第5章沉井基礎(chǔ)

5.沉井基礎(chǔ)內(nèi)容提要

沉井基礎(chǔ)的分類、構(gòu)造及施工地下連續(xù)墻簡介5.1概述

沉井：帶刃腳的井筒狀構(gòu)造物，用人工或機(jī)械方法清除井內(nèi)土石，主要借自重克服井壁與土層摩阻，逐節(jié)下沉至基底設(shè)計標(biāo)高的基礎(chǔ)。

特點(diǎn)埋深大（hmax=220m），適用于深水，整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，承載力大；既是基礎(chǔ)，又是擋土和擋水圍堰構(gòu)造物；造價高，施工期長，不排水施工時難于克服刃腳下孤石、沉船、樹干等障礙物，易發(fā)生流砂現(xiàn)象。

適用條件上部荷載較大在山區(qū)河流中沖刷大河水較深，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)施工圍堰有困難5.1.1沉井的作用及適用條件下沉方式：就地制造下沉沉井(一般沉井)、浮運(yùn)沉井制作材料：砼沉井，鋼筋砼沉井，竹筋沉井(南昌贛江大橋、白沙沱長江大橋)，鋼沉井,磚石沉井,木沉井5.1.2沉井的分類

外觀形狀：平面：力求簡單對稱，利于受力，便于施工，有圓形、矩形和圓端形等a)柱形；b)階梯形；c)階梯形；d)錐形

沉井立面形狀剖面：柱形(下沉過程不易傾斜、井壁接長簡單，模板反復(fù)利用)；階梯形；錐形(下沉阻力小)5.1.3沉井基礎(chǔ)的構(gòu)造

沉井組成刃腳井壁隔墻井孔凹槽封底蓋板井壁:沉井主體部分，下沉過程起擋土、擋水及壓重作用，為深基礎(chǔ)的護(hù)壁和建筑物的基礎(chǔ)。一般厚0.8～1.5m，每節(jié)高≤5m，砼強(qiáng)度等級≥C15。刃腳：井壁下端楔狀部分，利于切入土中加速下沉一般底面(踏面)寬度不大于150mm，軟土可適當(dāng)放寬；若下沉深度大，土質(zhì)較硬，底面以型鋼（角鋼或槽鋼）加強(qiáng)；刃腳內(nèi)側(cè)斜面與水平面夾角不宜小于45度。隔墻：將沉井空腔分隔成多個井孔，便于控制挖土下沉，防止或糾正傾斜和偏移，并加強(qiáng)沉井剛度，減小井壁撓曲應(yīng)力。一般要求厚度為0.5~1.0m，隔墻底高出刃腳底面0.5~1.0m

，避免被土擱住而妨礙下沉。

井孔：挖土排土的工作場所和通道

尺寸：由取土方法定，采用挖土斗取土?xí)r，應(yīng)能使挖土斗自由升降，一般寬度≥3m；井孔應(yīng)對稱布置，以便于對稱挖土，保證沉井均勻下沉。

凹槽深約0.15-0.25m，高約1.0m，距刃腳底面1.5m以上封底砼和井壁結(jié)合良好，使封底混凝土底面反力更好地傳給井壁。

封底和頂板：封底可防止地下水涌入井內(nèi)，底面承受地基土和水的反力。封底混凝土頂面應(yīng)高出凹槽0.5m。在井頂設(shè)置鋼筋混凝土頂板，承托上部結(jié)構(gòu)的全部荷載。頂板厚一般1.5～2.0m，鋼筋配置由計算確定。

5.2沉井的施工旱地沉井施工：平整場地，制造第一節(jié)沉井、拆模及抽墊、挖土下沉、接高沉井、井頂圍堰、基底檢驗(yàn)和處理、封底、充填井孔、澆筑頂蓋。水中筑島：水流速不大，水深<3m時采用，砂島應(yīng)高出施工最高施工水位0.5m以上，在島上澆筑沉井。浮運(yùn)沉井：水深較大、人工筑島困難時，岸邊制作，滑入水中，井壁為空體可浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。5.2.1旱地沉井施工

鋪墊木立模板綁鋼筋澆筑混凝土立內(nèi)模制造沉井刃腳清整場地防止沉井在混凝土澆筑之初因地面沉降不均產(chǎn)生裂縫。制造第一節(jié)沉井實(shí)例圖制造第一節(jié)沉井

拆模及抽墊

拆模順序：井孔模板、外側(cè)模板、隔墻支撐及模板、刃腳面支撐及模板。抽墊順序：內(nèi)壁、短邊及長邊下對稱同步。長邊隔1根撤1根，最后以定位樁為中心由遠(yuǎn)而近對稱撤除。沉井墊木

除土下沉沉井正常下沉?xí)r，應(yīng)自中間向刃腳處均勻?qū)ΨQ除土，排水下沉?xí)r應(yīng)嚴(yán)格控制設(shè)計支承點(diǎn)土的排除，并隨時注意沉井正位，保持豎直下沉。接高沉井：第一節(jié)沉井井頂露出地面不小于0.5m時設(shè)置井頂防水圍堰：沉井頂面低于地面或水面時基底檢驗(yàn)和處理：檢驗(yàn)基底地質(zhì)情況是否與設(shè)計相符封底：一般為素混凝土，必須與地基緊密結(jié)合井孔填充和頂板澆筑

5.2.2水中沉井施工

水中筑島無圍堰防護(hù)土島有圍堰防護(hù)土島圍堰筑島流速≤1.5m/s，水深<3m時水中筑島下沉沉井

浮運(yùn)沉井水深筑島困難時，岸邊制作，滑入水中，井壁為空體浮于水面，就位后灌注砼下沉至河床。5.2.4沉井下沉所遇問題及處理

偏斜：沉井偏斜大多發(fā)生在下沉不深時，由于土質(zhì)不均、井壁與刃腳中線不重合、抽墊方法欠妥、除土不均勻?qū)ΨQ等原因?qū)е鲁辆保?/p>

糾偏方法：除土、壓重、頂部施加水平力、刃腳下支墊難沉：沉井下沉過慢或停沉；原因（正面阻力大、側(cè)阻過大、偏斜、孤石樹根等）；解決方法：增加壓重和減少井壁摩阻力（射水輔助下沉、加重井壁、增大開挖范圍和深度等）突沉：常發(fā)生在軟土地區(qū)，沉井產(chǎn)生較大的傾斜或超沉；主要原因：井壁側(cè)阻較小。

防治措施：均勻挖土，在刃腳處挖土不宜過深；增大刃腳踏面寬度，增設(shè)底梁，提高刃腳阻力。流砂：在粉、細(xì)砂層中下沉沉井，易出現(xiàn)流砂現(xiàn)象；主要原因：土中動水壓力的水頭梯度大于臨界值；防治措施：井點(diǎn)降水及不排水除土，或向井內(nèi)回灌水，降低井外水位。5-5其他深基礎(chǔ)簡介5.5.1

墩基礎(chǔ)定義：墩是一種利用機(jī)械或人工在地基中開挖成孔后灌注混凝土形成的大直徑樁基礎(chǔ)，由于其粗大如墩，故稱為墩基礎(chǔ)。功能：與樁相似，沉降量極小。適用于復(fù)雜地質(zhì)條件，常用于高層建筑中的柱基礎(chǔ)。不宜用于荷載較小、地下水位較高、水量較大的小型工程，及相當(dāng)深度內(nèi)無堅硬持力層的地區(qū)。墩基承載力高，原則上采用一柱一墩；

墩基持力層必須承載力較高且具有一定厚度；

墩基的混凝土強(qiáng)度等級和配筋率應(yīng)滿足最低構(gòu)造要求；

設(shè)計時應(yīng)明確規(guī)定施工和質(zhì)檢方案；

施工前應(yīng)查明場地的水文地質(zhì)條件。

墩基礎(chǔ)的設(shè)計施工要求：定義：成槽機(jī)沿著深基礎(chǔ)或地下構(gòu)筑物周邊，開挖出具有一定寬度與深度的溝槽，在槽內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，澆注砼，筑成一個單元的墻段。再繼續(xù)開挖、澆筑砼，并以某特定接頭方式連接墻段，形成一道連續(xù)的現(xiàn)澆壁式地下鋼筋砼連續(xù)墻。作用:基坑開挖時防滲、擋土，鄰近建筑物的支護(hù)，作為基礎(chǔ)的一部分。5.5.2地下連續(xù)墻

優(yōu)點(diǎn)無噪音、無振動，適用于城市與密集建筑群中施工(法國最小距離0.5m，日本0.2m)；土方量小，無需井點(diǎn)降水，造價低，配合逆筑法施工速度快，適用于各種地質(zhì)條件；能防滲、截水、承重、擋土、抗滑、防爆等。

缺點(diǎn)

施工技術(shù)要求高，槽段接頭質(zhì)量控制比較復(fù)雜，小型工程造價較高，不適用于巖溶地區(qū)、粉、細(xì)砂地層。修筑導(dǎo)墻→泥漿護(hù)壁→成槽→槽段連接→澆筑砼。修筑導(dǎo)墻：成槽施工前先開挖導(dǎo)溝，修筑鋼筋砼(鋼、木)導(dǎo)墻，并設(shè)臨時支撐。作用：導(dǎo)向、容蓄泥漿，支撐設(shè)備荷載，維護(hù)表土穩(wěn)定，防止槽口塌方。

地下連續(xù)墻的施工泥漿護(hù)壁：以膨潤土和細(xì)粒土在現(xiàn)場加水?dāng)嚢柚瞥?。作用：平衡水土壓力，護(hù)壁、防滲、攜渣、冷卻潤滑鉆頭。成槽采用多頭鉆機(jī)開槽，每段槽孔長可取6～8m，采用抓斗式或沖擊式鉆機(jī)成槽，每段長度可更大。墻體深度可達(dá)幾十米。

槽段的連接接頭應(yīng)滿足受力和防滲要求。國內(nèi)多用接頭管連接非剛性接頭。在挖除單元槽段土體后，在一端先吊放接頭管，再吊入鋼筋籠，澆筑砼后逐漸拔出接頭管，形成半圓形接頭。

槽段砼澆注吊放鋼筋籠前須檢測槽段；制作、吊放鋼筋籠；鋼筋綁扎一般可先用鉛絲臨時固定，再點(diǎn)焊焊條、拆除鉛絲；澆灌水下砼:一般控制水灰比在0.6以內(nèi)，d≤25mm，塌落度180～200mm，盡量使用外摻劑以減少水灰比，增大流動度，減少離析現(xiàn)象，防止導(dǎo)管堵塞。第五章結(jié)束

主要內(nèi)容：擬定外形尺寸、高度、壁厚視為天然地基上深基礎(chǔ)的地基強(qiáng)度及變形驗(yàn)算施工階段刃腳、井壁的強(qiáng)度計算使用階段井壁及頂板、底板強(qiáng)度計算

5.3沉井的設(shè)計與計算

沉井高度沉井底面標(biāo)高，主要根據(jù)上部荷載、水文地質(zhì)條件及各土層的承載力等確定。沉井作為基礎(chǔ)，其頂面應(yīng)埋入地面0.2m或地下水位以下0.5m。

沉井平面形狀和尺寸

沉井平面形狀應(yīng)根據(jù)上部建筑物的平面形狀決定。為防止下沉過程中少許偏斜對建筑物影響，要求留襟邊，其寬度≮下沉總深度的2%，且不得小于20cm。5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計算

沉井尺寸設(shè)計

下沉系數(shù):確定沉井的外形尺寸和壁厚時，應(yīng)保證沉井在各種施工階段能克服四壁摩阻力R1而順利下沉，即要求K1：G—各種施工階段沉井的自重；Rt—沉井井壁土的摩阻力。

下沉系數(shù)K1、抗浮穩(wěn)定系數(shù)K2

抗浮穩(wěn)定系數(shù):當(dāng)沉井下沉到設(shè)計標(biāo)高，砼封底并做好鋼筋砼頂板、抽除井內(nèi)積水后，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)備尚未安裝，井外地下水位達(dá)最高時，應(yīng)考慮沉井的抗浮穩(wěn)定，即要求K2：∑G—沉井結(jié)構(gòu)的自重；P—水對沉井的浮力，等于地下水位以下沉井排開同體積的水重

地基強(qiáng)度：沉井作為深基礎(chǔ)時，一般要求下沉至堅實(shí)土層或巖層上，且地基強(qiáng)度須滿足：F—作用于沉井頂面處荷載G—沉井自重Rf—井側(cè)總摩阻力Rj—沉井底部地基土的總反力Rj=faA(fa為基底土承載力特征值)F+G≤Rj+Rf

沉井作為天然地基基礎(chǔ)計算式中：5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計算

井側(cè)總摩阻力Rf：可假定井側(cè)總摩阻力Rf沿深度成梯形分布，距地面5m范圍內(nèi)按三角形分布，5m以下為常數(shù)，故總摩阻力為Rf

＝U(h－2.5)q

U—沉井周長q—單位面積摩阻力加權(quán)平均值，可按表5-1取值。圖5.15井壁摩阻力分布假設(shè)式中：5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計算基本假定：地基土為彈性變形介質(zhì)，水平向地基系數(shù)隨深度成正比例增加(即m法)不考慮基礎(chǔ)與土之間的粘著力和摩阻力沉井剛度與土剛度之比為無限大，橫向力作用下只產(chǎn)生轉(zhuǎn)動而無撓曲變形根據(jù)基底地質(zhì)情況，可分為非巖石地基和基底嵌入基巖內(nèi)兩種情況分析

考慮土體彈性抗力的沉井設(shè)計與計算5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計算

非巖石地基在FH作用下，沉井將圍繞位于地面下深度z0處點(diǎn)A轉(zhuǎn)動ω角則深度z處沉井水平位移Δx為：

將水平力FH和偏心豎向力FV(=F＋G)等效為距基底作用高度為λ的水平力FH，即：

圖5.16非巖石地基計算示意Δx=(z0z)·tanω5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計算其中：Cz

=mz

C0=mh即土的橫向抗力沿深度呈二次拋物線變化，若基底豎向地基系數(shù)C0不變，沉井底面受到的抗力：σzx=ΔxCz=Cz(z0z)·tanω沉井受到的橫向抗力σzx式中C0按樁基計算方法確定，但不得小于10m0。圖5.17非巖石地基計算示意5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計算上述各式z0和ω為未知數(shù)，可由靜力平衡導(dǎo)得：

b1為基礎(chǔ)計算寬度，W為基底截面模量。聯(lián)立求解得：其中：

5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計算將此代入上述各式得土體橫向抗力：

基底邊緣處壓應(yīng)力：

式中A0為基底面積。離地面下深度z處截面彎矩為：5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計算

基底嵌入基巖，在水平力和豎直偏心荷載作用下，可假定基底不產(chǎn)生水平位移，故旋轉(zhuǎn)中心A與基底中心重合，即z0=h。基底嵌入處將存在一水平阻力FR，其對A點(diǎn)的力矩可忽略不計。由彎矩平衡得：

基底嵌入基巖內(nèi)圖5.18基底嵌入基巖內(nèi)計算5.3.1沉井作為整體深基礎(chǔ)的計算地面下深度z處截面上的彎矩為尚需注意,當(dāng)基礎(chǔ)僅受偏心豎向力FV作用時,λ→∞，上述各式不能應(yīng)用。此時應(yīng)以M=FV·e代替上述各式中FHh1，同理可導(dǎo)得上述兩種情況下相應(yīng)的計算公式。土體橫向抗力基底邊緣處壓應(yīng)力基底嵌入處水平阻力FR由∑X=0可得：δ=(z0h2)tanω+δ0δ0為h2范圍內(nèi)臺身彈性撓曲變形引起的墩頂水平位移其中：FH、M為墩頂作用的水平力及彎矩

墩臺頂水平位移計入基礎(chǔ)實(shí)際剛度對地面處水平位移及轉(zhuǎn)角的影響后(tanω≈ω)，可寫為：

δ=(z0

K1+h2

K2)ω+δ0K1、K2—水平位移影響系數(shù)，根據(jù)αh及λ/h查書表5-2。墩臺頂水平位移：

橫向抗力經(jīng)驗(yàn)表明最大橫向抗力大致在z=h/3和z=h處，故η1—取決于上部結(jié)構(gòu)形式的系數(shù)，一般取η1=1，拱橋η1=0.7；η2—考慮恒載彎矩Mg對總彎矩M的影響系數(shù)，即

驗(yàn)算

要求σzx應(yīng)小于井周土的極限抗力值，而極限抗力以土壓力表示，即：

σzx≤PpPa

由朗金土壓力理論可得：

墩臺頂水平位移其中：L為相鄰跨中最小跨的跨度（m），當(dāng)L<25m，取L＝25m。此外，對高而窄的沉井還應(yīng)驗(yàn)算產(chǎn)生施工容許偏差時的影響。（cm）要求：

基底應(yīng)力σmax≤f

ah要求：在抽出墊木及挖土可能有不均勻等不利條件下，第一節(jié)井壁在自重作用下應(yīng)按單支點(diǎn)、簡支梁等驗(yàn)算井壁強(qiáng)度。

第一節(jié)井壁的應(yīng)力驗(yàn)算5.3.2沉井施工過程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算

排水除土下沉

不排水除土下沉圖5.19底節(jié)沉井支點(diǎn)布置示意考慮下兩種最不利情況：刃腳外撓：沉井下沉至一半深度，上部井壁已全部加高，刃腳入土1m。此時刃腳斜面上土的橫向推力向外作用，產(chǎn)生向外撓曲。刃腳內(nèi)撓：沉井下沉至接近設(shè)計標(biāo)高，刃腳下土已掏空，沉井自重全部由外側(cè)摩阻力承擔(dān)。此時在外側(cè)水、土壓力作用下，使刃腳產(chǎn)生向內(nèi)撓曲。

刃腳計算圖5.20刃腳向外繞曲受力示意圖圖5.21刃腳向內(nèi)繞曲受力示意圖井壁的水平配筋下沉到設(shè)計標(biāo)高，刃腳下土已掏空，水、土壓力最大，按水平框架計算內(nèi)力。

井壁的豎直配筋下沉到設(shè)計標(biāo)高，刃腳下土已掏空，且上部井壁被土夾住，下部似懸掛在土中的最不利位置計算井壁拉力。

等截面沉井產(chǎn)生的最大拉力τmax等于沉井自重的1/4，即tmax＝G/4，其位置在沉井的h/2處。

井壁計算

此外，還應(yīng)驗(yàn)算井壁在使用階段中各種受力時的強(qiáng)度。圖5.22單孔矩形框架受力干封底：可按構(gòu)造要求確定厚度，一般為0.6～1.2m水下封底:砼厚度由抗浮