长沙理工大学：《基础工程》课程电子教案（讲义）第五章沉井基础及地下连续墙.doc_大学文库

0J0 图7-2沉并剖面图 (调柱形；B)外壁单阶形，)外壁多卧禅形，()内壁多阶構形圆柱形、阶梯形及锥形等，如图42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4一3所示。 1.并型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利何载组合（水土压力时顺利下沉到设计标高。，记井能在自井壁厚度一般为042 度，再进行强度验算。对于薄壁沉井，应采用触变泥浆润滑套、壁外射高压空气等措施，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.脚图7-3沉井构造图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 4所。脚的式样及根据沉井下沉时所穿起上层的软和刀力大小决定沉并重窄些，有时甚至要用角钢的面要宽些。相反，沉并轻，又要穿过硬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，又把整个沉并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。内隔墙因不承受水士压力，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培或纵横隔墙或纵横框架形成的格子称作井孔，并孔尺寸应满足工艺要 6.射水笔穿过的下生困难时，可在井壁中预埋射水 -般不小于600kPa 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

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）（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25~50kP),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。泥浆润套的包括：射口挡板地表围圈要身补浆，勤观测，发及时纠正当沉井沉到设计标高时力较果一般差（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，沿并壁外缘埋设。每层水平环管可按四角分为四个区，以便分别压气调整水压刀的2.3侣后压士对家多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并作为体药的韩大服定条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： 2.2.不考虑基础与土之间的粘者力和摩阻力 3.3.沉井基础的刚度与士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A为 A=Ne+Ⅲ_ΣM 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Z 深度处的A点转动一“角，地面下深度Z处深井基础产生的水平位移△，和土的横向抗力© :分别为 △x=(Z。-Z)gm σ=△.·C.=C.(Z。-Z)gw 式中：Z 转动中小心，A离地面的距离 C二深度乙处水平向的地基系数 C=mZ(kNWm)m为地基比例系数 (kNWm)。将C:值代入得 o=mZZ。-Z)tg0 从式中可见，土的横各抗力沿深度为二次抛物线变基础底面处的压应力，考虑到该水平面上

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： 1．1．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； 2．2．不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力； 3．3．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 H M H Ne Hl  = +  = 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σ zx分别为 x = (Z0 − Z)tg  zx = x Cz = Cz (Z0 − Z)tg 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  zx = mZ(Z0 − Z)tg 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

) 2 ) 2 (45 2 (45 2   =  + + +   Pa Ztg ctg 代入得 ( ) cos 4 Ztg c zx    +   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 3 h Z = 和 Z=h 处，将考虑的这些值代入便有下列不等式 ) 3 ( cos 4 1 2 3 tg c h x h   +      ) 3 ( cos 4 1 2 tg c h hx    +      式中 x h 3  ——相应于 3 h Z = 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 M Mg 2 = 1− 0.8 。 3．墩台顶面水平位移验算   0.5 L(cm) 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）（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 T Q K = ＞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， ihiui T =  f ，其中 i h 、 i u 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

4 1 4 4 1 0.05 0.1 h L L a k + = (a  1.0) 刃脚框架作用的分配系数为 4 2 4 4 h 0.05L h k k +  = 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）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 pe w pe w pe w hk ( ) 2 1 + 2 + 2 3 + 3 = + 式中： 2 w2 pe + ——作用在刃脚根部处的土压力及水压力强度之和； 2 w2 pe + ——刃脚底面处的土压力及水压力强度之和。 hk ——刃脚高度。 pe +w——力的作用点（离刃脚根部的距离）为 3 3 2 2 2 2 3 3 2 3 e w e w k e w e w p p p p h t + + + + + + =  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 ) 2 (45 2  ei = ihi tg − 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 T hk =  1 或 T1 = 0.5E 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 ( ) 2 1 3 2 E h e e = k + 。 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 ' R = q −T 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 )] 3 ( 2 [ 1 2 2 1 1 1 b v a a v R x = + + 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

R a b a b a R v a a 1 2 1 2 1 1 1 1 2 2 2 + = + =  = R a b b v 1 2 2 2 2 + = ( ) = 2  − 2 H v tg 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 hk k a g    + = 2 1 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 6( ) 2 1 2 2 1 1 1 a a a x + + − =    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）（1）单孔矩形框架 A 点处的弯矩 2 2 ( 2 2 1) 24 1 M A= − K + K + pb B 点处的弯矩 2 2 ( 1) 12 1 M B = − K − K + pb C 点处的弯矩 2 2 ( 2 2) 24 1 M C= K + K − pb 轴向力

长沙理工大学：《基础工程》课程电子教案（讲义）第五章 沉井基础及地下连续墙

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