长安大学基础工程第五章 沉井基础及地下连续墙.docx

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长安大学基础工程第五章沉井基础及地下连续墙

第五章沉井基础及地下连续墙

第一节概述

沉井基础的定义：

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。

沉井基础的特点：

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，沉井的施工技术和施工机械都有很大改进。

沉井基础的典型施工方法：

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

沉井基础的使用范围：

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。

第二节沉井的类型和构造

一、沉井分类

按材料分类：

混凝土、钢筋混凝土、钢、砖、石、木等

按平面形状分类：

圆形、方形、矩形、椭圆形、圆端形、多边形及多孔井字形等，如图4－l所示。

按竖向剖面形状分类：

圆柱形、阶梯形及锥形等，如图4-2所示。

二、沉井构造

井壁（侧壁）、刃脚、内隔墙、井孔、封底和顶盖板等组成，如图4－3所示。

1．井壁

井壁是沉井的主要部分，应有足够的厚度与强度，以承受在下沉过程中各种最不利荷载组合（水土压力）所产生的内力，同时要有足够的重量，使沉井能在自重作用下顺利下沉到设计标高。

设计时通常先假定井壁厚度，再进行强度验算。

井壁厚度一般为0.4~1.2m左右。

对于薄壁沉井，应采用触变泥浆润滑套、壁外喷射高压空气等措施，以降低沉井下沉时的摩阻力，达到减薄井壁厚度的目的。

但对于这种薄壁沉井的抗浮问题，应谨慎核算，并采取适当、有效的措施。

2．刃脚

井壁最下端一般都做成刀刃状的“刃脚”。

其主要功用是减少下沉阻力。

刃脚还应具有一定的强度，以免在下沉过程中损坏。

刃脚底的水平面称为踏面，如图4-4所示。

刃脚的式样应根据沉井下沉时所穿越土层的软硬程度和刃脚单位长度上的反力大小决定，沉井重、土质软时，踏面要宽些。

相反，沉'井轻，又要穿过硬土层时，踏面要窄些，有时甚至要用角钢加固的钢刃脚。

3．内隔墙

根据使用和结构上的需要，在沉井井筒内设置内隔墙。

内隔墙的主要作用是增加沉井在下沉过程中的刚度，减小井壁受力计算跨度。

同时，又把整个沉井分隔成多个施工井孔（取土井），使挖土和下沉可以较均衡地进行，也便于沉井偏斜时的纠偏。

内隔墙因不承受水土压力，所以，其厚度较沉井外壁要薄一些。

5．井孔

沉井内设置的内隔墙或纵横隔墙或纵横框架形成的格子称作井孔，井孔尺寸应满足工艺要求。

6．射水管

当沉井下沉深度大，穿过的土质又较好，估计下沉会产生困难时，可在井壁中预埋射水管组。

射水管应均匀布置，以利于控制水压和水量来调整下沉方向。

一般不小于600kPa。

如使用触变泥浆润滑套施工方法时，应有预埋的压射泥浆管路。

7．封底及顶盖

当沉井下沉到设计标高，经过技术检验并对井底清理整平后，即可封底，以防止地下水渗入井内。

为了使封底混凝土和底板与井壁间有更好的联结，以传递基底反力，使沉井成为空间结构受力体系，常于刃脚上方井壁内侧预留凹槽，以便在该处浇筑钢筋混凝土底板和楼板及井内结构。

凹槽的高度应根据底板厚度决定，主要为传递底板反力而采取的构造措施。

凹槽底面一般距刃脚踏面2.5m左右。

槽高约1.0m，接近于封底混凝土的厚度，以保证封底工作顺利进行。

凹人深度c约为150~250mm。

第三节沉井的施工

沉井基础施工一般可分为旱地施工、水中筑岛施工及浮运沉井施工三种，现分别简介如下：

一、旱地上沉井的施工

桥梁墩台位于旱地时，沉井可就地制造、挖土下沉、封底、充填井孔以及浇筑顶板。

在这种情况下，一般较容易施工，工序如下：

（一）整平场地

（二）制造第一节沉井

（三）拆模及抽垫

（四）挖土下沉

（五）接高沉井

（六）筑井顶围堰

（七）地基检验和处理

（八）封底、充填井孔及浇筑顶盖

二、水中沉井的施工

（一）筑岛法

（二）浮运沉井施工

三、沉井下沉过程中遇到的问题及处理

（一）沉井发生倾斜和偏移

偏斜主要原因：

土岛表面松软，使沉井下沉不均，河底土质软硬不匀；挖土不对称；井内发生流砂，沉井突然下沉，刃脚遇到障碍物顶住而未及时发现；并内挖除的土堆压在沉井外一侧，沉井受压偏移或水流将沉井一侧土冲空等。

沉井发生倾斜纠正方法：

在沉井高的一侧集中挖土；在低的一侧回填砂石；在沉井高的一侧加重物或用高压身水冲松土层；必要时可在沉井顶面施加水平力扶正。

沉井发生偏移纠正方法：

纠正沉井中心位置发生偏移的方法是先使沉井倾斜，然后均匀除土，使沉井底中心线下沉至设计中心线后，再进行纠偏。

（二）沉井下沉困难

增加沉井自重

减小沉井外壁的摩阻力

四、泥浆润滑套与壁后压气沉井施工法

（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。

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%（泥浆的性能指标以及检测方洁可参见有关施工技术手册）。

这种泥浆对沉井壁起润滑作用，它与井壁间摩阻力仅3～5kPa大大降低了井壁摩阻力（一般粘性土对井壁摩阻力为25～50kPa），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。

泥浆润滑套的构造主要包括：

射口挡板，地表围圈及压浆管。

沉井下沉过程中要勤补浆，勤观测，发现倾斜、漏浆等问题要及时纠正。

当沉井沉到设计标高时，若基底为一般土质，因井壁摩阻力较小，会形成边清基边下沉的现象，为此，应压入水泥砂浆换置泥浆，以增大井壁的摩阻力。

另外，在卵石、砾石层中采用泥浆润滑套效果一般较差。

（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。

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。

与泥浆润滑套相比，壁后压气沉井法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

沉井作为整体深基础时的基本假定条件：

1．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；

2．不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力；

3．沉井基础的刚度与土的刚度之比可认为是无限大。

（一）非岩石地基上沉井基础的计算

沉井基础受到水平力H及偏心竖向力N作用时，为了讨论方便，可以把这些外力转变为中心荷载和水平力的共同作用，转变后的水平力H距离基底的作用高度λ为

先讨论沉井在水平力H作用下的情况。

由于水平力的作用，沉井将围绕位于地面下Z0深度处的A点转动一ω角，地面下深度Z处深井基础产生的水平位移Δx和土的横向抗力σzx分别为

式中：

Z0——转动中心A离地面的距离；

Cz——深度Z处水平向的地基系数，Cz=mZ0（kN/m3）m为地基比例系数

（kN/m4）。

将Cz值代入得

从式中可见，土的横各抗力沿深度为二次抛物线变化

基础底面处的压应力，考虑到该水平面上的竖向地基系数C0不变，故其压应力图形与基础竖向位移图相似。

故

式中C0（见桩基础）不得小于10m0，d为基底宽度或直径。

在上述三个公式中，有两个未知数Z0和ω，要求解其值，可建立两个平衡方程式，即

ΣX=0

ΣX=0

式中b1为基础计算宽度，按第四章中“m法”计算，W为基底的截面模量。

对上二式进行联立解，可得

式中：

，β为深度h处沉井侧面的水平向地基系数与沉井底面的竖向

地基系数的比值，其中m、m0按第三章有关规定采用；

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

式中A0为基础底面积。

离地面或最大冲刷线以下Z深度处基础截面上的弯矩，为

（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。

当基础有水平力H作用时，地面下Z深度处产生的水平位移ΔX和土的横向抗力σzx分别为

ΔX=（h-Z）tgω

σzx=Mzδx=Mz（h-Z）tgω

基底边缘处的竖向应力为

上述公式中只有一个未知数ω，故只需建立一个弯矩平衡方程便可解出ω值。

∑MA=0

解上式得

式中

将tgω代入得

基底边缘处的应力为

根据∑x=0，可以求出嵌入处未知的水平阻力P

地面以下Z深度处基础截面上的变矩为

（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δ，它由地面处的水平位移Z0tgω，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δ2，三部分组成。

或对支承在岩石地基上的墩台顶面水平位移为

（四）验算

1．基底应力验算

σmax≤[σ]h

2．横向抗力验算

σzx≤Pp—Pa

由朗金土压力理论可知

代入得

式中γ为土的容重，φ和C分别为土的内摩擦角和粘聚力。

考虑到桥梁结构性质和荷载情况，并根据试验知道出现最大的横向抗力大致在

和Z=h处，将考虑的这些值代入便有下列不等式

式中

——相应于

深度处的土横向抗力；

σhx——相应于Z=h深度处的土横向抗力，h基础的埋置深度；

η1——取决于上部结构形式的系数，一般取η1=1，对于拱桥η1=0.7；

η2——考虑恒载对基础重心所产生的变矩Mg在总弯矩M中所占百分比的系数，

即

。

3．墩台顶面水平位移验算

式中L为相邻跨中最小跨的跨度（m），当跨度L＜25m时，L按25m计算。

二、沉井施工过程中的结构强度计算

沉井结构在施工过程中主要进行下列验算。

（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

＞1

式中：

K——下沉系数，应根据土类别及施工条件取大于1的数值；

Q——沉井自重（kN）；

T——土对井壁的总摩阻力，

，其中

、

为沉井穿过第i层土的

厚度（m）和该段沉井的周长（m），fi为第i层土对井壁单位面积的摩阻

力，其值应根据试验确定。

当不能满足上式要求时，可选择下列措施直至满足要求：

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。

（二）第二节（底节）沉井的竖向挠曲验算

1．排水挖土下沉

2．不排水挖土下沉

（三）沉井刃脚受力计算

刃脚悬臂作用的分配系数为

刃脚框架作用的分配系数为

式中：

L1——支承于隔墙间的井壁最大计算跨度；

L2——支承于隔墙间的井壁最小计算跨度；

hk——刃脚斜面部分的高度。

1．刃脚竖向受力分析

刃脚竖向受力情况一般截取单位宽度井壁来分析，把刃脚视为固定在井壁上的悬臂梁，梁的跨度即为刃脚高度。

由内力分析有下述两种情况。

（1）刃脚向外挠曲的内力计算

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

式中：

——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。

hk——刃脚高度。

——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可按朗金主动土压办公式计算，即

式中：

γi为hi高度范围内土的平均容重，在水位以下应考虑浮力，hi为计算位置至地面的距离。

水压力wi的计算为wi=γwhwi，其中γw为水的容重，hwi为计算位置至水面的距离。

2）作用在刃脚外侧单位宽度上的摩阻力Ti可按下列二式计算，并取其较小者

或

式中：

τ——土与井壁间单位面积上的摩阻力；

hk——刃脚高度；

E——刃脚外侧总的主动土压力，即

。

3）刃脚下抵抗力的计算。

刃脚下竖向反力R（取单位宽度）可按下式计算

式中：

q为沿井壁周长单位宽度上沉井的自重，在水下部分应考虑水的浮力；

T’为沉井入土部分单位宽度上的摩阻力。

R=v1+v2

R的作用点距井壁外侧的距离为

式中：

b2为刃脚内侧入土斜面在水平面上的投影长度。

根据力的平衡条件，可知

其中δ2为土与刃脚斜面间的外摩擦角，一般定为30°，刃脚斜面上水平反力H作用点离刃脚底面1/3m。

4）刃脚（单位宽度）自重g为

式中：

λ——井壁厚度；

λk——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

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

式中：

MR、MH、Me+w、MT、Mg分别为反力R、土压力及水压力pe+w、横向力H、刃脚底部的外侧摩阻力T1以及刃脚自重g对刃脚根部中心轴的弯矩，其中作用在刃脚部分的各水平力均应按规定考虑分配系数a。

上述各式数值的正负号视具体情况而定。

根据M0、N0及Q值就可验算刃脚根部应力并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）。

（2）刃脚向内挠曲的内力计算

计算刃脚向内挠曲的最不利情况是沉井已下沉至设计标高，刃脚下的土已挖空而尚未浇筑封底混凝土，这时，将刃脚作为根部固定在井壁的悬臂梁，计算最大的向内弯矩。

2．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应乘以分配系数式β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。

根据常用沉井水平框架的平面形式，现列出其内力计算式，以供设计时参考。

（1）单孔矩形框架

A点处的弯矩

B点处的弯矩

C点处的弯矩

轴向力

式中：

K=a/b，a为短边长度，b为长边长度。

（2）单孔圆端形

（3）双孔矩形

（4）双孔圆端形

（5）圆形沉井

（四）井壁受力计算

1．井壁竖向拉应力验算

沉井在下沉过程中，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。

拉应力的大小与井壁摩阻力分布图有关，在判断可能夹住沉井的土层不明显时，可近似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。

该沉井自重为G，h为沉井的入土深度，U为井壁的周长，τ为地面处井壁上的摩阻力，τx为距刃脚底x处的摩阻力

由于

离刃脚底x处井壁的拉力为Sx，其值为

为求得最大拉应力令

2．井壁横向受力计算

（五）混凝土封底及顶盖的计算

1．封底混凝土计算

封底混凝土厚度，可按下列两种方法计算并取其控制者。

（1）封底混凝土视为支承在凹槽或隔墙底面和刃脚上的底板，按周边支承的双向板（矩形或圆端形沉井）或圆板（圆形沉井）计算：

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计算变矩（kN·m），按支承条件考虑的荷

载系数可由结构设计手册查取；

——混凝土弯曲抗拉极限强度；

γsi——荷载安全系数，此处γsi=1.1；

γm——材料安全系数，此处γm=2.31；

b——计算宽度，此处取1m。

有时为简单初步估算也可采用式

（2）封底混凝土按受剪计算，即计算封底混凝土承受基底反力后是否有沿井孔范围内周边剪断的可能性。

若剪应力超过其抗剪强度则应加大封底混凝土的抗剪面积。

2．钢筋混凝土盖板的计算

三、浮运沉井的计算要点

（一）浮运沉井稳定性验算

1．计算浮心位置

式中：

V0为沉井底板以上部分排水体积；A0为沉井吃水的截面积，对圆端形沉井

其中d为圆端形直径或沉井的宽度；L为沉井矩形部分的长度。

浮心的位置，以刃脚底面起算为h3+Y1时，Y1可由下式求得

式中：

M1为各排水体积（沉井底板以上部分排水体积V0、刃脚体积V1、底板下隔墙

体积V2）对其中心到刃脚底距离的乘积。

如各部分的乘积分别以M0、M2、M3表示则

式中：

h1——底板至刃脚底面的距离；

h3——隔墙底距刃脚踏面的距离；

h4——底板下的隔墙高度；

——底板下井壁的厚度；

λ1——隔墙厚度；

a1——隔墙底踏面的宽度；

a——刃脚踏面的宽度。

2．重心位置的计算

设重心位置O2离刃脚底面的距离为Y2，则

式中MⅡ为沉井各部分体积对其中心到刃脚底面距离的乘积，并假定了沉井圬工单位重相同。

令重心与浮心的高差为Y，则

3．定倾半径的计算

定倾半径ρ为定倾中心到浮心的距离，由下式计算

式中：

Ix-x为吃水截面积的惯性矩，对圆端形沉井而言其值为

对带气筒的浮运沉井，应根据气筒布置、各阶段气筒的使用、连通情况分别确定定倾半径ρ。

4．浮运沉井的稳定性应满足重心到浮心的距离小于定倾中心到浮心的距离，即

（二）浮运沉井露出水面最小高度的验算

式中：

γw为水的容重，取为10kN/m3。

在一般情况下不允许θ值大于6°。

沉井浮运时露出水面的最小高度h按下列式计算

式中：

H——浮运时沉井的高度；

f——浮运沉井发生最大的倾斜时，顶面露出水面的安全距离，其值为0.5～1.0m。

上式中用了dtgθ，d为圆端形的直径，即假定由于弯矩作用使沉井没入水中的深度为计算值

的两倍。

第五节沉井基础计算示例

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