第五章沉井基础及地下连续墙.pptx

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1、1第一节 概 述定义：沉井是一种井筒状结构物，是依靠在井内挖士，借助井体自重及其它辅助措施而逐步下沉至预定设计标高，最终形成的建筑物基础的一种深基础型式。第1页/共90页2江阴大桥北锚锭沉井沉井平面长69米，宽51米，下沉深度为58米，体积20.4万立方米,列世界最大沉井。世界第的美国费雷泽诺桥的沉井体积为15万立方米第2页/共90页3大型钢壳沉井第3页/共90页4过黄浦江倒虹管沉井过黄浦江倒虹管沉井第4页/共90页5宝山钢铁厂取水泵房工程第5页/共90页6特点 占地面积小，不需要板桩围护，与大开挖相比较，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，操作简便，无需特殊的专业设备。近年来，沉井的施工技术

2、和施工机械都有很大改进。典型施工方法 触变泥浆润滑套法；壁后压气（空气幕）法；钻吸排土沉井施工技术；中心岛式下沉第6页/共90页7缺点(1)施工工期较长；(2)施工技术要求高；(3)施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。第7页/共90页8使用范围：1上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力不足，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，采用沉井基础与其它深基础相比较，经济上较为合理时；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。第8页/共90页9第二节 沉井的类型和构造 一

3、、沉井分类 按材料分类：混凝土、钢筋混凝土、钢、砖、石、木等按施工方法分类：一般沉井、浮运沉井第9页/共90页10按平面形状分类 第10页/共90页11按竖向剖面形状分类 第11页/共90页12二、沉井构造刃脚井壁内隔墙取土井凹槽射水管封底顶(盖)板 第12页/共90页131）井壁：主要承担井外水土压力和自重的部分主要承担井外水土压力和自重的部分 设计时通常先假定井壁厚度再进行承载力验算；井壁厚度一般为0.81.5m a a）、（）、（b b）竖直的；）竖直的；（c c）、（）、（d d）台阶形的；）台阶形的；（e e）锥形的；（）锥形的；（f f）倒锥形的）倒锥形的沉井外壁的形式沉井外壁的形

4、式第13页/共90页142）刃脚：作用在于减少沉井下沉阻力作用在于减少沉井下沉阻力 a混凝土刃脚；b设角钢的刃脚；c尖刃脚第14页/共90页153）隔墙加强沉井刚度、缩小外壁计算跨度，同时又将沉井分成多个取土井，便于掌握挖土位置以控制下沉的方向；内隔墙的间距一般不大于56m，厚度一般为0.51.0m。一般要求隔墙底高出刃脚底面0.51.0m。第15页/共90页164）取土井（井孔）位置：取土井的平面布置应与中轴线对称，以利于沉井均匀下沉；大小：由取土方法而定，采用挖土斗取土时，应能使挖土斗自由升降，最小边长不宜小于3m。处理：以素混凝土、片石混凝土或砌片填充。第16页/共90页175）凹槽为了

5、封底混凝土嵌入井壁，形成整体，使传至沉井壁上的力能更好地传递给封底混凝土底面。遇到意外困难，还可在凹槽处浇筑钢筋混凝土盖板，将沉井改为沉箱。尺寸：凹槽深约0.150.25m，高约1.0m左右，其距刃脚底面一般在1.5m以上。第17页/共90页18 6）射水管组、探测管、气管和压浆管 射水管组：压入高压水把井壁四周的土冲松，以减少摩擦力和端部阻力。高压水水压一般不小于0.6MPa，每一水管的排水量不小于200L/min；探测管：探测刃脚和隔墙底面下的泥面标高，清基射水或破坏沉井正面土层以利下沉；气管：空气幕下沉沉井；压浆管：埋设压浆管 第18页/共90页19探测管第19页/共90页207）封底渗

6、水率小于6mm/min时，排干水后用C15或C20普通混凝土浇筑；当井中的渗水率大于6mm/min时，宜采用导管法浇注C20级水下混凝土封底。厚度按其承载力条件计算确定，一般其顶面应高出凹槽0.5m。第20页/共90页218）顶(盖)板以混凝土填心的沉井可用素混凝土顶板；空心或以其他松散料填心的沉井需用钢筋混凝土顶板，厚度一般为1.02.0m；排水下沉的沉井，其顶面在地面或水位以下时，应设挡土防水墙连接在井壁的顶部。第21页/共90页22（三）浮运沉井材料：多由钢筋混凝土、钢和木等材料组合而成。适用条件：水深流缓、覆盖层浅或潮水高差大、地质复杂的近海河流上的桥梁基础。分类：不带气筒和带气筒两种

7、第22页/共90页23不带气筒的浮运沉井第23页/共90页24带钢气筒的浮运沉井第24页/共90页25（四）组合式沉井组成：上面沉井，下面桩基适用条件：采用低桩承台而围水挖基浇筑承台有困难，当沉井刃脚遇到倾斜较大的岩层或在沉井范围内地基土软硬不均而水深较大时。第25页/共90页26分类：分类：旱地施工沉井与水上施工沉井旱地沉井工序：旱地沉井工序：就地制造挖土下沉孔底清查封底 充填井孔以及浇注顶板。第三节第三节 沉井的施工沉井的施工第26页/共90页27旱地沉井施工过程图第27页/共90页28大型沉井下沉施工中第28页/共90页29水上沉井工序：水深34m以内且流速不大时(筑岛法)水上筑岛岛上制

8、造挖土下沉孔底清查封底 充填井孔以及浇注顶板。水较深或流速较大时（浮运法）岸边制造牵引滑移或起吊就位挖土下沉孔底清查封底 充填井孔以及浇注顶板。第29页/共90页30水上沉井施工过程图水上筑岛下沉沉井浮运沉井下水第30页/共90页31深圳水库钢壳沉井施工第31页/共90页32施工中常见问题1、突沉井壁侧摩阻力较小2、沉偏土质不均匀或出现个别障碍物或施工质量问题3、难沉侧摩阻力过大或有障碍第32页/共90页33沉井纠编的方法（1）当沉井向某侧倾斜时，可在高的一侧多挖土，使沉井恢复水平，然后再均匀挖土。（2）当矩形沉井长边产生偏差时，可采用偏心压重进行纠偏 第33页/共90页34偏心压重纠偏示意图

9、 第34页/共90页35（3）小沉井或矩形沉井短边方向产生偏差时，应在下沉少的一侧外部用压力水冲井壁附近的土，并加偏心压重；在下沉多的一侧加一水平推力，以纠正倾斜第35页/共90页36（4）当直径相对其高度来说较小且为圆形沉井出现倾斜时，应在下沉多的方向挖土，下沉少的一侧加压重，并用钢绳从横向给沉井一定拉力，以纠正沉井倾斜。（5）当采用触泥浆润滑套时，可采用导向木法纠偏。（6）沉井位移的纠正方法如下图所示。当沉井中心线与设计中心线不重合，可先一侧挖土，使沉井倾斜，然后均匀挖土，使沉井沿倾斜方向下沉到沉井底面中心线接近设计中心线位置时，再纠正倾斜。第36页/共90页37沉井位移纠正方法示意图 第

10、37页/共90页38四、泥浆润滑套与壁后压气施工法（一）泥浆润滑套泥浆润滑套是把配置的泥浆灌注在沉井井壁周围，形成井壁与泥浆接触。泥浆对沉井壁起润滑作用，它与井壁间摩阻力仅35kPa大大降低了井壁摩阻力(一般粘性土对井壁摩阻力为2550kPa)，因而有提高沉井下沉的施工效率，减少井壁的圬土数量，加大了沉井的下沉深度，施工中沉井稳定性好等优点。第38页/共90页39选用的泥浆配合比应使泥浆性能具有良好的固壁性、触变性和胶体稳定性。一般采用的泥浆配合比（重量比）为粘土35%45%，水55%65%，另加分散剂碳酸钠0.4%0.6%，其中粘土或粉质粘土要求塑性指数不小于15，含砂率小于6%。泥浆润滑套

11、的构造主要包括：射口挡板，地表围圈及压浆管。第39页/共90页40（二）壁后压气沉井法壁后压气沉井法也是减少下沉时井壁摩阻力的有效方法。它是通过对沿井壁内周围预埋的气管中喷射高压气流，气流沿喷气孔射出再沿沉井外壁上升，形成一圈压气层（又称空气幕），使井壁周围土松动，减少井壁摩阻力，促使沉井顺利下沉。第40页/共90页41施工气管布置施工时压气管分层分布设置，竖管可用塑料管或钢管，水平环管则采用直径25mm的硬质聚氯乙烯管，沿井壁外缘埋设。每层水平环管可按四角分为四个区，以便分别压气调整沉井倾斜。压气沉井所需的气压可取静水压力的2.5倍。第41页/共90页42比较与泥浆润滑套相比，壁后压气沉井法

12、在停气后即可恢复土对井壁的摩阻力，下沉量易于控制，且所需施工设备简单，可以水下施工，经济效果好。现认为在一般条件下较泥浆润滑套更为方便，它适用于细、粉砂类土的粘性土中。第42页/共90页43第四节 沉井的设计与计算一、沉井作为整体深基础的设计与计算 基本假设：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；不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力；沉井基础的刚度与土的刚度之比可认为是无限大。第43页/共90页44HN（一）非岩石地基上沉井基础的计算 水平力H距离基底的作用高度：荷载简化第44页/共90页45沉井在水平力H作用下的响应沉井将围绕位于地面下Z0深度处的A点转动角，地面下深度Z处

13、沉井基础产生的水平位移x和土的横向抗力zx：未知数第45页/共90页46平衡方程解得X=0M=0或第46页/共90页47代入得当有竖向荷载N及水平力H同时作用时则基底边缘处的压应力为第47页/共90页48离地面或最大冲刷线以下Z深度处基础截面上的弯矩 第48页/共90页49（二）基底嵌入基岩内的计算方法 若基底嵌入基岩内，在水平力和竖直偏心荷载作用下，可以认为基底不产生水平位移，则基础的旋转中心A与基底中心相吻合，即Z0=h，为一已知值。这样，在基底嵌入处便存在一水平阻力P，由于P力对基底中心轴的力臂很小，一般可忽略P对A点的力距。第49页/共90页50水平力H作用下的响应地面下z深度处产生的

14、水平位移X和土的横向抗力zx分别为：X=（h-z）tgzx=m zx=mz（h-z）tg 基底边缘处的竖向应力为未知数第50页/共90页51平衡方程MA=0 解得：基底边缘应力：嵌入处水平阻力：z处弯矩：第51页/共90页52（三）墩台顶面的水平位移 基础在水平力和力矩作用下,墩台顶面会产生水平位移，它由地面处的水平位移Z0tg，地面到墩台顶范围h2范围内墩台身弹性挠曲变形引起的墩台顶水平位移0三部分组成。岩基上的墩台顶面水平位移 第52页/共90页53（四）验算 1基底应力验算：maxh 2横向抗力验算：zxPp-Pa 第53页/共90页54最大的横向抗力大致在h/3和h处 墩台顶面水平位移

15、验算 第54页/共90页55二、沉井施工过程中的结构强度计算（一）沉井自重下沉验算为了使沉井能在自重下顺利下沉，沉井重力（不排水下沉者应扣除浮力）应大于土对井壁的摩阻力，将两者之比称为下沉系数，要求 第55页/共90页56调整措施加大井壁厚度或调整取土井尺寸；如为不排水下沉者，则下沉到一定深度后可采用排水下沉；增加附加荷载或射水助沉；采用泥浆润滑套或壁后压气法等措施。第56页/共90页57（二）第一节（底节）沉井的竖向挠曲验算 1排水挖土下沉（支承点位置易于控制）首节沉井支承点的布置原则：使支点与跨中弯矩大致相等。2不排水挖土下沉（支承点位置不易控制）根据可能出现的最不利情况进行验算。第57页

16、/共90页58（三）沉井刃脚受力计算沉井刃脚相当于是三面固定，一面自由的双向板，为简化计算一方面可看作固着在刃脚根部处的悬臂梁，梁长等于井壁刃脚斜面部分的高度；另一方面，刃脚又可看作为一个封闭的水平框架。因此，作用在刃脚侧面上的水平外力将由悬臂梁和框架来共同承担，也即部分水平外力是垂直向传至刃脚根部，余下部分由框架承担。第58页/共90页59刃脚水平力的分配刃脚悬臂作用的分配系数为刃脚框架作用的分配系数为 支承于隔墙间的井壁最大计算跨度刃脚斜面部分的高度支承于隔墙间的井壁最小计算跨度；第59页/共90页601刃脚竖向受力分析 刃脚根部可以认为与井壁嵌固，刃脚高度作为悬臂长度，并可根据以下两种不

17、利情况分别计算：（1）当沉井下沉途中，刃脚内侧已切入土中深约1m，这时刃脚处于向外挠曲的不利情况;（2）当沉井已沉到设计标高，刃脚下的土已被掏空，这时刃脚处于向内挠曲的不利情况。第60页/共90页61（1）刃脚向外挠曲1）作用在刃脚外侧单位宽度上的土压力及水压力的合力为作用在刃脚根部处的土压力及水压力强度之和 刃脚底面处的土压力及水压力强度之和。刃脚高度 第61页/共90页62合力的作用点（离刃脚根部的距离）为 地面下深度hi处刃脚承受的土压力ei 水压力：wi=whwi第62页/共90页63作用在刃脚外侧单位宽度上的摩阻力Ti 式中：土与井壁间单位面积上的摩阻力；hk 刃脚高度；E刃脚外侧总

18、的主动土压力。Ti=min第63页/共90页643）刃脚下抵抗力的计算 单位宽度竖向反力R 作用点12水平力HH第64页/共90页654）刃脚（单位宽度）自重g为 式中：井壁厚度；k 钢筋混土刃脚的容重，不排水施工时应扣除浮力。刃脚自重量g的作用点至刃脚根部中心轴的距离为 第65页/共90页66求出以上各力的数值、方向及作用点后，再算出各力对刃脚根部中心轴的变矩总和值M0，竖向力N0及剪力Q，其算式为 M0=MR+MH+Me+w+MT+Mg N0=R+T1+g Q=pe+w+H根据M0、N0及Q值计算出刃脚内侧所需的竖向钢筋用量。一般刃脚钢筋截面积不宜少于刃脚根部截面积的0.1%。刃脚的竖直钢

19、筋应伸入根部以上0.5L1（L1为支承于隔墙间的井壁最大计算跨度）。第66页/共90页67（2）当沉井已沉到设计标高，刃脚下的土已被掏空，这时刃脚处于向内挠曲的不利情况，计算刃脚外侧的土压力和水压力。由于刃脚下的土已被掏空，故刃脚下的垂直反力Rv和刃脚斜面水平反力U等于零 作用在井壁外侧的摩阻力T 刃脚计算时重力g与前面相同计算在刃脚外侧的钢筋（竖直）数量 第67页/共90页682刃脚水平钢筋计算刃脚水平向受力最不利的情况是沉井已下沉至设计标高，刃脚下的土已挖空，尚未浇筑封底混凝土的时候，由于刃脚有悬臂作用及水平闭合框架的作用，故当刃脚作为悬臂考虑时，刃脚所受水平力乘以a，而作用于框架的水平力

20、应乘以分配系数式后，其值作为水平框架上的外力，由此求出框架的弯矩及轴向力值。再计算框架所需的水平钢筋用量。第68页/共90页69（四）井壁受力计算1井壁竖向拉应力验算井在下沉过程中，刃脚下的土已被挖空，但沉井上部被摩擦力较大的土体夹住（这一般在下部土层比上部土层软的情况下出现），这时下部沉井呈悬挂状态，井壁就有在自重作用下被拉断的可能，因而应验算井壁的竖向拉应力。假定沿沉井高度成倒三角形分布。在地面处摩阻力最大，而刃脚底面处为零。第69页/共90页70沉井自重为G；h为沉井的入土深度；U为井壁的周长；为地面处井壁摩阻力；x为距刃脚底x处的摩阻力第70页/共90页71验算建议值 表表8-2 沉井

21、竖向拉力计算及其最小配筋率沉井竖向拉力计算及其最小配筋率沉沉井井施施工工状状态态沉沉井井结结构构或或受受其其影影响响建建筑筑物物的的安安全全等等级级与与拉力计算取值拉力计算取值纵纵向向钢钢筋筋最最小小构构造配筋率造配筋率一级一级二级二级三级三级钢钢筋筋混混凝凝土土最最小小配配筋筋率率不不宜宜于于少少0.1%；少少筋筋混混凝凝土土 不不 宜宜 少少 于于0.05%排水下沉排水下沉0.50G0.30G0.25G不排水下沉不排水下沉0.40G0.25G0.20G泥泥浆浆套套中中下下沉沉0.30G0.25G0.20G第71页/共90页722 井壁横向受力计算 根据排水或不排水的情况，沉井井壁在水压力和

22、土压力等水平荷载作用下，应作为水平框架验算其水平方向的挠曲。（1）验算刃脚根部以上，其高度等于该处井壁厚度t的一段井壁，依此设置该段的水平钢筋。第72页/共90页73计算简图Q Q由刃脚传来的剪力，其值等于由刃脚传来的剪力，其值等于求算刃脚竖直外力时分配于悬臂梁上求算刃脚竖直外力时分配于悬臂梁上的水平力（的水平力（kN/mkN/m）。）。第73页/共90页74（2）其余各段井壁的计算，可按井壁断面的变化,取每一段中控制设计的井壁（位于每一段最下端的单位高度）进行计算。上部井段按照作用在水平框架上的均布荷载q=W+E。然后用同样的计算方法，求得水平框架的最大弯矩M、轴向压力N、剪力Q，并据此设计

23、水平钢筋。第74页/共90页75（五）混凝土封底及顶盖的计算1封底混凝土计算封底混凝土在基底反力作用下，将其当作支承于刃脚斜面及隔墙上的周边支承板考虑；支承情况（简支或嵌固）和计算强度在设计中应视具体情况而定。第75页/共90页761）规定 封底混凝土应承受基底水和土的向上反力，此时混凝土的龄期不足，应降低容许应力；混凝土填实时，计入井孔内填充物的重力；封底混凝土的厚度，一般不宜小于1.5D；第76页/共90页772）干封底及有关计算n（a）下有足够厚粘土层；n（b）待底板达到足够强度后方停止降水n沉井可干封底的情况第77页/共90页78（1）沉井刃脚停留在不透水粘土层中；不透水粘土层的厚度：

24、A沉井底部面积（m2）；土的有效重度（即浮重度）（kN/m3）；h刃脚下面不透水粘土层厚度（m）；c粘土的粘聚力（kPa）；U沉井刃脚踏面内壁周长（m）；第78页/共90页79（2）在沉井内设吸水鼓并有良好滤层的情况下降水，一直降到钢筋混凝土底板足够承担地下水回升后的水土压力，方可拆除并封闭降水管，在这种情况下，可采用干封底。第79页/共90页803）水下封底混凝土的厚度计算第80页/共90页81封底要求：（1）按最不利情况混凝土厚度：即在沉井封底后，将井内水排干，在钢筋混凝土底板尚未施工前。（2）水下封底混凝土最好不让其中出现拉应力。分配线相交于素混凝土封底上，可以认为不承受拉应力。中央锅底

25、挖深可形成倒拱。第81页/共90页82若出现拉应力，计算方法：注意计算跨度周边简支支承的圆板在承受均匀荷载时，可计算板中心的最大弯矩值：周边简支支承的双向板在承受均布荷载时，计算跨中弯矩Mx和My：第82页/共90页83简支支承双向板计算简图第83页/共90页84求出弯矩值后，封底混凝土的厚度 考虑封底混凝土因与井底泥土掺混需要增加的厚度，宜取0.30.5m；若基底采取铺块石或碎石灌浆抹平处理后再封底，可不考虑此增加值。第84页/共90页85封底混凝土剪应力计算 应加大封底混凝土的抗剪面积。如在井壁和隔墙内设置凹槽等。第85页/共90页862钢筋混凝土盖板的计算 预先拟定盖板厚度，而后进行配筋计算；如墩身全部位于井孔内，应验算盖板剪应力和井壁支承压力；如墩身较大，只需进行进壁压应力验算。第86页/共90页87三、浮运沉井的计算要点（一）浮运沉井稳定性验算计算浮心位置 重心位置的计算 定倾半径的计算 稳定必要条件（二）浮运沉井露出水面最小高度的验算 第87页/共90页88内容小结桩基础不便施工沉井基础基本概念、适用条件沉井类型构造沉井分类及特点沉井施工施工顺序和特点 沉井设计与计算作为整体深基础的计算 施工过程中的结构强度计算 浮运沉井的计算 第88页/共90页89本章结束第89页/共90页90感谢您的观看！第90页/共90页