長安大學基礎(chǔ)工程第五章-沉井基礎(chǔ)及地下連續(xù)墻

1、第五章 沉井基礎(chǔ)及地下連續(xù)墻第一節(jié) 概 述沉井基礎(chǔ)的定義：沉井是一種井筒狀結(jié)構(gòu)物，是依靠在井內(nèi)挖士，借助井體自重及其它輔助措施而逐步下沉至預定設(shè)計標高，最終形成的建筑物基礎(chǔ)的一種深基礎(chǔ)型式。沉井基礎(chǔ)的特點：占地面積小，不需要板樁圍護，與大開挖相比較，挖土量少，對鄰近建筑物的影響比較小，操作簡便，無需特殊的專業(yè)設(shè)備。近年來，沉井的施工技術(shù)和施工機械都有很大改進。沉井基礎(chǔ)的典型施工方法：觸變泥漿潤滑套法；壁后壓氣（空氣幕）法；鉆吸排土沉井施工技術(shù)；中心島式下沉沉井基礎(chǔ)的使用范圍：1上部荷載較大，而表層地基土的容許承載力不足，擴大基礎(chǔ)開挖工作量大，以及支撐困難，但在一定深度下有好的持力層，采用沉井基

2、礎(chǔ)與其它深基礎(chǔ)相比較，經(jīng)濟上較為合理時；2在山區(qū)河流中，雖然土質(zhì)較好，但沖刷大或河中有較大卵石不便樁基礎(chǔ)施工時；3巖層表面較平坦且覆蓋層薄，但河水較深；采用擴大基礎(chǔ)施工圍堰有困難時。第二節(jié) 沉井的類型和構(gòu)造一、沉井分類按材料分類：混凝土、鋼筋混凝土、鋼、磚、石、木等按平面形狀分類：圓形、方形、矩形、橢圓形、圓端形、多邊形及多孔井字形等，如圖4l所示。按豎向剖面形狀分類：圓柱形、階梯形及錐形等，如圖4-2所示。二、沉井構(gòu)造井壁(側(cè)壁)、刃腳、內(nèi)隔墻、井孔、封底和頂蓋板等組成，如圖43所示。 1井壁井壁是沉井的主要部分，應有足夠的厚度與強度，以承受在下沉過程中各種最不利荷載組合(水土壓力)所產(chǎn)生的

3、內(nèi)力，同時要有足夠的重量，使沉井能在自重作用下順利下沉到設(shè)計標高。設(shè)計時通常先假定井壁厚度，再進行強度驗算。井壁厚度一般為0.41.2m左右。 對于薄壁沉井，應采用觸變泥漿潤滑套、壁外噴射高壓空氣等措施，以降低沉井下沉時的摩阻力，達到減薄井壁厚度的目的。但對于這種薄壁沉井的抗浮問題，應謹慎核算，并采取適當、有效的措施。 2刃腳 井壁最下端一般都做成刀刃狀的“刃腳”。其主要功用是減少下沉阻力。刃腳還應具有一定的強度，以免在下沉過程中損壞。刃腳底的水平面稱為踏面，如圖4-4所示。刃腳的式樣應根據(jù)沉井下沉時所穿越土層的軟硬程度和刃腳單位長度上的反力大小決定，沉井重、土質(zhì)軟時，踏面要寬些。相反，沉&#

4、39;井輕，又要穿過硬土層時，踏面要窄些，有時甚至要用角鋼加固的鋼刃腳。3內(nèi)隔墻 根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)上的需要，在沉井井筒內(nèi)設(shè)置內(nèi)隔墻。內(nèi)隔墻的主要作用是增加沉井在下沉過程中的剛度，減小井壁受力計算跨度。同時，又把整個沉井分隔成多個施工井孔(取土井)，使挖土和下沉可以較均衡地進行，也便于沉井偏斜時的糾偏。內(nèi)隔墻因不承受水土壓力，所以，其厚度較沉井外壁要薄一些。 5井孔 沉井內(nèi)設(shè)置的內(nèi)隔墻或縱橫隔墻或縱橫框架形成的格子稱作井孔，井孔尺寸應滿足工藝要求。6射水管當沉井下沉深度大，穿過的土質(zhì)又較好，估計下沉會產(chǎn)生困難時，可在井壁中預埋射水管組。射水管應均勻布置，以利于控制水壓和水量來調(diào)整下沉方向。一般不小

5、于600kPa。如使用觸變泥漿潤滑套施工方法時，應有預埋的壓射泥漿管路。 7封底及頂蓋 當沉井下沉到設(shè)計標高，經(jīng)過技術(shù)檢驗并對井底清理整平后，即可封底，以防止地下水滲入井內(nèi)。為了使封底混凝土和底板與井壁間有更好的聯(lián)結(jié)，以傳遞基底反力，使沉井成為空間結(jié)構(gòu)受力體系，常于刃腳上方井壁內(nèi)側(cè)預留凹槽，以便在該處澆筑鋼筋混凝土底板和樓板及井內(nèi)結(jié)構(gòu)。凹槽的高度應根據(jù)底板厚度決定，主要為傳遞底板反力而采取的構(gòu)造措施。凹槽底面一般距刃腳踏面2.5m左右。槽高約1.0m，接近于封底混凝土的厚度，以保證封底工作順利進行。凹人深度c約為150250mm。第三節(jié) 沉井的施工沉井基礎(chǔ)施工一般可分為旱地施工、水中筑島施工及

6、浮運沉井施工三種，現(xiàn)分別簡介如下：一、旱地上沉井的施工橋梁墩臺位于旱地時，沉井可就地制造、挖土下沉、封底、充填井孔以及澆筑頂板。在這種情況下，一般較容易施工，工序如下：（一）整平場地（二）制造第一節(jié)沉井（三）拆模及抽墊（四）挖土下沉（五）接高沉井（六）筑井頂圍堰（七）地基檢驗和處理（八）封底、充填井孔及澆筑頂蓋二、水中沉井的施工（一） 筑島法 （二）浮運沉井施工三、沉井下沉過程中遇到的問題及處理（一）沉井發(fā)生傾斜和偏移偏斜主要原因：土島表面松軟，使沉井下沉不均，河底土質(zhì)軟硬不勻；挖土不對稱；井內(nèi)發(fā)生流砂，沉井突然下沉，刃腳遇到障礙物頂住而未及時發(fā)現(xiàn)；并內(nèi)挖除的土堆壓在沉井外一側(cè)，沉井受壓偏移或

7、水流將沉井一側(cè)土沖空等。沉井發(fā)生傾斜糾正方法：在沉井高的一側(cè)集中挖土；在低的一側(cè)回填砂石；在沉井高的一側(cè)加重物或用高壓身水沖松土層；必要時可在沉井頂面施加水平力扶正。沉井發(fā)生偏移糾正方法：糾正沉井中心位置發(fā)生偏移的方法是先使沉井傾斜，然后均勻除土，使沉井底中心線下沉至設(shè)計中心線后，再進行糾偏。（二）沉井下沉困難增加沉井自重 減小沉井外壁的摩阻力四、泥漿潤滑套與壁后壓氣沉井施工法 （一）泥漿潤滑套泥漿潤滑套是把配置的泥漿灌注在沉井井壁周圍，形成井壁與泥漿接觸。選用的泥漿配合比應使泥漿性能具有良好的固壁性、觸變性和膠體穩(wěn)定性。一般采用的泥漿配合比（重量比）為粘土35%45%，水55%65%，另加分

8、散劑碳酸鈉0.4%0.6%，其中粘土或粉質(zhì)粘土要求塑性指數(shù)不小于15，含砂率小于6%（泥漿的性能指標以及檢測方潔可參見有關(guān)施工技術(shù)手冊）。這種泥漿對沉井壁起潤滑作用，它與井壁間摩阻力僅35kPa大大降低了井壁摩阻力（一般粘性土對井壁摩阻力為2550kPa），因而有提高沉井下沉的施工效率，減少井壁的圬土數(shù)量，加大了沉井的下沉深度，施工中沉井穩(wěn)定性好等優(yōu)點。泥漿潤滑套的構(gòu)造主要包括：射口擋板，地表圍圈及壓漿管。沉井下沉過程中要勤補漿，勤觀測，發(fā)現(xiàn)傾斜、漏漿等問題要及時糾正。當沉井沉到設(shè)計標高時，若基底為一般土質(zhì)，因井壁摩阻力較小，會形成邊清基邊下沉的現(xiàn)象，為此，應壓入水泥砂漿換置泥漿，以增大井壁的

9、摩阻力。另外，在卵石、礫石層中采用泥漿潤滑套效果一般較差。 （二）壁后壓氣沉井法壁后壓氣沉井法也是減少下沉時井壁摩阻力的有效方法。它是通過對沿井壁內(nèi)周圍預埋的氣管中噴射高壓氣流，氣流沿噴氣孔射出再沿沉井外壁上升，形成一圈壓氣層（又稱空氣幕），使井壁周圍土松動，減少井壁摩阻力，促使沉井順利下沉。施工時壓氣管分層分布設(shè)置，豎管可用塑料管或鋼管，水平環(huán)管則采用直徑25mm的硬質(zhì)聚氯乙烯管，沿井壁外緣埋設(shè)。每層水平環(huán)管可按四角分為四個區(qū)，以便分別壓氣調(diào)整沉井傾斜。壓氣沉井所需的氣壓可取靜水壓力的2.5倍。與泥漿潤滑套相比，壁后壓氣沉井法在停氣后即可恢復土對井壁的摩阻力，下沉量易于控制，且所需施工設(shè)備簡

10、單，可以水下施工，經(jīng)濟效果好。現(xiàn)認為在一般條件下較泥漿潤滑套更為方便，它適用于細、粉砂類土的粘性土中。第四節(jié) 沉井的設(shè)計與計算一、沉井作為整體深基礎(chǔ)的設(shè)計與計算 沉井作為整體深基礎(chǔ)時的基本假定條件：1 地基土作為彈性變形介質(zhì)，水平向地基系數(shù)隨深度成正比例增加；2 不考慮基礎(chǔ)與土之間的粘著力和摩阻力；3 沉井基礎(chǔ)的剛度與土的剛度之比可認為是無限大。 （一）非巖石地基上沉井基礎(chǔ)的計算 沉井基礎(chǔ)受到水平力H及偏心豎向力N作用時，為了討論方便，可以把這些外力轉(zhuǎn)變?yōu)橹行暮奢d和水平力的共同作用，轉(zhuǎn)變后的水平力H距離基底的作用高度為先討論沉井在水平力H作用下的情況。由于水平力的作用，沉井將圍繞位于地面下Z0

11、深度處的A點轉(zhuǎn)動一角，地面下深度Z處深井基礎(chǔ)產(chǎn)生的水平位移x和土的橫向抗力zx分別為 式中：Z0轉(zhuǎn)動中心A離地面的距離； Cz深度Z處水平向的地基系數(shù)，Cz=mZ0（kN/m3）m為地基比例系數(shù) （kN/m4）。將Cz值代入得從式中可見，土的橫各抗力沿深度為二次拋物線變化基礎(chǔ)底面處的壓應力，考慮到該水平面上的豎向地基系數(shù)C0不變，故其壓應力圖形與基礎(chǔ)豎向位移圖相似。故式中C0（見樁基礎(chǔ)）不得小于10m0，d為基底寬度或直徑。在上述三個公式中，有兩個未知數(shù)Z0和，要求解其值，可建立兩個平衡方程式，即X=0 X=0 式中b1為基礎(chǔ)計算寬度，按第四章中“m法”計算，W為基底的截面模量。對上二式進行聯(lián)

12、立解，可得式中：，為深度h處沉井側(cè)面的水平向地基系數(shù)與沉井底面的豎向 地基系數(shù)的比值，其中m、m0按第三章有關(guān)規(guī)定采用；當有豎向荷載N及水平力H同時作用時則基底邊緣處的壓應力為 式中A0為基礎(chǔ)底面積。離地面或最大沖刷線以下Z深度處基礎(chǔ)截面上的彎矩，為 （二）基底嵌入基巖內(nèi)的計算方法若基底嵌入基巖內(nèi)，在水平力和豎直偏心荷載作用下，可以認為基底不產(chǎn)生水平位移，則基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)中心A與基底中心相吻合，即Z0=h，為一已知值。這樣，在基底嵌入處便存在一水平阻力P，由于P力對基底中心軸的力臂很小，一般可忽略P對A點的力距。當基礎(chǔ)有水平力H作用時，地面下Z深度處產(chǎn)生的水平位移X和土的橫向抗力zx分別為X=（h

13、-Z）tgzx=Mzx=Mz（h-Z）tg基底邊緣處的豎向應力為上述公式中只有一個未知數(shù)，故只需建立一個彎矩平衡方程便可解出值。MA=0 解上式得 式中 將tg代入得 基底邊緣處的應力為 根據(jù)x=0，可以求出嵌入處未知的水平阻力P 地面以下Z深度處基礎(chǔ)截面上的變矩為 （三）墩臺頂面的水平位移基礎(chǔ)在水平力和力矩作用下,墩臺頂面會產(chǎn)生水平位移，它由地面處的水平位移Z0tg，地面到墩臺頂范圍h2范圍內(nèi)墩臺身彈性撓曲變形引起的墩臺頂水平位移2，三部分組成。 或?qū)χС性趲r石地基上的墩臺頂面水平位移為 （四）驗算1基底應力驗算 maxh 2橫向抗力驗算 zxPpPa 由朗金土壓力理論可知代入得式中為土的容

14、重，和C分別為土的內(nèi)摩擦角和粘聚力?？紤]到橋梁結(jié)構(gòu)性質(zhì)和荷載情況，并根據(jù)試驗知道出現(xiàn)最大的橫向抗力大致在和Z=h處，將考慮的這些值代入便有下列不等式 式中相應于深度處的土橫向抗力；hx相應于Z=h深度處的土橫向抗力，h基礎(chǔ)的埋置深度；1 取決于上部結(jié)構(gòu)形式的系數(shù)，一般取1=1，對于拱橋1=0.7；2 考慮恒載對基礎(chǔ)重心所產(chǎn)生的變矩Mg在總彎矩M中所占百分比的系數(shù)， 即。 3墩臺頂面水平位移驗算式中L為相鄰跨中最小跨的跨度（m），當跨度L25m時，L按25m計算。二、沉井施工過程中的結(jié)構(gòu)強度計算沉井結(jié)構(gòu)在施工過程中主要進行下列驗算。（一） 沉井自重下沉驗算為了使沉井能在自重下順利下沉，沉井重力（

15、不排水下沉者應扣除浮力）應大于土對井壁的摩阻力，將兩者之比稱為下沉系數(shù)，要求 1式中：K下沉系數(shù)，應根據(jù)土類別及施工條件取大于1的數(shù)值； Q沉井自重（kN）； T土對井壁的總摩阻力，其中、為沉井穿過第i層土的 厚度（m）和該段沉井的周長（m），fi為第i層土對井壁單位面積的摩阻 力，其值應根據(jù)試驗確定。當不能滿足上式要求時，可選擇下列措施直至滿足要求：加大井壁厚度或調(diào)整取土井尺寸；如為不排水下沉者，則下沉到一定深度后可采用排水下沉；增加附加荷載或射水助沉；采用泥漿潤滑套或壁后壓氣法等措施。（二）第二節(jié)（底節(jié)）沉井的豎向撓曲驗算1排水挖土下沉2不排水挖土下沉（三）沉井刃腳受力計算刃腳懸臂作用的分

16、配系數(shù)為 刃腳框架作用的分配系數(shù)為 式中：L1支承于隔墻間的井壁最大計算跨度； L2支承于隔墻間的井壁最小計算跨度； hk刃腳斜面部分的高度。1刃腳豎向受力分析刃腳豎向受力情況一般截取單位寬度井壁來分析，把刃腳視為固定在井壁上的懸臂梁，梁的跨度即為刃腳高度。由內(nèi)力分析有下述兩種情況。（1）刃腳向外撓曲的內(nèi)力計算1） 作用在刃腳外側(cè)單位寬度上的土壓力及水壓力的合力為式中：作用在刃腳根部處的土壓力及水壓力強度之和； 刃腳底面處的土壓力及水壓力強度之和。 hk 刃腳高度。 力的作用點（離刃腳根部的距離）為 地面下深度hi處刃腳承受的土壓力ei可按朗金主動土壓辦公式計算，即 式中：i為hi高度范圍內(nèi)土

17、的平均容重，在水位以下應考慮浮力，hi為計算位置至地面的距離。水壓力wi的計算為wi=whwi，其中w為水的容重，hwi為計算位置至水面的距離。2）作用在刃腳外側(cè)單位寬度上的摩阻力Ti可按下列二式計算，并取其較小者 或 式中：土與井壁間單位面積上的摩阻力； hk 刃腳高度； E刃腳外側(cè)總的主動土壓力，即。 3）刃腳下抵抗力的計算。刃腳下豎向反力R（取單位寬度）可按下式計算 式中：q為沿井壁周長單位寬度上沉井的自重，在水下部分應考慮水的浮力； T為沉井入土部分單位寬度上的摩阻力。 R=v1+v2R的作用點距井壁外側(cè)的距離為 式中：b2為刃腳內(nèi)側(cè)入土斜面在水平面上的投影長度。根據(jù)力的平衡條件，可知

18、 其中2為土與刃腳斜面間的外摩擦角，一般定為30°，刃腳斜面上水平反力H作用點離刃腳底面1/3m。4）刃腳（單位寬度）自重g為 式中：井壁厚度； k 鋼筋混土刃腳的容重，不排水施工時應扣除浮力。刃腳自重量g的作用點至刃腳根部中心軸的距離為 求出以上各力的數(shù)值、方向及作用點后，再算出各力對刃腳根部中心軸的變矩總和值M0，豎向力N0及剪力Q，其算式為 M0=MR+MH+Me+w+MT+Mg N0=R+T1+g Q=pe+w+H式中：MR、MH、Me+w、MT、Mg分別為反力R、土壓力及水壓力pe+w、橫向力H、刃腳底部的外側(cè)摩阻力T1以及刃腳自重g對刃腳根部中心軸的彎矩，其中作用在刃腳部

19、分的各水平力均應按規(guī)定考慮分配系數(shù)a。上述各式數(shù)值的正負號視具體情況而定。根據(jù)M0、N0及Q值就可驗算刃腳根部應力并計算出刃腳內(nèi)側(cè)所需的豎向鋼筋用量。一般刃腳鋼筋截面積不宜少于刃腳根部截面積的0.1%。刃腳的豎直鋼筋應伸入根部以上0.5L1（L1為支承于隔墻間的井壁最大計算跨度）。（2）刃腳向內(nèi)撓曲的內(nèi)力計算計算刃腳向內(nèi)撓曲的最不利情況是沉井已下沉至設(shè)計標高，刃腳下的土已挖空而尚未澆筑封底混凝土，這時，將刃腳作為根部固定在井壁的懸臂梁，計算最大的向內(nèi)彎矩。2刃腳水平鋼筋計算刃腳水平向受力最不利的情況是沉井已下沉至設(shè)計標高，刃腳下的土已挖空，尚未澆筑封底混凝土的時候，由于刃腳有懸臂作用及水平閉合

20、框架的作用，故當刃腳作為懸臂考慮時，刃腳所受水平力乘以a，而作用于框架的水平力應乘以分配系數(shù)式后，其值作為水平框架上的外力，由此求出框架的彎矩及軸向力值。再計算框架所需的水平鋼筋用量。根據(jù)常用沉井水平框架的平面形式，現(xiàn)列出其內(nèi)力計算式，以供設(shè)計時參考。（1） 單孔矩形框架A點處的彎矩B點處的彎矩C點處的彎矩 軸向力式中：K=a/b，a為短邊長度，b為長邊長度。 （2）單孔圓端形 （3）雙孔矩形（4）雙孔圓端形（5）圓形沉井（四）井壁受力計算1井壁豎向拉應力驗算沉井在下沉過程中，刃腳下的土已被挖空，但沉井上部被摩擦力較大的土體夾?。ㄟ@一般在下部土層比上部土層軟的情況下出現(xiàn)），這時下部沉井呈懸掛狀

21、態(tài)，井壁就有在自重作用下被拉斷的可能，因而應驗算井壁的豎向拉應力。拉應力的大小與井壁摩阻力分布圖有關(guān)，在判斷可能夾住沉井的土層不明顯時，可近似假定沿沉井高度成倒三角形分布。在地面處摩阻力最大，而刃腳底面處為零。該沉井自重為G，h為沉井的入土深度，U為井壁的周長，為地面處井壁上的摩阻力，x為距刃腳底x處的摩阻力由于 離刃腳底x處井壁的拉力為Sx，其值為為求得最大拉應力令 2井壁橫向受力計算（五）混凝土封底及頂蓋的計算1封底混凝土計算封底混凝土厚度，可按下列兩種方法計算并取其控制者。 （1）封底混凝土視為支承在凹槽或隔墻底面和刃腳上的底板，按周邊支承的雙向板（矩形或圓端形沉井）或圓板（圓形沉井）計算：式中：ht封底混凝土的厚度（m）。 Mm在最大均布反力作用下的最大計算變矩（kN·m），按支承條件考慮的荷 載系數(shù)可由結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊查?。?混凝土彎曲抗拉極限強度； si荷載安全系數(shù)，此處si=1.1； m 材料安全系數(shù)，此處m=2.31； b 計算寬度，此處取1m。有時為簡單初步估算也可采用式 （2）封底混凝土按受剪計算，即計算封底混凝土承受基底反力后是否有沿井孔范圍內(nèi)周邊剪斷的可能性。若剪應力超過其抗剪強度則應