土力學(xué)地基與基礎(chǔ)課程講義9沉井基礎(chǔ)

第十章沉沉井基基礎(chǔ)§10.1沉井基礎(chǔ)概述述§10.2沉井基礎(chǔ)的類類型與構(gòu)造§10.3沉井基礎(chǔ)的設(shè)設(shè)計計算§10.4沉井基礎(chǔ)設(shè)計計計算示例主要內(nèi)容§10.1沉井基礎(chǔ)概述述沉井的概念:是井筒狀的結(jié)結(jié)構(gòu)物(圖1)。它是以井內(nèi)內(nèi)挖土，依靠靠自身重力克克服井壁摩阻阻力后下沉到到設(shè)計標(biāo)高，，然后經(jīng)過混混凝土封底并并填塞井孔，，使其成為橋橋梁墩臺或其其它結(jié)構(gòu)物的的基礎(chǔ)(圖2)。沉井下沉示意意圖沉井基礎(chǔ)沉井的優(yōu)點：：埋置深度可以以很大，整體體性強、穩(wěn)定定性好，有較較大的承載面面積，能承受受較大的垂直直荷載和水平平荷載；沉井井既是基礎(chǔ)，，又是施工時時的擋土和擋擋土圍堰結(jié)構(gòu)構(gòu)物，施工工工藝并不復(fù)雜雜，因此在橋橋梁工程中得得到較廣泛的的應(yīng)用。同時時，沉井施工工時對鄰近建建筑物尤其是是軟土中地下下建筑物的基基礎(chǔ)，也常用用作為礦用豎豎井、地下油油庫等。沉井的的缺點點：施工期期較長長；對對粉細細砂類類土在在井內(nèi)內(nèi)抽水水易發(fā)發(fā)生流流砂現(xiàn)現(xiàn)象，，造成成沉井井傾斜斜；沉沉井下下沉過過程中中遇到到的大大孤石石、樹樹干或或井底底巖層層表面面傾斜斜過大大，均均會給給施工工帶來來一定定困難難。沉井井根據(jù)據(jù)經(jīng)經(jīng)濟濟合合理理、、施施工工上上可可能能的的原原則則，，一一般般在在下下列列情情況況，，可可以以采采用用沉沉井井基基礎(chǔ)礎(chǔ)：：1.上部部荷荷載載較較大大，，而而表表層層地地基基土土的的容容許許承承載載力力不不足足，，做做擴擴大大基基礎(chǔ)礎(chǔ)開開挖挖工工作作量量大大，，以以及及支支撐撐困困難難，，但但在在一一定定深深度度下下有有好好的的持持力力層層，，采采用用沉沉井井基基礎(chǔ)礎(chǔ)與與其其他他深深基基礎(chǔ)礎(chǔ)相相比比較較，，經(jīng)經(jīng)濟濟上上較較為為合合理理的的；；2.在山山區(qū)區(qū)河河流流中中，，雖雖然然土土質(zhì)質(zhì)較較好好，，但但沖沖刷刷大大，，或或河河中中有有較較大大卵卵石石不不便便樁樁基基礎(chǔ)礎(chǔ)施施工工時時；；3.巖層表面面較平坦坦且覆蓋蓋層薄，，但河水水較深；；采用擴擴大基礎(chǔ)礎(chǔ)施工圍圍堰有困困難時。?！?0.2沉井基礎(chǔ)礎(chǔ)的類型型與構(gòu)造造一、沉井井的分類類(一)按沉井的的施工方方法分類類1.一般沉井井：指就地制制造下沉沉的沉井井，這種種沉井是是在基礎(chǔ)礎(chǔ)設(shè)計的的位置上上制造，，然后挖挖土靠沉沉井自重重下沉。。如基礎(chǔ)礎(chǔ)位置在在水中，，需先在在水中筑筑島，再再在島上上筑井下下沉。2.浮運沉井井：在深水地地區(qū)筑島島有困難難或不經(jīng)經(jīng)濟，或或有礙通通航當(dāng)河河流流速速不大時時，可采采用岸邊邊澆筑浮浮運就位位下沉的的方法，，這類沉沉井稱為為浮運沉沉井或浮浮式沉井井。(二)按沉井形形狀分類類常用的有有圓形、圓端形和矩形等。根據(jù)據(jù)井孔的的布置方方式，又又有單孔孔、雙孔孔及多孔孔的分別別。沉井平面面形式a)單孔沉井井；b)雙孔沉井井；c)多孔沉井井1.按沉沉井井的的平平面面形形狀狀：：圓形形沉沉井井：：沉井井在在下下沉沉過過程程中中易易控控制制方方向向；；使使用用抓抓泥泥斗斗挖挖土土，，要要比比其其他他類類型型的的沉沉井井，，更更能能保保證證其其刃刃腳腳均均勻勻地地支支承承在在土土層層上上；；在在側(cè)側(cè)壓壓力力作作用用下下，，井井壁壁只只受受軸軸向向力力(側(cè)壓壓力力均均布布時時)，或或稍稍受受撓撓曲曲(側(cè)壓壓力力非非均均布布時時)；對對水水泥泥方方向向正正交交或或斜斜交交均均有有利利，，也也即即承承受受水水平平土土壓壓力力和和水水壓壓力力性性能能良良好好。。矩形沉井井：具有制造造簡單，，基礎(chǔ)受受力有利利的優(yōu)點點，常能能配合墩墩臺(或其他結(jié)結(jié)構(gòu)物)底部平面面形狀。。四角一一般做成成圓角，，可有效效改善轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角處的的受力條條件，減減緩應(yīng)力力集中現(xiàn)現(xiàn)象，以以降低井井壁摩阻阻力和避避免取土土清孔的的困難。。矩形沉沉井在側(cè)側(cè)壓力作作用下，，井壁受受較大的的撓曲力力矩；在在流水中中阻水系系數(shù)較大大，沖刷刷較嚴重重。圓端形沉沉井：控制下沉沉、受力力條件、、阻水沖沖刷均較較矩形者者有利，，但沉井井制造較較復(fù)雜。。對平面面尺寸較較大的沉沉井，可可在沉井井中設(shè)置置隔墻，，使沉井井由單孔孔變成雙雙孔或多多孔2.按沉井的的立面形形狀主要有豎直式、傾斜式及臺階式等。采用用形式應(yīng)視沉井井需要通通過的土土層性質(zhì)質(zhì)和下沉沉深度而而定。上述各類類沉井的的適用條條件：外壁豎直直形式的的沉井，，它在下沉沉過程中中不易傾傾斜，井井壁接長長較簡單單，模板板可重復(fù)復(fù)使用。。故當(dāng)土土質(zhì)較松松軟，沉沉井下沉沉深度不不大，可可以采用用這種形形式。傾斜式及及臺階式式井壁可以以減少土土與井壁壁的摩阻阻力，其其缺點是是施工較較復(fù)雜，，消耗模模板多，，同時沉沉井下沉沉過程中中容易發(fā)發(fā)生傾斜斜。故在在土質(zhì)較較密實，，沉井下下沉深度度大，要要求在不不太增加加沉井本本身重量量的情況況下沉至至設(shè)計標(biāo)標(biāo)高，可可采用這這類沉井井。臺階式井井壁的臺臺階寬度度約為100～200mm。傾斜式式的沉井井井壁坡坡度一般般為1/20～1/50，外壁傾傾斜式沉沉井同樣樣可以減減少下沉沉?xí)r井壁壁外側(cè)土土的阻力力，但這這類沉井井具有下下沉不穩(wěn)穩(wěn)定，制制造困難難等缺點點，故較較少使用用。1.混凝凝土土沉沉井井：：混凝凝土土沉沉井井的的特特點點是是抗抗壓壓強強度度高高，，抗抗拉拉能能力力低低，，因因此此這這種種沉沉井井宜宜做做成成圓圓形形，，并并適適用用于于下下沉沉深深度度不不大大(4～7m)的軟軟土土層層中中。。2.鋼筋筋混混凝凝土土沉沉井井：：這種種沉沉井井的的抗抗拉拉及及抗抗壓壓能能力力較較好好，，下下沉沉深深度度可可以以很很大大(達數(shù)數(shù)十十米米以以上上)，當(dāng)當(dāng)下下沉沉深深度度不不很很大大時時，，井井壁壁上上部部用用混混凝凝土土，，下下部部(刃腳腳)用鋼鋼筋筋混混凝凝土土，，在在橋橋梁梁工工程程中中得得到到較較廣廣泛泛的的應(yīng)應(yīng)用用。。當(dāng)當(dāng)沉沉井井平平面面尺尺寸寸較較大大時時，，可可做做成成薄薄壁壁結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，沉沉井井外外壁壁采采用用泥泥漿漿潤潤滑滑套套，，壁壁后后壓壓氣氣等等施施工工輔輔助助措措施施就就地地下下沉沉或或浮浮運運下下沉沉。。此此外外，，鋼鋼筋筋混混凝凝土土沉沉井井井井壁壁隔隔離離墻墻可可分分段段(塊)預(yù)制制，，工工地地拼拼接接，，做做成成裝裝配配式式。。3.竹筋筋混混凝凝土土沉沉井井：：沉井井在在下下沉沉過過程程中中受受力力較較大大因因而而需需配配置置鋼鋼筋筋，，一一旦旦完完工工后后，，它它就就不不再再承承受受多多大大的的拉拉力力，，因因此此，，在在南南方方產(chǎn)產(chǎn)竹竹地地區(qū)區(qū)，，可可以以采采用用耐耐久久性性差差但但抗抗拉拉力力好好的的竹竹替替部部分分鋼鋼筋筋，，我我國國南南昌昌贛贛江江大大橋橋等等曾曾用用這這種種沉沉井井。。在在沉沉井井分分節(jié)節(jié)接接頭頭處處及及刃刃腳腳仍仍用用鋼鋼筋筋。。一般般沉沉井井構(gòu)構(gòu)造造上上主主要要由由井壁壁、、刃刃腳腳、、隔隔墻墻、、井井孔孔、、凹凹槽槽、、射射水水管管、、封封底底和和蓋蓋板板等組組成成。。二、、沉沉井井基基礎(chǔ)礎(chǔ)的的構(gòu)構(gòu)造造1.井壁壁井壁壁是是沉沉井井的的主主要要部部分分。。它它在在沉沉井井下下沉沉過過程程中中起起擋擋土土、、擋擋水水及及利利用用本本身身重重量量克克服服土土與與井井壁壁之之間間的的摩摩阻阻力力的的作作用用。。當(dāng)當(dāng)沉沉井井施施工工完完畢畢后后，，它它就就成成為為基基礎(chǔ)礎(chǔ)或或基基礎(chǔ)礎(chǔ)的的一一部部分分而而將將上上部部荷荷載載傳傳遞遞給給地地基基。。因因此此，，井井壁壁必必須須具具有有足足夠夠的的強強度度和和一一定定的的厚厚度度。。根根據(jù)據(jù)井井壁壁在在施施工工中中的的受受力力情情況況，，可可以以在在井井壁壁內(nèi)內(nèi)配配置置豎豎向向及及水水平平向向鋼鋼筋筋，，以以增增加加井井壁壁強強度度。。井井壁壁厚厚度度按按下下沉沉需需要要的的自自重重，，本本身身強強度度以以及及便便于于取取土土和和清清基基等等因因素素而而定定，，一一般般為為0.80～1.50m，為為便便于于綁綁扎扎鋼鋼筋筋及及澆澆筑筑混混凝凝土土，，其其厚厚度度不不宜宜小小于于0.4m。鋼鋼筋筋混混凝凝土土薄薄壁壁沉沉井井可可不不受受此此限限制制。。井井壁壁的的混混凝凝土土強強度度等等級級不不低低于于C15。2.刃腳腳井壁下下端形形如楔楔狀的的部分分稱為為刃腳腳。其其作用用是在在沉井井自重重作用用下易易于切切土下下沉。。刃腳腳底面面(踏面)寬度一一般為為0.1～0.2m，對軟軟土可可適當(dāng)當(dāng)放寬寬。下下沉深深度大大，且且土質(zhì)質(zhì)較硬硬，刃刃腳底底面應(yīng)應(yīng)以型型鋼(角鋼或或槽鋼鋼)加強(圖5-7)，以防刃腳腳損壞。刃刃腳內(nèi)側(cè)斜斜面與水平平面的夾角角一般為45°～60°。刃腳高度度視井壁厚厚度、便于于抽除墊木木而定，一一般當(dāng)沉井井濕封底時時，取1.5m左右；干封封底時，取取0.6m左右。由于于刃腳在沉沉井下沉過過程中受力力較集中，，故刃腳宜宜采用C20以上的鋼筋筋混凝土制制成。刃腳構(gòu)造3.隔墻沉井平面尺尺寸較大，，也即井壁壁跨徑較大大時，應(yīng)在在沉井內(nèi)設(shè)設(shè)置隔墻，，以加強沉沉井的剛度度，使井壁壁的撓曲應(yīng)應(yīng)力減小，，其厚度一一般小于井井壁。隔墻墻底面應(yīng)高高出刃腳底底面0.5m以上，避避免隔墻墻下的土土頂住沉沉井而妨妨礙下沉沉。也可可在刃腳腳與隔墻墻聯(lián)結(jié)處處設(shè)置埂埂肋加強強刃腳與與隔墻的的連結(jié)。。如為人人工挖土土，在隔隔墻下端端應(yīng)設(shè)置置過人孔孔，便于于工作人人員井孔孔間往來來。4.井孔井孔是挖挖土排土土的工作作場所和和通道。。井孔尺尺寸應(yīng)滿滿足施工工要求，，寬度(直徑)不宜小于于3m。井孔布布置應(yīng)對對稱于沉沉井中心心軸，便便于對稱稱挖土使使沉井均均勻下沉沉。5.凹槽凹槽設(shè)在在井孔下下端近刃刃腳處，，其作用用是使封封底混凝凝土與井井壁有交交好的接接合，封封底混凝凝土底面面的反力力更好的的傳給井井壁(如井孔全全部填實實的實心心沉井也也可不設(shè)設(shè)凹槽)。凹槽深深度約0.15～0.25m，高約1.0m。6.射水管6.射水管當(dāng)沉井下下沉深度度大，穿穿過的土土質(zhì)又較較好，估估計下沉沉?xí)a(chǎn)生生困難時時，可在在井壁中中預(yù)埋射射水管組組。射水水管應(yīng)均均勻布置置，以利利于控制制水壓和和水量來來調(diào)整下下沉方向向。一般般水壓不不小于600kPa。如使用用泥漿潤潤滑套施施工方法法時，應(yīng)應(yīng)有預(yù)埋埋的壓射射泥漿管管路。7.封底和蓋蓋板沉井沉至至設(shè)計標(biāo)標(biāo)高進行行清基后后，便澆澆筑封底底混凝土土?；炷吝_到到設(shè)計強強度后，，可從井井孔中抽抽干水井井填滿混混凝土或或其它圬圬工材料料。如井井孔中不不填料或或僅填以以砂礫則則須在沉沉井頂面面筑鋼筋筋混凝土土蓋板。。封底混混凝土底底面承受受地基土土和水的的反力，，這就要要求封底底混凝土土有一定定的厚度度(可由應(yīng)力力驗算決決定)，其厚度度根據(jù)經(jīng)經(jīng)驗也可可取不小小于井孔孔最小邊邊長的1.5倍。封底底混凝土土頂面應(yīng)應(yīng)高出刃刃腳根部部不小于于0.5m，并澆灌灌到凹槽槽上端。。封底混混凝土標(biāo)標(biāo)號對巖巖石地基基用C15；一般地地基用C20。蓋板厚厚度一般般為1.5～2.0m。井孔中中充填的的混凝土土，其強強度等級級不應(yīng)低低于C10?！?0.3沉井基礎(chǔ)礎(chǔ)的設(shè)計計計算主要內(nèi)容容：①擬定外形形尺寸、、高度、、壁厚②視為天然然地基上上深基礎(chǔ)礎(chǔ)的地基基強度及及變形驗驗算③施工階段段刃腳、、井壁的的強度計計算④使用階段段井壁及及頂板、、底板強強度計算算基本假定定：①地基土為為彈性變變形介質(zhì)質(zhì)，水平平向地基基系數(shù)隨隨深度成成正比例例增加(即m法)②不考考慮慮基基礎(chǔ)礎(chǔ)與與土土之之間間的的粘粘著著力力和和摩摩阻阻力力③沉井井剛剛度度與與土土剛剛度度之之比比為為無無限限大大，，橫橫向向力力作作用用下下只只產(chǎn)產(chǎn)生生轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動而而無無撓撓曲曲變變形形根據(jù)據(jù)基基底底地地質(zhì)質(zhì)情情況況，，可可分分為為非非巖巖石石地地基基和和基基底底嵌嵌入入基基巖巖內(nèi)內(nèi)兩兩種種情情況況分分析析考慮慮土土體體彈彈性性抗抗力力的的沉沉井井設(shè)設(shè)計計與與計計算算10.3.1沉井井作作為為整整體體深深基基礎(chǔ)礎(chǔ)的的計計算算1.非巖巖石石地地基基在FH作用用下下，，沉沉井井將將圍圍繞繞位位于于地地面面下下深深度度z0處點點A轉(zhuǎn)動動ω角則深深度度z處沉沉井井水水平平位位移移Δx為：：Δx=(z0z)··tanω將水水平平力力FH和偏偏心心豎豎向向力力FV(=F＋G)等效效為為距距基基底底作作用用高高度度為為λ的水水平平力力FH，即即：：非巖巖石石地地基基計計算算示示意意沉井井底底面面受受到到的的抗抗力力：：其中中：：Cz=mzC0=mh即土土的的橫橫向向抗抗力力沿沿深深度度呈呈二二次次拋拋物物線線變變化化，，若若基基底底豎豎向向地地基基系系數(shù)數(shù)C0不變變，，σzx=ΔxCz=Cz(z0z)··tanω沉井井受受到到的的橫向向抗抗力力σzx式中中C0按樁樁基基計計算算方方法法確確定定，，但但不不得得小小于于10m0。非巖巖石石地地基基計計算算示示意意上述述各各式式z0和ω為未未知知數(shù)數(shù)，，可可由由靜靜力力平平衡衡導(dǎo)導(dǎo)得得：：式中中b1為基基礎(chǔ)礎(chǔ)計計算算寬寬度度，，W為基基底底截截面面模模量量。。聯(lián)立立求求解解可可得得：：其中中：：將此此代代入入上上述述各各式式得得土體體橫橫向向抗抗力力：：基底底邊邊緣緣處處壓壓應(yīng)應(yīng)力力：：式中中A0為基基底底面面積積。。離地面面下深深度z處截面面彎矩矩為：：基底嵌嵌入基基巖，，在水水平力力和豎豎直偏偏心荷荷載作作用下下，可可假定定基底底不產(chǎn)產(chǎn)生水水平位位移，，故旋旋轉(zhuǎn)中中心A與基底底中心心重合合，即即z0=h?；浊肚度胩幪帉⒋娲嬖谝灰凰狡阶枇αR，其對對A點的力力矩可可忽略略不計計。取彎矩矩平衡衡可導(dǎo)導(dǎo)得：：2.基底嵌嵌入基基巖內(nèi)內(nèi)基底嵌嵌入基基巖內(nèi)內(nèi)計算算由∑X=0可得：：地面下下深度度z處截面面上的的彎矩矩為：尚需注注意,當(dāng)基礎(chǔ)礎(chǔ)僅受受偏心心豎向向力FV作用時時,λ→∞，上述述各式式不能能應(yīng)用用。此此時應(yīng)應(yīng)以M=FV·e代替上上述各各式中中FHh1，同理理可導(dǎo)導(dǎo)得上上述兩兩種情情況下下相應(yīng)應(yīng)的計計算公公式。。土體橫橫向抗抗力：：基底邊邊緣處處壓應(yīng)應(yīng)力基底嵌嵌入處處水平平阻力力FR橫向抗抗力經(jīng)驗表表明最最大橫橫向抗抗力大大致在在z=h/3和z=h處，故故式中η1—取決決于于上上部部結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)形形式式的的系系數(shù)數(shù)，，一一般般取取η1＝1，對對于于拱拱橋橋η1＝0.7；η2—考慮慮恒恒載載彎彎矩矩Mg對總總彎彎矩矩M的影影響響系系數(shù)數(shù)，，即即3.沉井井基基礎(chǔ)礎(chǔ)驗驗算算要求求σzx應(yīng)小小于于井井周周土土的的極極限限抗抗力力值值，，而而極極限限抗抗力力以以土土壓壓力力表表示示，，即即：：σzx≤PpPa由朗金土壓力力理論可得：：墩臺頂水平位位移其中：L為相鄰跨中最最小跨的跨度度（m），當(dāng)L<25m，取L＝25m。此外，對高而而窄