任務13 沉井基礎的設計

任務13沉井基礎的設計任務13-1沉井基礎的類型和構造一、理論知識1.沉井基礎的基本知識a）定義：用一個事先筑好的、以后能充當橋梁墩臺或結構物基礎的井筒狀結構物；b）井筒狀結構物四周有壁、上部無蓋、下部無底、通常用混凝土或鋼筋混凝土作成；c）沉井基礎適用于地基淺層較差而深部較好的底層，尤其適用于軟土中地下建筑物的基礎；任務13沉井基礎的設計任務13-1沉井基礎的類型和構造一、理論知識1.沉井基礎的基本知識d）下列情況可優(yōu)先考慮沉井基礎：i）上部結構荷載較大，表層地基土承載力不足，而在一定深度下有較好的持力層，且與其他基礎方案相比較為經(jīng)濟合理；ii）山區(qū)河流中淺層地基土雖然較好，但沖刷大，或河中有較大卵石不便樁基礎施工時；iii）傾斜不大的巖面，在掌握巖面高差變化的情況下，可通過高低刃腳與巖面傾斜相適應或巖面平坦且覆蓋薄、但河水較深、采用擴大基礎施工圍堰有困難時。任務13沉井基礎的設計任務13-1沉井基礎的類型和構造一、理論知識2.沉井基礎的類型（1）按平面形狀分a）圓形沉井；b）矩形沉井：邊角土不易挖除，下沉易產生傾斜；c）圓端形沉井任務13沉井基礎的設計任務13-1沉井基礎的類型和構造一、理論知識2.沉井基礎的類型（2）按沉井的井孔布置方式分a）單孔沉井；b）雙孔沉井；c）多孔沉井。任務13沉井基礎的設計任務13-1沉井基礎的類型和構造一、理論知識2.沉井基礎的類型（3）按沉井的豎向剖面形狀分a）柱形；b）階梯形；c）錐形。任務13沉井基礎的設計任務13-1沉井基礎的類型和構造一、理論知識2.沉井基礎的類型（4）按沉井的建筑材料分a）混凝土沉井：多做成圓形，適用于下沉深度不大（4～7m）的松軟土層中；b）鋼筋混凝土沉井：當下沉深度不很大時，井壁上部用混凝土、下部刃腳用鋼筋混凝土制造的沉井。在橋梁工程中應用廣泛；c）竹筋混凝土沉井；d）鋼沉井；任務13沉井基礎的設計任務13-1沉井基礎的類型和構造一、理論知識3.沉井基礎的構造主要由外井壁、刃腳、隔墻、井孔、凹槽、射水管、封底及頂板等組成。（1）井壁沉井的外壁，是沉井的主體部分。井壁必須具有足夠的強度和一定的厚度，并根據(jù)施工過程中的受力情況配置豎向及水平向鋼筋。一般壁厚為0.80～1.50m，最薄不宜小于0.4m，混凝土強度等級不低于C15.（2）刃腳刃腳是井壁下端形如楔形的部分，其作用是利用沉井切土下沉。刃腳地面（踏面）寬度一般小于150mm。刃腳內側斜面與水平面夾角不宜小于45度，刃腳高度一般大于1.0m，混凝土強度等級宜大于C20.任務13沉井基礎的設計任務13-1沉井基礎的類型和構造一、理論知識3.沉井基礎的構造（3）隔墻作用是將沉井空腔分隔成多個井孔。隔壁厚度一般小于井壁約0.5～1.0m。隔墻底面應高出刃腳底面0.5m以上，避免被土擋住而妨礙下沉。若為人工挖土，還應在隔墻下端設置過人孔，以便工作人員井孔間往來。（4）井孔為挖土排土的工作場所和通道。最小邊長不宜小于3m。井孔應對稱布置，以便對稱挖土，保證沉井均勻下沉。（5）凹槽凹槽位于刃腳內側上方，用于沉井封底時使井壁與封底混凝土較好地結合，使封底混凝土底面反力更好地傳遞給井壁。凹槽高約1.0m，深度一般為150～300mm。任務13沉井基礎的設計任務13-1沉井基礎的類型和構造一、理論知識3.沉井基礎的構造（6）射水管當沉井下沉較深，土阻力較大，估計下沉困難時，可在井壁中預埋射水管組。射水管應均勻布置，一般水壓不小于600kPa。（7）封底沉井沉至設計標高進行清基后，便在刃腳踏面以上至凹槽處澆注混凝土形成封底。封底混凝土頂面應高出凹槽0.5m，混凝土強度等級一般不低于C15，并孔內填充的混凝土強度等級不低于C10。（8）頂板頂板厚度一般為1.5～2.0m，鋼筋配置由計算確定。沉井井孔是否填充，應根據(jù)受力或穩(wěn)定要求決定。在嚴寒地區(qū)，低于凍結線0.25m以上部分，必須使用混凝土或圬工填實。任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識沉井基礎設計與計算的內容：a）沉井尺寸擬定及驗算（計算）；b）按實體基礎進行各項驗算；c）結構強度計算。任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識沉井基礎在設計前，應收集相關資料，主要包括：a）水文地質資料；b）上部結構資料；c）擬采用的施工方法；沉井基礎的設計內容：a）擬定沉井各部分尺寸；b）各部分結構計算；c）沉井基礎作為整體基礎的計算；d）驗算：基底應力、穩(wěn)定性、基底偏心、沉降量等等。任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識1.沉井各部分尺寸的選定（1）沉井高度和分節(jié)a）沉井頂面和底面兩個標高之差為沉井的高度；b）沉井基礎底面標高應根據(jù)沖刷深度和地基、承載力等因素確定；c）沉井頂面不應高出最低水位；d）較高、較重的沉井應分節(jié)制造下沉，沉井的分節(jié)高度一般為5～7m，底節(jié)不宜過高，一般為5～6m。在松軟土層中下沉的沉井，為保證穩(wěn)定，其底節(jié)高度不應大于沉井寬度的0.8倍。為減少下沉時同土對井壁的摩阻力，在分節(jié)處一般留有臺階，臺階寬度為10～20cm。任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識1.沉井各部分尺寸的選定（2）確定沉井平面形狀和尺寸a）沉井頂面的平面尺寸在設計時應滿足墩臺身底面尺寸及基底受力兩方面的要求；b）沉井平面形狀應當根據(jù)其上部建筑物或墩臺底部的平面形狀決定。對矩形或圓端形橋墩，可采用相應形狀的沉井，采用矩形沉井時，為保證下沉的穩(wěn)定性，沉井的長邊與短邊之比不宜大于3；當墩的長寬較為接近時，可采用方形或圓形沉井；c）設計時一般先按墩臺身底面尺寸的要求初擬沉井平面尺寸，經(jīng)基底受力檢算合格后確定。沉井頂面尺寸等于墩臺身底面尺寸加襟邊寬度，襟邊的最小寬度一般不小于沉井度的1/50，且不小于200mm，若為浮式沉井，再另加寬250mm。任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識1.沉井各部分尺寸的選定（2）確定沉井平面形狀和尺寸d）沉井基礎的驗算也稱為沉井基礎的設計計算。包括沉井作為整體深基礎的計算和在施工過程中的計算兩部分；e）根據(jù)沉井基礎的埋置深度不同有兩種計算方法：i）當沉井埋深在最大沖刷線以上僅數(shù)米時，可不考慮基礎側面土的橫向抗力影響，按淺基礎設計計算；ii）當埋深較深時，沉井周圍土體對沉井的約束作用不可忽視，此時在驗算地基應力、變形及沉井的穩(wěn)定性時，應考慮基礎側面土體彈性抗力的影響。任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識2.沉井施工過程中的結構強度計算沉井結構在施工過程中主要需進行下列驗算：（1）沉井自重下沉驗算沉井自重應大于土對井壁的摩阻力，兩者之比稱為下沉系數(shù)K，一般要求（2）底節(jié)沉井豎向撓曲驗算若撓曲應力大于沉井材料縱向抗拉強度，應增加底節(jié)沉井高度或在井壁內設置水平向鋼筋，防止沉井豎向開裂。任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識2.沉井施工過程中的結構強度計算沉井結構在施工過程中主要需進行下列驗算：（3）沉井刃腳受力計算沉井在下沉過程中，刃腳受力可簡化為豎向和水平受力。豎向分析時，根據(jù)刃腳內外側作用力的不同可能向外或向內撓曲；在水平面上，在水、土壓力作用下在水平面內發(fā)生彎曲變形。（4）井壁受力計算a）井壁豎向拉應力驗算b）井壁橫向受力計算任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識2.沉井施工過程中的結構強度計算沉井結構在施工過程中主要需進行下列驗算：（5）混凝土封底及頂板計算a）封底混凝土計算b）鋼筋混凝土頂板計算頂板厚度一般預先擬定再進行配筋計算，計算時按承受最不利均布荷載的雙向板考慮。任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識3.考慮土體彈性抗力的沉井設計與計算考慮沉井側壁土體彈性抗力時，通?？勺魅缦禄炯俣ǎ篴）地基土為彈性變形介質，水平向地基系數(shù)隨深度以正比例增加；b）不考慮基礎與土之間的黏著力和摩阻力；c）沉井剛度與土的剛度之比視為無限大，橫向力作用下職能發(fā)生轉動而無撓曲變形。任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識3.考慮土體彈性抗力的沉井設計與計算根據(jù)基礎底面的地質情況，又可分為兩種情況：（1）非巖石地基（包括沉井立于風化巖層內和巖面上）a）土體橫向抗力b）基底邊緣處壓應力c）離地面或zuida沖刷線以下z深度處基礎截面上的彎矩為任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識3.考慮土體彈性抗力的沉井設計與計算根據(jù)基礎底面的地質情況，又可分為兩種情況：（2）基底嵌入基巖內a）土體橫向抗力b）基底邊緣處壓應力c）離地面或zuida沖刷線以下z深度處基礎截面上的彎矩為任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識3.考慮土體彈性抗力的沉井設計與計算（3）墩臺頂水平位移基礎在水平力和力矩作用下，墩臺頂水平位移由地面處水平位移z0tanw、地面至墩頂h2范圍內水平位移h2tanw及臺身彈性撓曲變形在h2范圍內引起的墩頂水平位移三部分所組成：基礎的實際剛度并非無窮大，對墩頂?shù)乃轿灰票赜杏绊?。故通常采用系?shù)K1和K2來反映實際剛度對地面處水平位移及轉角的影響。因此任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識3.考慮土體彈性抗力的沉井設計與計算（4）驗算a）基底應力要求計算所得的最大壓應力不超過沉井底面處土的承載力，即b）橫向抗力考慮到橋梁結構性質和荷載情況，且經(jīng)驗表明最大的橫向抗力大致在z＝h/3和z＝h處，即任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識3.考慮土體彈性抗力的沉井設計與計算（4）驗算c）墩臺頂面水平位移現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定墩頂水平位移應滿足cm，L為相鄰跨中最小跨的跨度，當L<25m時，取L＝25m。任務13沉井基礎的設計任務13-2沉井基礎的設計一、理論知識4.沉井基礎標準圖的應用對鐵道部第一勘測設計院編制壹橋4203圖的適用條件：a）沉井穿過的土層是軟土及松散砂類土，土對井壁的摩擦力f<=12k