx分别为 x=(hz)tg zxmzx mz(hz)tg 基底边缘处的竖向应力为,（二）基底嵌入基岩内的沉井,由弯矩平衡方程MA0便可解出值，并进一步求得,基底边缘处的应力,由X0，得到嵌入处未知的水平阻力P 地面以下z深度处截面上弯矩,（三）验算,1. 基底应力验算 2. 横向抗力验算 极限抗力值计算方法: 基础在外力作用下产生位移时，在深度z处基础一侧产生主动土压力强度pa，而被挤压一侧土就受到被动土压力强度pP，其极限抗力用土压力表达为,（三）验算,3. 墩台顶面水平位移验算 考虑到转角一般均很小，可令tg=。如果沉井基底嵌入基岩内，z0h。,桥梁规范：墩台顶面的水平位移应满足：,L为相邻跨中最小跨的跨度,二、沉井施工过程结构强度计算,（一）自重下沉验算 验算在沉井施工下沉时，保证在自重作用下克服井壁摩阻力而顺利下沉，下沉系数K满足 （二）第一节沉井竖向挠曲验算 将井壁看作承受自重的梁计算竖向挠曲应力. 若挠曲应力超过材料强度, 应增加第一节高度(相当于增加截面高度),或井壁内配置横向挠曲受力筋.,二、沉井施工过程结构强度计算,（三）刃脚计算 计算模式: 沉井刃脚相当于三面固定，一面自由的双向板; 简化处理: 1) 刃脚可看作固着在井壁根部处的悬臂梁，梁长等于井壁刃脚斜面部分的高度； 2)刃脚又可看作为一个封闭的水平框架。 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.,二、沉井施工过程结构强度计算,（四）井壁计算 。 1. 竖向挠曲计算（沉井抽承垫木时计算） 2. 沉井均布竖向拉力计算（井壁竖直钢筋验算） 3. 沉井井壁水平应力计算（井壁水平钢筋计算） （五）封底混凝土的厚度计算 沉井底板可按均布荷载作用下的铰支承板设计，在计算该均布荷载时，不计沉井均布摩阻力。,
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