沉井基础-课件

沉井基础沉井基础沉井基础7.1 沉井的基本概念、作用及适用条件沉井的基本概念、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。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，采用沉井基础与其他深基础相比较，经济上较为合理的；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础施工时；3.岩层表面较平坦且覆盖层薄，但河水较深；采用扩大基础施工围堰有困难时。沉井7.2 7.2 沉井的类型和构造沉井的类型和构造 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，再在岛上筑井下沉。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。1.按沉井的平面形状：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。阶梯式沉井的台阶宽度约为100200mm。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。上述各类沉井的适用条件：(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(47m)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。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。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。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45m。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。(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。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)封底1-井壁；2-凹槽；3-刃脚；4-承垫木；5-素混凝土封底 7.3 沉井的施工 一般可分为旱地施工、水中筑岛施工及浮运沉井施工三种2.2.制造第一节沉井制造第一节沉井 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200200mm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。垫木的布置应考虑抽除垫木方便(有时可用素混凝土垫层代替垫木)。然后在刃脚位置处放上刃脚角钢，竖立内模，绑扎钢筋，立外模，最后浇灌第一节沉井混凝土。沉井刃脚立模 1-内模；2-外模；3-立柱；4-角钢；5-垫木；6-砂垫层 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0.51.0m。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。1.1.整平场地整平场地 3.3.拆模及抽垫拆模及抽垫 沉井混凝土达到设计强度的70%时可拆除模板，强度达设计强度后才能抽撤垫木。抽撤垫木应按一定的顺序进行，以免引起沉井开裂、移动或倾斜。其顺序是：撤除内隔墙下的垫木，再撤沉井短边下的垫木，最后撤长边下的垫木。拆长边下的垫木时，以定位垫木(最后抽撤的垫木)为中心，对称地由远到近拆除，最后的拆除定位垫木。注意在抽垫木过程中，抽除一根垫木应立即用砂回填进去进行捣实。原则：分区、依次、对称、同步。4.4.挖土下沉挖土下沉 沉井下沉施工可分为排水下沉和不排水下沉。排水下沉：当沉井穿过的土层较稳定，不会因排水而产生大量流砂时，可采用排水下沉。土的挖除可采用人工挖土或机械除土，排水下沉常用人工挖土，它适用于土层渗水量不大且排水时不会产生涌土或流砂的情况；人工挖土可使沉井均匀下沉和清除井下障碍物，但应采取措施，确实保证施工安全。排水下沉时，有时也用机械除土。不排水下沉：一般都采用机械除土，挖土工具可以是抓土斗或水力吸泥机，如土质较硬，水力吸泥机需配以水枪射水将土冲松。由于吸泥机是将水和土一起吸出井外，故需经常向井内加水维持井内水位高出井外水位12m，以免发生涌土或流砂现象。5.5.接高沉井接高沉井 第一节沉井顶面下沉至距地面还剩1m2m时，应停止挖土，接筑第二节沉井。接筑前应使第一节沉井位置正直，凿毛顶面，然后立模浇筑混凝土。待混凝土强度达设计要求后，再拆模继续挖土下沉。6.6.筑井顶围墙筑井顶围墙 如沉井顶面低于地面或水面，应在沉井上接筑围堰，围堰的平面尺寸略小于沉井，其下端与井顶上预埋锚杆相连。围堰是临时性的，待墩台身出水后可拆除。7.7.地基检验和处理地基检验和处理 沉井沉至设计标高后，应进行基底检验。检验内容是地基土质是否和设计相符，是否平整，并对地基进行必要的处理。如果是排水下沉的沉井，可以直接进行检查，不排水下沉的沉井由潜水工进行检查或钻取土样鉴定。地基为砂土或粘性土，可在其上铺一层砾石或碎石至刃脚底面以上200mm。地基为风化岩石，应将风化岩层凿掉，岩层倾斜时，应凿成阶梯形。若岩层与刃脚间局部有不大的孔洞，由潜水工清除软层并用水泥砂浆封堵，待砂将有一定强度后再抽水清基。不排水情况下，可由潜水工清基或用水枪及吸泥机清基。总之要保证井底地基尽量平整，浮土及软土清除干净，以保证封底混凝土、沉井及地基紧密连接。8.8.封底、充填井孔及浇筑顶盖封底、充填井孔及浇筑顶盖 地基经检验及处理合乎要求后，应立即进行封底。如封底是在不排水情况下进行，则可用导管法灌注水下混凝土(见钻孔灌注桩施工)，若灌注面积大，可用多根导管，以先周围后中间，先低后高的次序进行灌注。待混凝土达设计强度后，再抽干井孔中的水，填筑井内圬土。如井孔中不填料或仅填以砾石，则井顶面应浇筑钢筋混凝土顶盖，以支承墩台，然后砌筑墩身，墩身出土(或水面)后可拆除临时性的井顶围堰。首节沉井制作首节沉井制作第二节沉井的制作沉井下沉中沉井隔墙钢筋的绑扎二、水中沉井的施工 1.筑岛法筑岛法 水流速不大，水深在3m或4m以内，可用水中筑岛的方法。筑岛材料为砂或砾石，周围用草袋围护，如水深较大可作围堰防护(右图)。岛面应比沉井周围宽出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要求，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，但要考虑沉井重力对它产生的侧向压力，为避免沉井对它的影响。水上筑岛下沉沉井 2.2.浮运沉井施工浮运沉井施工 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，利用在岸边铺成的滑道滑入水中，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它措施(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利用潮汐，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体、徐徐下沉直至河底。或依靠在悬浮状态下接长沉井及填充混凝土使它逐步下沉，这时每个步骤均需保证沉井本身足够的稳定性。沉井刃脚切入河床一定深度后，可按前述下沉方法施工。沉井偏斜7.4 7.4 沉井的设计与计算沉井的设计与计算 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。即沉井的设计与计算包括沉井基础与沉井结构两方面的设计与计算。n沉井尺寸的确定n沉井基础的计算n施工过程中的结构计算一、沉井作为整体深基础的设计与计算一、沉井作为整体深基础的设计与计算 设计程序：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。计算方法：1）当沉井埋置深度在最大冲刷线以下较浅仅数米时，这时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，使它符合容许值的要求；2）当沉井基础埋置深度较大时，由于埋置在土体内较深，不可忽略沉井周围土体对沉井的约束作用，因此在验算地基应力、变形及沉井的稳定性时，需要考虑基础侧面土体弹性抗力的影响。本章主要就沉井作为深基础的计算进行研究。这种计算方法的基本假定条件是：1.地基土作为弹性变形介质，水平向地基系数随深度成正比例增加；2.不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力；3.沉井基础的刚度与土的刚度之比可认为是无限大。沉井尺寸的确定n沉井高度n平面尺寸n壁厚1)1)沉井的高度沉井的高度 沉井底面标高，可根据沉井的用途、上部或下部结构尺寸要求，基础设计荷载大小，结合水文地质资料(如设计水位、施工水位、冲刷线或地下水位标高，地基土层分布，土的物理力学性质，地基承载力)及施工方法来确定。沉井顶面，一般要求埋入地面以下0.2m，或在地下水位以上0.5m。沉井的顶面与底面高差为沉井的高度。2)2)沉井的平面形状与顶面尺寸沉井的平面形状与顶面尺寸(1)(1)沉井的平面形状与尺寸沉井的平面形状与尺寸 沉井的平面形状应根据上部结构物的平面形状和荷载大小来确定。如沉井作为烟囱的基础，应采用圆形；沉井作为桥墩基础，则为椭圆形。当上部建筑物的平面面积不大时，用一个单孔沉井；否则应用多排孔大型沉井，或用多个沉井组合。沉井顶面尺寸每边至少应大于上部结构20cm，以适应沉井下沉过程中可能发生的少量偏差。(2)(2)沉井的井壁厚度沉井的井壁厚度 通常沉井井壁的厚度，由强度和沉井自重下沉要求计算确定。一般大中型沉井井壁厚度为0.51.0m，内隔墙的厚度为0.5m 左右。小型沉井井壁厚度为0.30.4m。沉井基础的计算1.沉井的地基承载力验算2.沉井的基底应力和横向抗力验算3.沉井自重验算1.沉井的地基承载力验算沉井的地基承载力验算 沉井作为地下结构物时，荷载较小，而基底支承于坚实土层或岩层上，故地基的强度和变形通常不会存在问题。但沉井作为建筑物的深基础时，荷载较大，必须验算地基承载力，一般要求地基强度满足以下条件：沉井底面地基承载力总和Rj等于该处土的承载力设计值f 与沉井底部面积A 的乘积，即 考虑沉井四周地表土被松动，则此部分土的摩擦力不计。简化计算：可假定5m 范围的摩擦力可按三角形分布，5m 以下为矩形分布，如下图所示。故沉井侧面的滑动摩阻力总和为：up沉井的周长(m)；hi沉井高度范围内，各土层的厚度(m)；qsi第i层土对井壁的摩擦阻力，按实际资料或下表选用。井侧摩擦阻力分布假定井侧摩擦阻力分布假定土对井壁的摩擦阻力土对井壁的摩擦阻力q q s s经验值经验值注：(1)本表适用于深度不超过30m 的沉井。(2)泥浆润滑套为灌注在井壁外侧的膨润土泥浆，是一种助沉材料。2.沉井的基底应力和横向抗力验算沉井的基底应力和横向抗力验算荷载作用与简化情况荷载作用与简化情况 如左图所示，在非岩石地基上高为l的沉井基础受到水平力H 及偏心距为e的竖向力V(=F+G)作用。可把这两个力转化为距基底 的水平力H 及轴心竖向压力V(=F+G)。则VV 理论计算表明沉井围绕地面下深度z0处点的A转动一角，地面下深度为z 处沉井受到土的横向抗力zx为：荷载作用下应力分布荷载作用下应力分布验算：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比值，b1为基底计算宽度，d为沉井基底偏心方向几何宽度，W 0为基底抗弯截面模量。验算：基底边缘处压应力：当要求井侧水平压应力zx应小于沉井周围土的极限抗力值。计算时可认为沉井在外力作用下产生位移时，深度z 处沉井一侧产生主动土压力Ea，而另一侧受到被动土压力Ep作用，故井侧水平压应力应满足：式中：由郎肯土压力理论可推出：考虑到桥梁结构性质和荷载情况，且经验表明最大的横向抗力大致在z=h/3和z=h处，以此代入上式可得：取决于上部结构形式的系数，一般取l，对 于拱桥可取0.7；考虑恒载产生的弯矩Mg，对总弯矩M 的影 响系数。3.3.沉井自重验算沉井自重验算(1)沉井的下沉系数 为保证沉井施工时能顺利下沉，必须设计沉井的自重大于沉井外壁的摩擦阻力，即下沉系数应满足下式要求：(2)沉井抗浮稳定 当沉井封底后，达到混凝土设计强度。井内抽干积水时，沉井内部尚未安装设备或浇筑混凝土前，此沉井类似置于地下水中的一只空筒，应有足够的自重，避免在地下水的浮托力作用下沉井上浮。即沉井的抗浮稳定系数应满足下式要求：地下水对沉井的总浮力。二、沉井施工过程中的结构强度计算 从底节沉井拆除垫木，直至上部结构修筑完成开始使用，以及营运过程中沉井均受到不同外力的作用。因此，沉井的结构强度必须满足各阶段最不利受力情况的要求。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结构强度验算中，除沉井封底与顶盖一部分计算外，均采用容许应力法。