第六章 沉井基礎構造與設計_圖文

1、第一節(jié)沉井適用條件沉井是一種四周有壁,下部無底,上部無蓋,通常用鋼筋混凝土作成的筒形結構物。一般先在地面或人工筑島的島上制作井筒,就地在井內不斷地挖土,隨著井內土面逐漸挖深,沉井依靠其本身自重,克服井壁與土層之間的摩阻力及刃腳下土的阻力不斷下沉,直至預定的設計標高。最后, 進行沉井封底及混凝土填心。沉井基礎 特點整體性強埋置深度大穩(wěn)定性好能承受較大的垂直荷載和水平荷載沉井既是基礎,施工時是的土和擋水圍堰結構物施工工藝也不復雜,但施工工期較長 基礎選型,應根據經濟、施工等因素綜合考慮確定。一般在下列情況,可采用沉井基礎:1.上部荷載較大,而表層地基土的容許承載力不足,做擴大基礎開挖量大,以及支撐

2、困難,或場地狹窄與有結構物有干擾,但在一定深度下有好的持力層,采用沉井較其他深基礎經濟合理時;2.地震區(qū)土質液化深度大;山區(qū)河流中,土質較好,但沖刷大,或河卵石較大不便樁基施工時;3.巖層表面較平且覆蓋層較薄,但河水較深,采用擴大基礎施工圍護困難時,可采用浮運沉井。對細砂及粉砂類土在井內抽水易發(fā)生流沙現象, 造成沉井傾斜;沉井下沉過程中遇到大孤石、樹干或井底巖層面傾斜過大,會給施工帶來一定困難。不適用沉井 基礎的情況 國內采用沉井基礎的結構物 江陰長江公路大橋北岸 南岸 99年建成通車的江陰長江公路大橋 北錨沉井基礎平面尺寸69m ×51m ,埋深58m ,是目前世界上平面尺 寸最大

3、的鋼筋混凝土沉井基礎,總 體規(guī)模也堪稱世界之最。 南京長江大橋的沉井下沉深度達54.87 米 日本明石海峽大橋,最大施工水深60m, 兩主塔分別采用直徑80m*高70m和78m*67m的浮式鋼殼沉井,壁厚12m,分為16個艙,是目前規(guī)模最大的橋梁沉井 基礎 國外采用沉井基礎的橋梁 使用沉井基礎的其他結構物寶山鋼鐵廠取水泵房工程第二節(jié)沉井基礎構造與設計一沉井分類1、沉井平面形狀有矩形、圓形和圓端形三種。按其結構特征可分為單孔、雙孔及多孔沉井 2、 按豎直剖面形狀分主要有豎直式,傾斜式及階梯式等 3.按使用材料分(1混凝土及鋼筋混凝土沉井混凝土沉井宜做成園形,適用于下沉深度不大(4-7m的軟土層中

4、,鋼筋混凝土沉井其抗垃和抗壓性能均較好,下沉深度可以很大(達數十米以上。當下沉深度不很大時,沉井壁大部用混凝土,下部(刃腳用鋼筋混凝土的沉井。在橋梁工程中是最為常見的。 (2鋼沉井用鋼板焊制成井壁的沉井,具有強度高、重量輕。易于拼裝的特點,宜作浮運沉井和高低刃腳沉井之用。但用鋼量大,國內較少采用。(3其它材料的沉井有竹筋混凝土沉井、磚石沉井和木沉井等,一般情況下不大采用,除非在特定條件下?？紤]因地制宜、就地取材時才應用。 4.按下沉方式分(1就地制造下沉的沉井這種沉井是在基礎設汁位置上制造,然后在井孔中挖土,靠沉井自重而下沉。如基礎位于淺水處,需先在水中筑島.再在島面筑井下沉。(2浮運沉井在深

5、水區(qū),筑島困難或不經濟時,或有礙通航,或河流流速較大,可在岸邊制拼井體,滑移下水,再拖運到設計位置下沉。二、沉井構造 如圖沉井組 成刃腳井壁隔墻井孔凹槽封底混凝土頂蓋足夠的強度、足夠的重量,施工中擋土防水,施工 完成后成為基礎重要組成 部分增加沉井剛度,多個施工井孔(取土井,挖土均衡,底部高于井壁井壁:隔墻:使底板與井壁有更好聯結,底距刃腳踏面2.5m,槽高約 1.0m ,凹入深度約150250mm凹槽:橋梁墩臺與基礎第六章沉井基礎構造與設計hb圖6-2 沉井的刃腳構造100×100×1016 l=500交錯焊于角鋼頭(a(b20焊于加勁板上500×16588&#

6、215;16(c橋梁墩臺與基礎第五章樁基礎構造與設計減少下沉阻力,寬1020cm ,高約1.5m,內側傾角45°60°刃腳: 防止地下水滲入井內, 澆注的混凝土底板鋼筋混凝土 ,頂蓋達設計強度后方可砌筑墩、臺及其它結構封底: 頂蓋:井頂圍堰當沉井頂面按設計要求位于地面或島面以下一定深度時,井頂需接筑 圍堰,以擋土防水。待刃腳沉至設計標高后,直至墩身混凝土高出地 面或水面時,即可將這一臨時結構拆除。圍堰用材料,應視井頂埋入 深度和水位(含地下水位高低而定,常用的有木板、磚石、鋼板樁,如圖63 示。(a木板井頂圍堰(b鋼板樁井頂圍堰井壁錨栓 木板圍木頂撐立柱磚砌圬工匯水槽鋼板樁

7、頂撐鋼環(huán)磚砌圬工匯水槽板樁槽環(huán)墻A 沉井壁A2cm厚木板鋼板樁混凝土粘土夯實預埋鋼筋環(huán)墻20301045圖6-3 井頂圍堰構造沉井的平面尺寸,首先必須滿足構造和施工求,即沉井外輪廓尺 寸不得小于墩臺底平面尺寸加最小襟邊寬。沉井頂面襟邊的最小寬度 ,應根據施工容許偏差而定,一般不得小于沉井總高度的1/50,并不 得小于20厘米。對浮式沉井還應另加25厘米。對需設井頂圍堰者,其 襟邊寬度尚應滿足安裝墩臺身模板的需要。通常用算出的最小構造尺 寸作為初擬尺寸。然后進行地基承載力的驗算,直至符合為止。井孔布置應對稱,平面尺寸應滿足取土機具所需凈空和除土范圍要求。采用抓土斗除土時,凈空一般不宜小于2.53

8、.0m(容量0.75m*m*m 的抓、張開尺寸為2.65*1.27m。三、沉井各部分尺寸擬定( 如圖一、基本假定與彈性抗力基本假定1地基土作為彈性變形介質,地基系數隨深度成正比例增加;2不考慮基礎與土之間的黏著力和摩阻力;3沉井基礎剛度與土的剛度之比可認為是無限大。沉井基礎在橫向外力作用下只發(fā)生轉動而無撓曲變形,因此可按剛性基礎計算內力和土抗力。第三節(jié) 沉井作為整體基礎的計算基底嵌入巖層的計算式 基底嵌入基巖內,在水平力和豎向偏心荷載作用下,可認為基底不產生水平位移,基礎的旋轉中心A與基底中心相吻合,即而基底嵌入處將產生水平阻力Ph由于嵌入不深,通常Ph ,力矩A點很近,可認為Ph即作用于基礎

9、底面,則P h 對A點的力矩可略去不計ay2Cah=0 max2CaFN+=FN橋梁墩臺與基礎第六章沉井基礎構造與設計 地面下y深度處產生的水平位移x和水平土抗力x分別為基底的豎向應力為(水平力P作用:(6-4上述式中只有一個未知數,故只需建立一個彎矩平衡方程便可解出值。M h=0代入并積分:(00=+W dy y h b Q M h h x h (tan (y h y h x =myy h C x y x (=mha a C h 21tan 210=橋梁墩臺與基礎第六章沉井基礎構造與設計代入并積分:整理得:則: 令F x=0,得基礎嵌入處的水平力21212 (040020=+=+C a W

10、h m b Qh M C a W ydy y h m b Qh M h06(12040=+WaC mh b Qh M 0406(12WaC mh b Qh M +=+hx h dy b Q P 000061(3000=+=+h m b Q P ydy y h m b Q P h hh 則:當求得的P h 為負值時,則P h 的方向與圖示相反,作用于基礎的另一側.基礎底面豎向壓應力:基礎前后側橫向壓力:基礎身體截面內的彎矩:Qh m b P h =30610minmax 2C a F N ±=(y h my x =+=2(1220y h myb Q y M M y 三、基底置于非巖石地

11、基上的計算式以基礎為脫離體,自兩個靜力平衡條件F x=0及M 0 =0 可列出包括y A 和的兩個方程式;聯立求解便可 得出y A 和的表達式。彈性力x 、h 可自和y A 求得。(A A x y y tg y y =ym y y C x A y x =(一 土的水平彈抗力 2C a h =0max2C a F N +=FN由上式可以看出,土的水平壓應力x 圖隨深度按二次拋物線變化。(二基底豎向壓應力由兩部分合成:1.在豎向力N作用下,基底壓應力呈均布狀2.由于基礎是剛性的,所以當基礎轉動角時,基底面也旋轉了角,在基底的一側產生向下位移,另一側向上位移:由它產生的基底壓應力:其中C0 為深度h

12、處地基的豎向地基系數FNyy2ay=2aCyCh橋梁墩臺與基礎第六章沉井基礎構造與設計3.轉動中心位置和轉角令F x =0展開整理得: 令所以,基底前后邊緣最大和最個豎向壓應力為以上兩者之疊加0minmax 2C a F N ±=000=h x dy b Q 03121(32000=h h y m b Q ydy y y m b Q A hA 06233020=Q h m b h m b y A 00=M 000=+h h x W ydy b M 代入積分:展開整理而得:聯解、式得:024 3(2(0300020=+=+C a W h y h m b M C a W dy y y y

13、 m b M A h A 06341204030=+C Wa h m b h m b y M A 400123218M Qh b mh WaC +=+(30020(4362(32A b mh M Qh QWaC y b mh M Qh +=+(三任意截面彎矩地面下任一深度y 處基礎截面內的彎矩為:但通常情況下,沉井基礎橫截面上由 產生的應力不控制設計,可不必檢算。+ =2(1220y y my b Q y M M A y y M y Mx a P p P ap x P P 四、彈性固著驗算彈性固著驗算亦即水平土抗力驗算,即基礎前后側某一深度處水平應力 不得超過土體的抗力,這一條件謂之彈性固著條

14、件。如滿 足不了這一條件,則不能考慮基礎側向土的彈性抗力作用。當基礎在外力作用下產生位移時,在深度y 處基礎一側產生主動土 壓力強度 ,而被擠壓一側土體受到被動土壓力強度 ,其極限 抗力以土壓力表達為:,由朗金土壓力理論可知,在地面以下深度y 處2(452(4522 p P ytg Ctg =°+°+2(452(4522a P ytg Ctg =°°,由朗金土壓力理論可知,在地面以下深度y 處4(cos x ytg C +代入(619整理得3h y =h y = 出現最大的水平壓應力大致在和處12(34(cos 3h x h tg C +(124(cos h x htg C +111=7.01=取決于上部結構形式的系數,一般取,對于靜不定結構考慮恒載對基礎底面重心所產生的彎矩在總彎矩中所占的百分比的系數,當n M mM ah 5.2m n M M 8.012=時,2五、墩臺頂面的水平位移受結構剛度影響的墩臺頂面的彈性水平位移,是保持橋上線路平 穩(wěn)的重要條件,必須控制在一定范圍內,以保證列車高速安全地 運行。基礎在水平力和力矩作用下,墩臺頂面會產生水平位移由三部分組成,如圖66所示。+=0(hA tg