第5章沉井基礎(chǔ)

5.沉井基礎(chǔ)內(nèi)容提要

沉井基礎(chǔ)的分類、構(gòu)造及施工地下連續(xù)墻簡(jiǎn)介5.1概述

沉井：帶刃腳的井筒狀構(gòu)造物，用人工或機(jī)械方法清除井內(nèi)土石，主要借自重克服井壁與土層摩阻，逐節(jié)下沉至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高的基礎(chǔ)。

特點(diǎn)埋深大（hmax=220m），適用于深水，整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，承載力大；既是基礎(chǔ)，又是擋土和擋水圍堰構(gòu)造物；造價(jià)高，施工期長(zhǎng)，不排水施工時(shí)難于克服刃腳下孤石、沉船、樹干等障礙物，易發(fā)生流砂現(xiàn)象。

適用條件上部荷載較大在山區(qū)河流中沖刷大河水較深，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)施工圍堰有困難5.1.1沉井的作用及適用條件下沉方式：就地制造下沉沉井(一般沉井)、浮運(yùn)沉井制作材料：砼沉井，鋼筋砼沉井，竹筋沉井(南昌贛江大橋、白沙沱長(zhǎng)江大橋)，鋼沉井,磚石沉井,木沉井5.1.2沉井的分類

外觀形狀：平面：力求簡(jiǎn)單對(duì)稱，利于受力，便于施工，有圓形、矩形和圓端形等a)柱形；b)階梯形；c)階梯形；d)錐形

沉井立面形狀剖面：柱形(下沉過(guò)程不易傾斜、井壁接長(zhǎng)簡(jiǎn)單，模板反復(fù)利用)；階梯形；錐形(下沉阻力小)5.1.3沉井基礎(chǔ)的構(gòu)造

沉井組成刃腳井壁隔墻井孔凹槽封底蓋板井壁:沉井主體部分，下沉過(guò)程起擋土、擋水及壓重作用，為深基礎(chǔ)的護(hù)壁和建筑物的基礎(chǔ)。一般厚0.8～1.5m，每節(jié)高≤5m，砼強(qiáng)度等級(jí)≥C15。刃腳：井壁下端楔狀部分，利于切入土中加速下沉一般底面(踏面)寬度不大于150mm，軟土可適當(dāng)放寬；若下沉深度大，土質(zhì)較硬，底面以型鋼（角鋼或槽鋼）加強(qiáng)；刃腳內(nèi)側(cè)斜面與水平面夾角不宜小于45度。隔墻：將沉井空腔分隔成多個(gè)井孔，便于控制挖土下沉，防止或糾正傾斜和偏移，并加強(qiáng)沉井剛度，減小井壁撓曲應(yīng)力。一般要求厚度為0.5~1.0m，隔墻底高出刃腳底面0.5~1.0m

，避免被土擱住而妨礙下沉。

井孔：挖土排土的工作場(chǎng)所和通道

尺寸：由取土方法定，采用挖土斗取土?xí)r，應(yīng)能使挖土斗自由升降，一般寬度≥3m；井孔應(yīng)對(duì)稱布置，以便于對(duì)稱挖土，保證沉井均勻下沉。

凹槽深約0.15-0.25m，高約1.0m，距刃腳底面1.5m以上封底砼和井壁結(jié)合良好，使封底混凝土底面反力更好地傳給井壁。

封底和頂板：封底可防止地下水涌入井內(nèi)，底面承受地基土和水的反力。封底混凝土頂面應(yīng)高出凹槽0.5m。在井頂設(shè)置鋼筋混凝土頂板，承托上部結(jié)構(gòu)的全部荷載。頂板厚一般1.5～2.0m，鋼筋配置由計(jì)算確定。

5.2沉井的施工旱地沉井施工：平整場(chǎng)地，制造第一節(jié)沉井、拆模及抽墊、挖土下沉、接高沉井、井頂圍堰、基底檢驗(yàn)和處理、封底、充填井孔、澆筑頂蓋。水中筑島：水流速不大，水深<3m時(shí)采用，砂島應(yīng)高出施工最高施工水位0.5m以上，在島上澆筑沉井。浮運(yùn)沉井：水深較大、人工筑島困難時(shí)，岸邊制作，滑入水中，井壁為空體可浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。5.2.1旱地沉井施工

鋪墊木立模板綁鋼筋澆筑混凝土立內(nèi)模制造沉井刃腳清整場(chǎng)地防止沉井在混凝土澆筑之初因地面沉降不均產(chǎn)生裂縫。制造第一節(jié)沉井實(shí)例圖制造第一節(jié)沉井

拆模及抽墊

拆模順序：井孔模板、外側(cè)模板、隔墻支撐及模板、刃腳面支撐及模板。抽墊順序：內(nèi)壁、短邊及長(zhǎng)邊下對(duì)稱同步。長(zhǎng)邊隔1根撤1根，最后以定位樁為中心由遠(yuǎn)而近對(duì)稱撤除。沉井墊木

除土下沉沉井正常下沉?xí)r，應(yīng)自中間向刃腳處均勻?qū)ΨQ除土，排水下沉?xí)r應(yīng)嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)支承點(diǎn)土的排除，并隨時(shí)注意沉井正位，保持豎直下沉。接高沉井：第一節(jié)沉井井頂露出地面不小于0.5m時(shí)設(shè)置井頂防水圍堰：沉井頂面低于地面或水面時(shí)基底檢驗(yàn)和處理：檢驗(yàn)基底地質(zhì)情況是否與設(shè)計(jì)相符封底：一般為素混凝土，必須與地基緊密結(jié)合井孔填充和頂板澆筑

5.2.2水中沉井施工

水中筑島無(wú)圍堰防護(hù)土島有圍堰防護(hù)土島圍堰筑島流速≤1.5m/s，水深<3m時(shí)水中筑島下沉沉井

浮運(yùn)沉井水深筑島困難時(shí)，岸邊制作，滑入水中，井壁為空體浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。5.2.4沉井下沉所遇問(wèn)題及處理

偏斜：沉井偏斜大多發(fā)生在下沉不深時(shí)，由于土質(zhì)不均、井壁與刃腳中線不重合、抽墊方法欠妥、除土不均勻?qū)ΨQ等原因?qū)е鲁辆保?/p>

糾偏方法：除土、壓重、頂部施加水平力、刃腳下支墊難沉：沉井下沉過(guò)慢或停沉；原因（正面阻力大、側(cè)阻過(guò)大、偏斜、孤石樹根等）；解決方法：增加壓重和減少井壁摩阻力（射水輔助下沉、加重井壁、增大開挖范圍和深度等）突沉：常發(fā)生在軟土地區(qū)，沉井產(chǎn)生較大的傾斜或超沉；主要原因：井壁側(cè)阻較小。

防治措施：均勻挖土，在刃腳處挖土不宜過(guò)深；增大刃腳踏面寬度，增設(shè)底梁，提高刃腳阻力。流砂：在粉、細(xì)砂層中下沉沉井，易出現(xiàn)流砂現(xiàn)象；主要原因：土中動(dòng)水壓力的水頭梯度大于臨界值；防治措施：井點(diǎn)降水及不排水除土，或向井內(nèi)回灌水，降低井外水位。5-5其他深基礎(chǔ)簡(jiǎn)介5.5.1

墩基礎(chǔ)定義：墩是一種利用機(jī)械或人工在地基中開挖成孔后灌注混凝土形成的大直徑樁基礎(chǔ)，由于其粗大如墩，故稱為墩基礎(chǔ)。功能：與樁相似，沉降量極小。適用于復(fù)雜地質(zhì)條件，常用于高層建筑中的柱基礎(chǔ)。不宜用于荷載較小、地下水位較高、水量較大的小型工程，及相當(dāng)深度內(nèi)無(wú)堅(jiān)硬持力層的地區(qū)。墩基承載力高，原則上采用一柱一墩；

墩基持力層必須承載力較高且具有一定厚度；

墩基的混凝土強(qiáng)度等級(jí)和配筋率應(yīng)滿足最低構(gòu)造要求；

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)明確規(guī)定施工和質(zhì)檢方案；

施工前應(yīng)查明場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件。

墩基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)施工要求：定義：成槽機(jī)沿著深基礎(chǔ)或地下構(gòu)筑物周邊，開挖出具有一定寬度與深度的溝槽，在槽內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，澆注砼，筑成一個(gè)單元的墻段。再繼續(xù)開挖、澆筑砼，并以某特定接頭方式連接墻段，形成一道連續(xù)的現(xiàn)澆壁式地下鋼筋砼連續(xù)墻。作用:基坑開挖時(shí)防滲、擋土，鄰近建筑物的支護(hù)，作為基礎(chǔ)的一部分。5.5.2地下連續(xù)墻

優(yōu)點(diǎn)無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)，適用于城市與密集建筑群中施工(法國(guó)最小距離0.5m，日本0.2m)；土方量小，無(wú)需井點(diǎn)降水，造價(jià)低，配合逆筑法施工速度快，適用于各種地質(zhì)條件；能防滲、截水、承重、擋土、抗滑、防爆等。

缺點(diǎn)

施工技術(shù)要求高，槽段接頭質(zhì)量控制比較復(fù)雜，小型工程造價(jià)較高，不適用于巖溶地區(qū)、粉、細(xì)砂地層。修筑導(dǎo)墻→泥漿護(hù)壁→成槽→槽段連接→澆筑砼。修筑導(dǎo)墻：成槽施工前先開挖導(dǎo)溝，修筑鋼筋砼(鋼、木)導(dǎo)墻，并設(shè)臨時(shí)支撐。作用：導(dǎo)向、容蓄泥漿，支撐設(shè)備荷載，維護(hù)表土穩(wěn)定，防止槽口塌方。

地下連續(xù)墻的施工泥漿護(hù)壁：以膨潤(rùn)土和細(xì)粒土在現(xiàn)場(chǎng)加水?dāng)嚢柚瞥?。作用：平衡水土壓力，護(hù)壁、防滲、攜渣、冷卻潤(rùn)滑鉆頭。成槽采用多頭鉆機(jī)開槽，每段槽孔長(zhǎng)可取6～8m，采用抓斗式或沖擊式鉆機(jī)成槽，每段長(zhǎng)度可更大。墻體深度可達(dá)幾十米。

槽段的連接接頭應(yīng)滿足受力和防滲要求。國(guó)內(nèi)多用接頭管連接非剛性接頭。在挖除單元槽段土體后，在一端先吊放接頭管，再吊入鋼筋籠，澆筑砼后逐漸拔出接頭管，形成半圓形接頭。

槽段砼澆注吊放鋼筋籠前須檢測(cè)槽段；制作、吊放鋼筋籠；鋼筋綁扎一般可先用鉛絲臨時(shí)固定，再點(diǎn)焊焊條、拆除鉛絲；澆灌水下砼:一般控制水灰比在0.6以內(nèi)，d≤25mm，塌落度180～200mm，盡量使用外摻劑以減少水灰比，增大流動(dòng)度，減少離析現(xiàn)象，防止導(dǎo)管堵塞。第五章結(jié)束

主要內(nèi)容：擬定外形尺寸、高度、壁厚視為天然地基上深基礎(chǔ)的地基強(qiáng)度及變形驗(yàn)算施工階段刃腳、井壁的強(qiáng)度計(jì)算使用階段井壁及頂板、底板強(qiáng)度計(jì)算

5.3沉井的設(shè)計(jì)與計(jì)算

沉井高度沉井底面標(biāo)高，主要根據(jù)上部荷載、水文地質(zhì)條件及各土層的承載力等確定。沉井作為基礎(chǔ)，其頂面應(yīng)埋入地面0.2m或地下水位以下0.5m。

沉井平面形狀和尺寸

沉井平面形狀應(yīng)根據(jù)上部建筑物的平面形狀決定。為防止下沉過(guò)程中少許偏斜對(duì)建筑物影響，要求留襟邊，其寬度≮下沉總深度的2%，且不得小于20cm。5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計(jì)算

沉井尺寸設(shè)計(jì)

下沉系數(shù):確定沉井的外形尺寸和壁厚時(shí)，應(yīng)保證沉井在各種施工階段能克服四壁摩阻力R1而順利下沉，即要求K1：G—各種施工階段沉井的自重；Rt—沉井井壁土的摩阻力。

下沉系數(shù)K1、抗浮穩(wěn)定系數(shù)K2

抗浮穩(wěn)定系數(shù):當(dāng)沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，砼封底并做好鋼筋砼頂板、抽除井內(nèi)積水后，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)備尚未安裝，井外地下水位達(dá)最高時(shí)，應(yīng)考慮沉井的抗浮穩(wěn)定，即要求K2：∑G—沉井結(jié)構(gòu)的自重；P—水對(duì)沉井的浮力，等于地下水位以下沉井排開同體積的水重

地基強(qiáng)度：沉井作為深基礎(chǔ)時(shí)，一般要求下沉至堅(jiān)實(shí)土層或巖層上，且地基強(qiáng)度須滿足：F—作用于沉井頂面處荷載G—沉井自重Rf—井側(cè)總摩阻力Rj—沉井底部地基土的總反力Rj=faA(fa為基底土承載力特征值)F+G≤Rj+Rf

沉井作為天然地基基礎(chǔ)計(jì)算式中：5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計(jì)算

井側(cè)總摩阻力Rf：可假定井側(cè)總摩阻力Rf沿深度成梯形分布，距地面5m范圍內(nèi)按三角形分布，5m以下為常數(shù)，故總摩阻力為Rf

＝U(h－2.5)q

U—沉井周長(zhǎng)q—單位面積摩阻力加權(quán)平均值，可按表5-1取值。圖5.15井壁摩阻力分布假設(shè)式中：5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計(jì)算基本假定：地基土為彈性變形介質(zhì)，水平向地基系數(shù)隨深度成正比例增加(即m法)不考慮基礎(chǔ)與土之間的粘著力和摩阻力沉井剛度與土剛度之比為無(wú)限大，橫向力作用下只產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)而無(wú)撓曲變形根據(jù)基底地質(zhì)情況，可分為非巖石地基和基底嵌入基巖內(nèi)兩種情況分析

考慮土體彈性抗力的沉井設(shè)計(jì)與計(jì)算5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計(jì)算

非巖石地基在FH作用下，沉井將圍繞位于地面下深度z0處點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)ω角則深度z處沉井水平位移Δx為：

將水平力FH和偏心豎向力FV(=F＋G)等效為距基底作用高度為λ的水平力FH，即：

圖5.16非巖石地基計(jì)算示意Δx=(z0z)·tanω5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計(jì)算其中：Cz

=mz

C0=mh即土的橫向抗力沿深度呈二次拋物線變化，若基底豎向地基系數(shù)C0不變，沉井底面受到的抗力：σzx=ΔxCz=Cz(z0z)·tanω沉井受到的橫向抗力σzx式中C0按樁基計(jì)算方法確定，但不得小于10m0。圖5.17非巖石地基計(jì)算示意5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計(jì)算上述各式z0和ω為未知數(shù)，可由靜力平衡導(dǎo)得：

b1為基礎(chǔ)計(jì)算寬度，W為基底截面模量。聯(lián)立求解得：其中：

5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計(jì)算將此代入上述各式得土體橫向抗力：

基底邊緣處壓應(yīng)力：

式中A0為基底面積。離地面下深度z處截面彎矩為：5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計(jì)算

基底嵌入基巖，在水平力和豎直偏心荷載作用下，可假定基底不產(chǎn)生水平位移，故旋轉(zhuǎn)中心A與基底中心重合，即z0=h?；浊度胩帉⒋嬖谝凰阶枇R，其對(duì)A點(diǎn)的力矩可忽略不計(jì)。由彎矩平衡得：

基底嵌入基巖內(nèi)圖5.18基底嵌入基巖內(nèi)計(jì)算5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計(jì)算地面下深度z處截面上的彎矩為尚需注意,當(dāng)基礎(chǔ)僅受偏心豎向力FV作用時(shí),λ→∞，上述各式不能應(yīng)用。此時(shí)應(yīng)以M=FV·e代替上述各式中FHh1，同理可導(dǎo)得上述兩種情況下相應(yīng)的計(jì)算公式。土體橫向抗力基底邊緣處壓應(yīng)力基底嵌入處水平阻力FR由∑X=0可得：δ=(z0h2)tanω+δ0δ0為h2范圍內(nèi)臺(tái)身彈性撓曲變形引起的墩頂水平位移其中：FH、M為墩頂作用的水平力及彎矩

墩臺(tái)頂水平位移計(jì)入基礎(chǔ)實(shí)際剛度對(duì)地面處水平位移及轉(zhuǎn)角的影響后(tanω≈ω)，可寫為：

δ=(z0

K1+h2

K2)ω+δ0K1、K2—水平位移影響系數(shù)，根據(jù)αh及λ/h查書表5-2。墩臺(tái)頂水平位移：

橫向抗力經(jīng)驗(yàn)表明最大橫向抗力大致在z=h/3和z=h處，故η1—取決于上部結(jié)構(gòu)形式的系數(shù)，一般取η1=1，拱橋η1=0.7；η2—考慮恒載彎矩Mg對(duì)總彎矩M的影響系數(shù)，即

驗(yàn)算

要求σzx應(yīng)小于井周土的極限抗力值，而極限抗力以土壓力表示，即：

σzx≤PpPa

由朗金土壓力理論可得：

墩臺(tái)頂水平位移其中：L為相鄰跨中最小跨的跨度（m），當(dāng)L<25m，取L＝25m。此外，對(duì)高而窄的沉井還應(yīng)驗(yàn)算產(chǎn)生施工容許偏差時(shí)的影響。（cm）要求：

基底應(yīng)力σmax≤f

ah要求：在抽出墊木及挖土可能有不均勻等不利條件下，第一節(jié)井壁在自重作用下應(yīng)按單支點(diǎn)、簡(jiǎn)支梁等驗(yàn)算井壁強(qiáng)度。

第一節(jié)井壁的應(yīng)力驗(yàn)算5.3.2沉井施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

排水除土下沉

不排水除土下沉圖5.19底節(jié)沉井支點(diǎn)布置示意考慮下兩種最不利情況：刃腳外撓：沉井下沉至一半深度，上部井壁已全部加高，刃腳入土1m。此時(shí)刃腳斜面上土的橫向推力向外作用，產(chǎn)生向外撓曲。刃腳內(nèi)撓：沉井下沉至接近設(shè)計(jì)標(biāo)高，刃腳下土已掏空，沉井自重全部由外側(cè)摩阻力承擔(dān)。此時(shí)在外側(cè)水、土壓力作用下，使刃腳產(chǎn)生向內(nèi)撓曲。

刃腳計(jì)算圖5.20刃腳向外繞曲受力示意圖圖5.21刃腳向內(nèi)繞曲受力示意圖井壁的水平配筋下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，刃腳下土已掏空，水、土壓力最大，按水平框架計(jì)算內(nèi)力。

井壁的豎直配筋下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，刃腳下土已掏空，且上部井壁被土夾住，下部似懸掛在土中的最不利位置計(jì)算井壁拉力。

等截面沉井產(chǎn)生的最大拉力τmax等于沉井自重的1/4，即tmax＝G/4，其位置在沉井的h/2處。

井壁計(jì)算

此外，還應(yīng)驗(yàn)算井壁在使用階段中各種受力時(shí)的強(qiáng)度。圖5.22單孔矩形框架受力干封底：可按構(gòu)造要求確定厚度，一般為0.6～1.2m水下封底:砼厚度由抗浮