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1、基础工程附动画第四章沉井基础 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望4-1 概述 第四章 沉井基础及地下连续墙第一节 概 述 沉井的应用己有很长的历史，它是由古老的掘井作业沉井的应用己有很长的历史，它是由古老的掘井作业发展而成的一种施工方法，用沉井法修筑的基础叫做沉井发展而成的一种施工方法，用沉井法修筑的基础叫做沉井基础，参见图基础，参见图4-1。图图 4-1沉井基础示意沉井基础示意a)沉井下沉沉井下沉;b)沉井基础沉井基础沉井的概念沉井的概念:是井筒状的
2、结构物。它是以井内挖土，依靠自身重力是井筒状的结构物。它是以井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。沉井的优点：沉井的优点：埋置深度可以很大，整体性强、稳定性好，有较大的埋置深度可以很大，整体性强、稳定性好，有较大的承载面积，能承受较大的垂直荷载和水平荷载；承载面积，能承受较大的垂直荷载和水平荷载；沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡土围堰结构物，沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡土围堰结构物，施工工艺并不复杂。施工工艺
3、并不复杂。沉井施工时对邻近建筑物尤其是软土中地下建筑物的沉井施工时对邻近建筑物尤其是软土中地下建筑物的基础影响小。基础影响小。4-1 概述 第四章 沉井基础及地下连续墙沉井的缺点：沉井的缺点：施工期较长；施工期较长；对粉细砂类土在井内抽水易发生流砂现象，造成沉井倾对粉细砂类土在井内抽水易发生流砂现象，造成沉井倾斜；斜；沉井下沉过程中遇到的大孤石、树干或井底岩层表面倾沉井下沉过程中遇到的大孤石、树干或井底岩层表面倾斜过大，均会给施工带来一定困难。斜过大，均会给施工带来一定困难。4-1 概述 第四章 沉井基础及地下连续墙沉井沉井4-1 概述 第四章 沉井基础及地下连续墙 根据经济合理、施工上可能的
4、原则，一般在下列情况，根据经济合理、施工上可能的原则，一般在下列情况，可以采用沉井基础：可以采用沉井基础：1.上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力不足，做上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力不足，做扩大基础开挖工作量大，以及支撑困难，但在一定深度下有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，采用沉井基础与其他深基础相比较，经济上较好的持力层，采用沉井基础与其他深基础相比较，经济上较为合理的；为合理的；2.在山区河流中，虽然土质较好，但冲刷大，或河中有在山区河流中，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；较大卵石不便桩基础施工时；3.岩层表面较平坦且覆
5、盖层薄，但河水较深；采用扩大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。基础施工围堰有困难时。4-1 概述 第四章 沉井基础及地下连续墙第二节 沉井的类型和构造 一、沉井的分类 按沉井的施工方法分类按沉井的施工方法分类 一般沉井一般沉井 浮运沉井浮运沉井4-2 沉井的类型和构造 第四章 沉井基础及地下连续墙按沉井的建筑材料分类按沉井的建筑材料分类 混凝土沉井混凝土沉井 钢筋混凝土沉井钢筋混凝土沉井 竹筋混凝土沉井竹筋混凝土沉井 按沉井形状分类按沉井形状分类 圆形圆形圆端形圆端形矩形矩形沉井的平面形状沉井的平面形状4-2 沉井的类型和构造 第四章 沉井基础及地下连续墙沉井
6、的立面形状沉井的立面形状 柱形柱形 阶梯形阶梯形锥形锥形 4-2 沉井的类型和构造 第四章 沉井基础及地下连续墙图图4-3 沉井的平面形状沉井的平面形状 a)单孔沉井；单孔沉井；b)双孔沉井；双孔沉井；c)多孔沉井多孔沉井4-2 沉井的类型和构造 第四章 沉井基础及地下连续墙图图 4-4 沉井剖面图沉井剖面图a）直壁柱型；）直壁柱型；b）外壁单阶型；）外壁单阶型；c）外壁多阶型；）外壁多阶型；d）内壁多阶型）内壁多阶型二、沉井基础的构造(一)沉井的轮廓尺寸 沉井的平面形状：沉井的平面形状：决定于墩决定于墩(台台)底部的形状。对矩形或圆端形墩，可采底部的形状。对矩形或圆端形墩，可采用相应形状的沉
7、井，当墩的长宽比较为接近时，可采用方用相应形状的沉井，当墩的长宽比较为接近时，可采用方形或圆形沉井。形或圆形沉井。沉井顶面尺寸为墩沉井顶面尺寸为墩(台台)身底部尺寸加襟边宽度。身底部尺寸加襟边宽度。4-2 沉井的类型和构造 第四章 沉井基础及地下连续墙沉井的入土深度：沉井的入土深度：根据上部结构、水文地质条件及各土层的承载力等确根据上部结构、水文地质条件及各土层的承载力等确定。定。(二)沉井的一般构造 一般沉井构造上主要由一般沉井构造上主要由井壁、刃脚、隔墙、井孔、井壁、刃脚、隔墙、井孔、凹槽、射水管、封底和盖凹槽、射水管、封底和盖板板等组成。等组成。4-2 沉井的类型和构造 第四章 沉井基础
8、及地下连续墙图图4-5 沉井构造图沉井构造图(三)浮运沉井的构造 1.不带气筒的浮运沉井不带气筒的浮运沉井 不带气筒的浮式沉井适应于水深较浅、流速不大、河不带气筒的浮式沉井适应于水深较浅、流速不大、河床较平、冲刷较小的自然条件。一般在岸边制造，通过滑床较平、冲刷较小的自然条件。一般在岸边制造，通过滑道拖拉下水，浮运到墩位，再接高下沉到河床。这种沉井道拖拉下水，浮运到墩位，再接高下沉到河床。这种沉井可用钢、木、钢筋混凝土、钢丝网及水泥等材料组合。可用钢、木、钢筋混凝土、钢丝网及水泥等材料组合。钢丝网水泥薄壁沉井钢丝网水泥薄壁沉井是由内、外壁组成的空心井壁沉是由内、外壁组成的空心井壁沉井，这是制造
9、浮运沉井较好的方法，具有施工方便、节省井，这是制造浮运沉井较好的方法，具有施工方便、节省钢材等优点。沉井的内壁、外壁及横隔板都是钢筋钢丝网钢材等优点。沉井的内壁、外壁及横隔板都是钢筋钢丝网水泥制成。做法是将若干层钢丝网均匀地铺设在钢筋网的水泥制成。做法是将若干层钢丝网均匀地铺设在钢筋网的两侧，外面涂抹不低于两侧，外面涂抹不低于M5的水泥砂浆，使它充满钢筋网的水泥砂浆，使它充满钢筋网和钢丝网之间的间隙并形成厚和钢丝网之间的间隙并形成厚13mm的保护层。的保护层。4-2 沉井的类型和构造 第四章 沉井基础及地下连续墙2.带钢气筒的浮运沉井带钢气筒的浮运沉井 4-2 沉井的类型和构造 第四章 沉井基
10、础及地下连续墙图图4-8 带钢气筒的浮运沉井带钢气筒的浮运沉井 带钢气筒的浮运带钢气筒的浮运沉井适用于水深流急沉井适用于水深流急的巨型沉井。它主要的巨型沉井。它主要由由双壁的沉井底节、双壁的沉井底节、单壁钢壳、钢气筒等单壁钢壳、钢气筒等组成。组成。(四)组合式沉井 定义：定义：当采用低桩承台而围水挖基浇筑承台有困难时；当沉当采用低桩承台而围水挖基浇筑承台有困难时；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可采用上面是沉井下面是桩基的混合式基均而水深较大时可采用上面是沉井下面是桩基的混合式基础，或称组合式沉井。础，或称组
11、合式沉井。施工时按设计尺寸做成沉井，下沉到预定标高后，进施工时按设计尺寸做成沉井，下沉到预定标高后，进行浇筑封底混凝土和承台，在井内其上预留孔位钻孔灌注行浇筑封底混凝土和承台，在井内其上预留孔位钻孔灌注成桩。成桩。这种混合式沉井既有围水挡土作用，又作为钻孔桩的这种混合式沉井既有围水挡土作用，又作为钻孔桩的护筒，还作为桩基的承台护筒，还作为桩基的承台 4-2 沉井的类型和构造 第四章 沉井基础及地下连续墙第三节 沉井的施工 沉井基础施工一般可分为沉井基础施工一般可分为旱地施工、水中筑岛施工及浮旱地施工、水中筑岛施工及浮运沉井运沉井施工三种。施工三种。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续
12、墙一、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。底、充填井孔以及浇筑顶板。a)制作第一节沉井制作第一节沉井;b)抽垫木、挖土下沉抽垫木、挖土下沉;c)沉井接高下沉沉井接高下沉;d)封底封底图图4-9 沉井施工顺序示意沉井施工顺序示意1.1.整平场地整平场地 如天然地面土质较好，只需将地面杂物清掉整平地面，如天然地面土质较好，只需将地面杂物清掉整平地面，就可在其上制造沉井，如为了减小沉井的下沉深度也可在就可在其上制造沉井，如为了减小沉井的下沉深度也可在基础位置处挖一浅坑，在坑底制造沉井下沉，坑底应高
13、出基础位置处挖一浅坑，在坑底制造沉井下沉，坑底应高出地下水位地下水位0.51.0m 。如土质松软，应整平夯实或换土夯实。如土质松软，应整平夯实或换土夯实。在一般情况下，应在整平场地上铺上不小于在一般情况下，应在整平场地上铺上不小于0.5m厚的砂或厚的砂或砂砾层。砂砾层。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙2.制造第一节沉井制造第一节沉井 制制造造沉沉井井前前，应应先先在在刃刃脚脚处处对对称称铺铺满满垫垫木木（图图4-10），以以支支承承第第一一节节沉沉井井的的重重量量，并并按按垫垫木木定定位位立立模模板板以以绑绑扎扎钢钢筋筋。然然后后在在刃刃脚脚位位置置处处放放上上刃刃脚脚角角钢钢
14、，竖竖立立内内模模（图图4-11），绑绑扎扎钢钢筋，再立外模浇筑第一节沉井。筋，再立外模浇筑第一节沉井。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙图图 4-10 垫木布置实例垫木布置实例图图4-11 沉井刃脚立模沉井刃脚立模1-内模；内模；2-外模；外模；3-立柱；立柱；4-角钢；角钢；4-垫木；垫木；6-砂垫层砂垫层3.拆模及抽垫拆模及抽垫 当沉井混凝土强度达设计强度当沉井混凝土强度达设计强度70时可拆除模板，达设时可拆除模板，达设计强度后方可抽撤垫木。抽撤垫木应分区、依次、对称、同计强度后方可抽撤垫木。抽撤垫木应分区、依次、对称、同步地向沉井外抽出。其顺序为：先内壁下，再短边，再长边
15、，步地向沉井外抽出。其顺序为：先内壁下，再短边，再长边，最后定位垫木。长边下垫木隔一根抽一根，以固定垫木为中最后定位垫木。长边下垫木隔一根抽一根，以固定垫木为中心，由远而近对称地抽，最后抽除固定垫木，并随抽随用砂心，由远而近对称地抽，最后抽除固定垫木，并随抽随用砂土回填捣实，以免沉井开裂、移动或偏斜。土回填捣实，以免沉井开裂、移动或偏斜。原则：原则：分区、依次、对称、同步。分区、依次、对称、同步。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙4.挖土下沉挖土下沉 沉井下沉施工可分为沉井下沉施工可分为排水下沉和不排水下沉排水下沉和不排水下沉。排水下沉：排水下沉：当沉井穿过的土层较稳定，不会因排
16、水而当沉井穿过的土层较稳定，不会因排水而产生大量流砂时，可采用排水下沉。它适用于土层渗水量产生大量流砂时，可采用排水下沉。它适用于土层渗水量不大且排水时不会产生涌土或流砂的情况；人工挖土可使不大且排水时不会产生涌土或流砂的情况；人工挖土可使沉井均匀下沉和清除井下障碍物，但应保证施工安全。排沉井均匀下沉和清除井下障碍物，但应保证施工安全。排水下沉时，有时也用机械除土。水下沉时，有时也用机械除土。不排水下沉：不排水下沉：一般都采用机械除土，挖土工具可以是一般都采用机械除土，挖土工具可以是抓土斗或水力吸泥机，如土质较硬，水力吸泥机需配以水抓土斗或水力吸泥机，如土质较硬，水力吸泥机需配以水枪射水将土冲
17、松。由于吸泥机是将水和土一起吸出井外，枪射水将土冲松。由于吸泥机是将水和土一起吸出井外，故需经常向井内加水维持井内水位高出井外水位故需经常向井内加水维持井内水位高出井外水位12m，以免发生涌土或流砂现象。以免发生涌土或流砂现象。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙5.接高沉井接高沉井 第一节沉井顶面下沉至距地面还剩第一节沉井顶面下沉至距地面还剩1m2m时，应停止时，应停止挖土，接筑第二节沉井。接筑前应使第一节沉井位置正直，挖土，接筑第二节沉井。接筑前应使第一节沉井位置正直，凿毛顶面，然后立模浇筑混凝土。待混凝土强度达设计要求凿毛顶面，然后立模浇筑混凝土。待混凝土强度达设计要求后，再
18、拆模继续挖土下沉。后，再拆模继续挖土下沉。6.筑井顶围墙筑井顶围墙 如沉井顶面低于地面或水面，应在沉井上接筑围堰，如沉井顶面低于地面或水面，应在沉井上接筑围堰，围堰的平面尺寸略小于沉井，其下端与井顶上预埋锚杆相围堰的平面尺寸略小于沉井，其下端与井顶上预埋锚杆相连。围堰是临时性的，待墩台身出水后可拆除。连。围堰是临时性的，待墩台身出水后可拆除。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙7.地基检验和处理地基检验和处理 基底检验：基底检验：检验内容是地基土质是否和设计相符，是否平整，并检验内容是地基土质是否和设计相符，是否平整，并对地基进行必要的处理。对地基进行必要的处理。基底处理：基底处理
19、：砂性土或粘性土地基，一般可在井底铺一层砾石或碎砂性土或粘性土地基，一般可在井底铺一层砾石或碎石至刃脚底面以上石至刃脚底面以上200mm。未风化岩石地基，应凿除风化。未风化岩石地基，应凿除风化岩层，若岩层倾斜，还应凿成阶梯形。要确保井底地基尽岩层，若岩层倾斜，还应凿成阶梯形。要确保井底地基尽量平整，浮土、软土清除干净，以保证封底混凝土、沉井量平整，浮土、软土清除干净，以保证封底混凝土、沉井与地基结合紧密。与地基结合紧密。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙8.封底、充填井孔及浇筑顶盖封底、充填井孔及浇筑顶盖 地基经检验及处理合乎要求后，应立即进行封底。如封地基经检验及处理合乎要求后
20、，应立即进行封底。如封底是在不排水情况下进行，则可用导管法灌注水下混凝土底是在不排水情况下进行，则可用导管法灌注水下混凝土(见见钻孔灌注桩施工钻孔灌注桩施工)，若灌注面积大，可用多根导管，以先周围，若灌注面积大，可用多根导管，以先周围后中间，先低后高的次序进行灌注。待混凝土达设计强度后，后中间，先低后高的次序进行灌注。待混凝土达设计强度后，再抽干井孔中的水，填筑井内圬土。如井孔中不填料或仅填再抽干井孔中的水，填筑井内圬土。如井孔中不填料或仅填以砾石，则井顶面应浇筑钢筋混凝土顶盖，以支承墩台，然以砾石，则井顶面应浇筑钢筋混凝土顶盖，以支承墩台，然后砌筑墩身，墩身出土后砌筑墩身，墩身出土(或水面或
21、水面)后可拆除临时性的井顶围堰。后可拆除临时性的井顶围堰。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙沉井施工过程动画演示沉井施工过程动画演示14-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙沉井施工过程动画演示沉井施工过程动画演示2二、水中沉井的施工（一）筑岛法（一）筑岛法 当水深小于当水深小于3m，流速，流速1.5m/s时，可采用砂或砾石在水中时，可采用砂或砾石在水中筑岛筑岛(图图4-12 a），周围用草袋围护；若水深或流速加大，可），周围用草袋围护；若水深或流速加大，可采用围堤防护筑岛采用围堤防护筑岛 图图4-12b）；当水深较大（通常
22、；当水深较大（通常15m）或流速较大时，宜采用钢板桩围堰筑岛或流速较大时，宜采用钢板桩围堰筑岛(图图4-12c）。）。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙图图 4-12 水中筑岛下沉沉井水中筑岛下沉沉井a)无围堰防护土岛无围堰防护土岛;b)有围堰防护土岛有围堰防护土岛;c)围堰筑岛围堰筑岛2.浮运沉井施工浮运沉井施工 水深较大，如超过水深较大，如超过10m时，筑岛法很不经济，且施工也困时，筑岛法很不经济，且施工也困难，可改用浮运法施工。沉井在岸边做成，利用在岸边铺成难，可改用浮运法施工。沉井在岸边做成，利用在岸边铺成的滑道滑入水中，然后用绳索引到设计墩位。的滑道滑入水中，然后用绳索
23、引到设计墩位。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙（二）浮运沉井施工（二）浮运沉井施工图图 4-13 浮运沉井下水示意浮运沉井下水示意三、泥浆润滑套与壁后压气沉井施工法（一）泥浆润滑套（一）泥浆润滑套 泥浆润滑套是借助泥浆泵和输送管道将特制的泥浆压入泥浆润滑套是借助泥浆泵和输送管道将特制的泥浆压入沉井外壁与土层之间，在沉井外围形成有一定厚度的泥浆层。沉井外壁与土层之间，在沉井外围形成有一定厚度的泥浆层。主要利用泥浆的润滑减阻，降低沉井下沉中的摩擦阻力。主要利用泥浆的润滑减阻，降低沉井下沉中的摩擦阻力。图图 4-14 射口挡板与压浆管构造射口挡板与压浆管构造a)射口挡板射口挡板;b)
24、外管法压浆管构造外管法压浆管构造4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙（二）壁后压气沉井法（二）壁后压气沉井法 它是通过对沿井壁内周围预埋的气管中喷射高压气流，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，形成一圈压气层气流沿喷气孔射出，再沿沉井外壁上升，形成一圈压气层(又又称空气幕称空气幕)，使井壁周围土松动，减少井壁摩阻力，促使沉井，使井壁周围土松动，减少井壁摩阻力，促使沉井顺利下沉。顺利下沉。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙与泥浆润滑套相比的优点：与泥浆润滑套相比的优点：壁后压气沉井法在停气后即可恢复土对井壁的摩阻力，壁后压
25、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。济效果好。在一般条件下较泥浆润滑套更为方便，它适用于细、粉在一般条件下较泥浆润滑套更为方便，它适用于细、粉砂类土和粘性土中。但设计方法和施工措施尚待积累更多的砂类土和粘性土中。但设计方法和施工措施尚待积累更多的资料。资料。四、沉井施工新方法简介 4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙 20世纪世纪90年代以来，在国外一些发达国家提出了年代以来，在国外一些发达国家提出了压沉法压沉法SS(Space System Caisson)法法
26、SOCS(Super Open Caisson System)自动化沉井等施自动化沉井等施工方法。工方法。五、沉井下沉过程中遇到的问题及处理 1.偏斜偏斜偏斜原因偏斜原因 ：土岛表面松软，河底土质软硬不匀；土岛表面松软，河底土质软硬不匀；井壁与刃脚中线不重合井壁与刃脚中线不重合 ；抽垫方法欠妥，回填不及时抽垫方法欠妥，回填不及时 ；除土不均匀对称除土不均匀对称 ；刃脚遇障碍物顶住而未及时发现；刃脚遇障碍物顶住而未及时发现；排土堆放不合理，或单侧受水流冲击淘空等导致沉井承受不排土堆放不合理，或单侧受水流冲击淘空等导致沉井承受不 对称外力作用对称外力作用 。发生倾斜的纠正方法：发生倾斜的纠正方法：
27、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射水冲松土层；在沉井高的一侧加重物或用高压射水冲松土层；在沉井顶面施加水平力扶正。在沉井顶面施加水平力扶正。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙2.沉井下沉困难沉井下沉困难 原因：原因：开挖面深度不够，正面阻力大；开挖面深度不够，正面阻力大；偏斜，或刃脚下遇到障碍物、坚硬岩层和土层；偏斜，或刃脚下遇到障碍物、坚硬岩层和土层；井壁摩阻力大于沉井自重；井壁摩阻力大于沉井自重；井壁无减阻措施或泥浆套、空气幕等减阻构件遭到破坏。井壁无减阻措施或泥浆套、空气幕等减阻构件遭到破坏
28、。解决下沉困难的措施主要是增加压重和减少井壁摩阻力解决下沉困难的措施主要是增加压重和减少井壁摩阻力 ,增加压重的方法增加压重的方法 ：提前接筑下节沉井；提前接筑下节沉井；在井顶加压砂袋、钢轨等重物；在井顶加压砂袋、钢轨等重物；不排水下沉时，可井内抽水。不排水下沉时，可井内抽水。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙减小井壁摩阻力的方法：减小井壁摩阻力的方法：4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙井壁内埋设高压射水管组，射水辅助下沉；井壁内埋设高压射水管组，射水辅助下沉；利用泥浆套或空气幕辅助下沉；利用泥浆套或空气幕辅助下沉；增大开挖范围和深度；增大开挖范围和深度；必要时还可
29、采用必要时还可采用0.1 0.2kg炸药起爆助沉。炸药起爆助沉。3.突沉突沉 原因：原因：井井壁壁摩摩阻阻力力较较小小，当当刃刃脚脚下下土土被被挖挖除除时时，沉沉井井支支承承削削弱；弱；排水过多；排水过多；挖土太深；挖土太深；出现塑流。出现塑流。防止突沉的措施：防止突沉的措施：控制均匀挖土，减小刃脚处挖土深度；控制均匀挖土，减小刃脚处挖土深度；在在设设计计时时可可采采用用增增大大刃刃脚脚踏踏面面宽宽度度或或增增设设底底梁梁的的措措施施提高刃脚阻力。提高刃脚阻力。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙4.流砂流砂 原因：原因：土中动水压力的水头梯度大于临界值。土中动水压力的水头梯度大于
30、临界值。防止流砂的措施防止流砂的措施 ：排水下沉时发生流砂，可采取向井内灌水；排水下沉时发生流砂，可采取向井内灌水；不排水除土下沉时，减小水头梯度；不排水除土下沉时，减小水头梯度；采用井点，或深井和深井泵降水。采用井点，或深井和深井泵降水。4-3 沉井的施工 第四章 沉井基础及地下连续墙第四节 沉井的设计与计算 沉井的设计与计算内容：包括沉井作为包括沉井作为整体深基础整体深基础计计算和施工过程中算和施工过程中沉井结构强度沉井结构强度计算。计算。4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙 沉井设计与计算前，必须掌握如下有关资料：上部或下部结构尺寸要求和设计荷载；上部或下部结构尺寸要求
31、和设计荷载；水文和地质资料水文和地质资料拟采用的施工方法。拟采用的施工方法。一、沉井作为整体深基础的设计与计算 设计程序：设计程序：沉井作为整体深基础设计主要是根据上部结沉井作为整体深基础设计主要是根据上部结构特点、荷载大小以及水文、地质情况，结合沉井的构造要构特点、荷载大小以及水文、地质情况，结合沉井的构造要求及施工方法，拟定出沉井的平面尺寸，埋置深度，然后进求及施工方法，拟定出沉井的平面尺寸，埋置深度，然后进行沉井基础的计算。行沉井基础的计算。4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙 沉井计算分为两种情况：沉井计算分为两种情况：沉井基础埋置深度在局部冲刷线以下仅数米时：可按浅
32、沉井基础埋置深度在局部冲刷线以下仅数米时：可按浅基础设计计算规定，不考虑沉井周围土体对沉井的约束作用，基础设计计算规定，不考虑沉井周围土体对沉井的约束作用，按浅基础设计计算。按浅基础设计计算。当沉井埋置较深时：需要考虑基础井壁外侧土体横向弹当沉井埋置较深时：需要考虑基础井壁外侧土体横向弹性抗力的影响按刚性桩计算内力和土抗力，同时应考虑井壁性抗力的影响按刚性桩计算内力和土抗力，同时应考虑井壁外侧接触面摩阻力，进行地基基础的承载力、变形和稳定性外侧接触面摩阻力，进行地基基础的承载力、变形和稳定性分析与验算。分析与验算。4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙沉井基底的地基强度验算应满
33、足：沉井基底的地基强度验算应满足：(4-1)沉井底部地基土总反力沉井底部地基土总反力Rj等于该处土的承载力容许值等于该处土的承载力容许值fa与支承面积与支承面积A的乘积，即的乘积，即 ：(4-2)沉井侧壁与土接触沉井侧壁与土接触面提供的抗力，可假定面提供的抗力，可假定井壁外侧与土的摩阻力井壁外侧与土的摩阻力沿深度呈梯形分布，距沿深度呈梯形分布，距地面地面5m范围内按三角范围内按三角形分布，形分布，5m以下为常以下为常数，如图数，如图4-18所示，故所示，故总摩阻力为：总摩阻力为：图图4-18 井侧摩阻力分布假定井侧摩阻力分布假定(4-3)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
34、随深度成正比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；例增加；2.不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力；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。沉井基础的刚度与土的刚度之比可认为是无限大。4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙 沉井基础作为整体深基础时，沉井深基础可以视为刚性桩沉井基础作为整体深基础时，沉井深基础可以视为刚性桩柱，即相当于柱，即相当于“m”法中刚性桩的条件，计算其内力和井壁外侧法中刚性桩的条件，计算其内力和井壁外侧土抗力。土抗力。沉井基础受到墩台水平力沉井基础受到墩台水平力H 及偏心竖向力及偏心竖向力N
35、作用时作用时 图图4-19a），为了计算方便，可以将上述外力简化为中心荷，为了计算方便，可以将上述外力简化为中心荷载载N和水平力和水平力H的共同作用，转变后的水平力的共同作用，转变后的水平力H距离基底的距离基底的作用高度作用高度 图图4-19b 为：为：4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙 (4-4)图图4-19 荷载作用情况荷载作用情况（一）非岩石地基上沉井基础计算 首先，考虑沉井在水平力首先，考虑沉井在水平力H 作作用下的情况。由于水平力的作用，用下的情况。由于水平力的作用，沉井将围绕位于地面下沉井将围绕位于地面下z0 深度处深度处A 点转动一点转动一 角（图角（图4-2
36、0），地面下），地面下深度深度z 处沉井基础产生的水平位移处沉井基础产生的水平位移x和土的横向抗力和土的横向抗力pzx分别为：分别为：4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙图图4-20 水平及竖直荷载作用下的水平及竖直荷载作用下的应力分布应力分布 将深度将深度z z处水平向地基系数代入上式处水平向地基系数代入上式pzx表达式，可以得到：表达式，可以得到：4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙 (4-5)由上式可见，沉井井壁外侧土的横向抗力沿深度为二由上式可见，沉井井壁外侧土的横向抗力沿深度为二次抛物线变化。次抛物线变化。沉井基础底面处的压应力计算，考虑基底水平面
37、上沉井基础底面处的压应力计算，考虑基底水平面上竖向地基系数竖向地基系数C0不变，故其压应力图形与基础竖向位移不变，故其压应力图形与基础竖向位移图相似，有：图相似，有：(4-6)在上述公式中，有两个未知数在上述公式中，有两个未知数z0和和求解，可建立如下两求解，可建立如下两个平衡方程式。个平衡方程式。X=0，可以得到：，可以得到：4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙，可以得到：可以得到：对以上二式联立求解，可得对以上二式联立求解，可得 ：或或将上述将上述z0和和tan 表达式代入式（表达式代入式（4-5）和式（）和式（4-6），得到：），得到：(4-7)(4-8)当有竖向荷载当
38、有竖向荷载N 及水平力及水平力H 同时作用时，则基底平面边缘处的压力为同时作用时，则基底平面边缘处的压力为 离地面或局部冲刷线以下深度离地面或局部冲刷线以下深度z 处基础截面上的弯矩为：处基础截面上的弯矩为：(4-10)4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙(4-9)（二）基底嵌入基岩内的计算方法 4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙 若沉井基底嵌入基岩内，若沉井基底嵌入基岩内，在水平力在水平力H和竖直偏心荷载和竖直偏心荷载N作作用下，可以认为基底不产生水用下，可以认为基底不产生水平位移，则基础旋转中心平位移，则基础旋转中心A与基与基底中心点吻合，即底中心点吻
39、合，即z0=h，为一已，为一已知值（图知值（图4-21）。这样，在基底）。这样，在基底嵌入处便存在一水平阻力嵌入处便存在一水平阻力P，由，由于于P对基底中心点的力臂很小，对基底中心点的力臂很小，一般可忽略一般可忽略P对对A点的力矩。点的力矩。图图4-21 水平力作用下的应力分布水平力作用下的应力分布 当基础水平力当基础水平力H 作用时，地面下深度作用时，地面下深度z处产生的水平位处产生的水平位移移x，并引起井壁外侧土的横向抗力，并引起井壁外侧土的横向抗力pzx，分别为：，分别为：4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙 (4-11)基底边缘处的竖向应力为：基底边缘处的竖向应力为：
40、(4-12)上述公式中未知数上述公式中未知数求解，仅需建立一个弯矩平衡方程便可，求解，仅需建立一个弯矩平衡方程便可，可以到：可以到：解上式得：解上式得：式中，将上述解出的将上述解出的tan代入表达式（代入表达式（4-11）和表达式（）和表达式（4-12），可以得到：），可以得到：4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙 (4-13)(4-14)同理，可以得到基底边缘处的应力为同理，可以得到基底边缘处的应力为 (4-15)根据水平向荷载的平衡关系，可以求出嵌入处未知的水平阻力根据水平向荷载的平衡关系，可以求出嵌入处未知的水平阻力P 地面以下地面以下z深度处沉井基础截面上的弯矩为：深
41、度处沉井基础截面上的弯矩为：4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙 (4-16)(4-17)（三）墩台顶面的水平位移 沉井基础在水平力沉井基础在水平力H 和力矩和力矩M 作用下，墩台顶水平位作用下，墩台顶水平位移移 由地面处水平位移由地面处水平位移z0tan、地面至墩顶、地面至墩顶h2范围内水平范围内水平位移位移h2tan 以及台身（或立柱）以及台身（或立柱）h2范围内的弹性挠曲变形范围内的弹性挠曲变形引起的墩顶水平位移引起的墩顶水平位移 0三部分所组成：三部分所组成：鉴于一般沉井基础转角很小，存在近似关系鉴于一般沉井基础转角很小，存在近似关系 4-4 沉井的设计与计算 第四章
42、 沉井基础及地下连续墙（4-18）此外，考虑沉井基础实际刚度并非无穷大，需考虑刚此外，考虑沉井基础实际刚度并非无穷大，需考虑刚度对墩顶水平位移的影响，故引入系数度对墩顶水平位移的影响，故引入系数k1和和k2，反映实际，反映实际刚度对地面处水平位移及转角的影响，从而得到：刚度对地面处水平位移及转角的影响，从而得到：同理，对于支承在岩石地基上的墩台顶面水平位移，同理，对于支承在岩石地基上的墩台顶面水平位移，则可以采用下式计算则可以采用下式计算 4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙（4-19a）（4-19b）（四）验算 1基底应力验算基底应力验算 沉井荷载作用效应分析中，沉井基底计
43、算的最大压应沉井荷载作用效应分析中，沉井基底计算的最大压应力，不应超过沉井底面处地基土的承载力容许值，即力，不应超过沉井底面处地基土的承载力容许值，即4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙 （4-20）2 2横向抗力验算横向抗力验算 沉井侧壁地基土的横向抗力沉井侧壁地基土的横向抗力pzx，实质上是根据文克尔，实质上是根据文克尔弹性地基梁假定，得出的横向荷载效应值，应小于井壁周弹性地基梁假定，得出的横向荷载效应值，应小于井壁周围地基土的极限抗力值。沉井基础在外力作用下，深度围地基土的极限抗力值。沉井基础在外力作用下，深度z处处产生水平位移时，井壁（背离位移）一侧将产生主动土压产生
44、水平位移时，井壁（背离位移）一侧将产生主动土压力力 ，而另一侧将产生被动土压力而另一侧将产生被动土压力 故其极限抗力可以用土压力表示为：故其极限抗力可以用土压力表示为：4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙 (4-21）代入式（代入式（4-21），可以得到：），可以得到：考虑到桥梁结构性质和荷载情况，并根据试验数据可知，考虑到桥梁结构性质和荷载情况，并根据试验数据可知，沉井侧壁地基土横向抗力沉井侧壁地基土横向抗力 最大值，一般出现在最大值，一般出现在 和和 处，代入上式可以得到处，代入上式可以得到 4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙由朗金土压力理论可知：由朗
45、金土压力理论可知：（4-22）（4-23a）（4-23b）3墩台顶面水平位移验算墩台顶面水平位移验算 桥梁墩台设计时，除应考虑基础沉降外，还需验算桥梁墩台设计时，除应考虑基础沉降外，还需验算地基变形和墩台身弹性水平变形所引起的墩台顶水平位地基变形和墩台身弹性水平变形所引起的墩台顶水平位移是否满足上部结构设计要求。移是否满足上部结构设计要求。4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙二、沉井施工过程中结构强度计算 施工及营运过程的不同阶段，沉井荷载作用不尽施工及营运过程的不同阶段，沉井荷载作用不尽相同。沉井结构强度必须满足各阶段最不利情况荷载作相同。沉井结构强度必须满足各阶段最不利情
46、况荷载作用的要求。用的要求。沉井各部分设计时，必须了解和确定不同阶段最不沉井各部分设计时，必须了解和确定不同阶段最不利荷载作用状态，拟定出相应的计算图式，然后计算截利荷载作用状态，拟定出相应的计算图式，然后计算截面应力，进行配筋设计，以及结构抗力分析与验算，以面应力，进行配筋设计，以及结构抗力分析与验算，以保证沉井结构在施工各阶段中的强度和稳定。保证沉井结构在施工各阶段中的强度和稳定。4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙 （一）沉井自重下沉验算（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（不排水为了使沉井能在自重下顺利下沉，沉井重力（不排水下沉时，应扣除浮力
47、）应大于土与井壁间的摩阻力标准值，下沉时，应扣除浮力）应大于土与井壁间的摩阻力标准值，将两者之比称为下沉系数，要求将两者之比称为下沉系数，要求4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙1 （4-24）当不能满足上式要求时，可选择下列措施直至满足当不能满足上式要求时，可选择下列措施直至满足要求：要求：加大井壁厚度或调整取土井尺寸；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如为不排水下沉者，则下沉到一定深度后可采用排水下沉；下沉；增加附加荷载压沉或射水助沉；增加附加荷载压沉或射水助沉；采用泥浆润滑套或壁后压气法减阻等措施。采用泥浆润滑套或壁后压气法减阻
48、等措施。4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙（二）第一节（底节）沉井的竖向挠曲验算（二）第一节（底节）沉井的竖向挠曲验算1排水挖土下沉 排水挖土下沉的整个过排水挖土下沉的整个过程中，沉井支承点相对容易程中，沉井支承点相对容易控制。可将沉井视为支承于控制。可将沉井视为支承于四个固定支点上的梁，且支四个固定支点上的梁，且支点控制在最有利位置处，即点控制在最有利位置处，即支点和跨中所产生的弯矩大支点和跨中所产生的弯矩大致相等。致相等。4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙图图4-22 底节沉井支点布置示意底节沉井支点布置示意a)排水除土下沉排水除土下沉2不排水挖土下
49、沉 不排水挖土下沉施工不排水挖土下沉施工中，机械挖土时刃脚下的中，机械挖土时刃脚下的支点位置很难控制，沉井支点位置很难控制，沉井下沉过程中可能出现最不下沉过程中可能出现最不利支承。利支承。4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙图图4-22 底节沉井支点布置示意底节沉井支点布置示意b)不排水除土下沉不排水除土下沉（三）沉井刃脚受力计算（三）沉井刃脚受力计算 刃脚切入土中时受到向外弯曲应力；挖空刃脚下内侧刃脚切入土中时受到向外弯曲应力；挖空刃脚下内侧土体时，刃脚又受到向内弯曲的外部土、水压力作用。土体时，刃脚又受到向内弯曲的外部土、水压力作用。为简化起见，一般按竖向和水平向分别计算
50、。竖向为简化起见，一般按竖向和水平向分别计算。竖向分析时，近似地将刃脚结构视为固定于刃脚根部井壁处分析时，近似地将刃脚结构视为固定于刃脚根部井壁处的悬臂梁（图的悬臂梁（图4-22），根据刃脚内外侧作用力不同组合，），根据刃脚内外侧作用力不同组合，可能向外或向内挠曲。可能向外或向内挠曲。4-4 沉井的设计与计算 第四章 沉井基础及地下连续墙 在水平面上，则视刃脚结构为一封闭的框架，在水、在水平面上，则视刃脚结构为一封闭的框架，在水、土压力作用下使其在水平面内发生弯曲变形。分别可推土压力作用下使其在水平面内发生弯曲变形。分别可推出刃脚悬臂分配系数出刃脚悬臂分配系数和水平框架分配系数和水平框架分配系