地下結(jié)構(gòu)工程-沉井基礎(chǔ)

東南大學(xué)遠(yuǎn)程教育地下結(jié)構(gòu)工程主講教師：穆保崗第08章第8章沉井基礎(chǔ)8.1概述8.1.1沉井基礎(chǔ)的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍是以沉井法施工的地下結(jié)構(gòu)物和深基礎(chǔ)的一種型式。先在地表制作成一個(gè)井筒狀的結(jié)構(gòu)物（沉井），然后在井壁的圍護(hù)下通過(guò)從井內(nèi)不斷挖土，使沉井在自重作用下逐漸下沉，達(dá)到預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)高后，再進(jìn)行封底，構(gòu)筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。廣泛應(yīng)用于橋梁、煙囪、水塔的基礎(chǔ)；水泵房、地下油庫(kù)、水池豎井等深井構(gòu)筑物和盾構(gòu)或頂管的工作井。技術(shù)上比較穩(wěn)妥可靠，挖土量少，對(duì)鄰近建筑物的影響比較小，沉井基礎(chǔ)埋置較深，穩(wěn)定性好，能支承較大的荷載。8.1.2沉井的分類(lèi)（1）按下沉環(huán)境可分為陸地沉井（包括在淺水中先筑島制作的沉井）和浮運(yùn)沉井；（2）按沉井構(gòu)造形式可分為獨(dú)立沉井和連續(xù)沉井；（3）按沉井平面形式可分為圓形、橢圓形、正方形、矩形和多邊形等；也可分為單孔和多孔沉井（見(jiàn)圖8-1）；（4）按沉井制作材料可分為混凝土、鋼筋混凝土、鋼、磚、石以及組合式沉井等。沉井按平面形式分類(lèi)a—圓形單孔沉井；b—正方形單孔沉井；c—矩形單孔沉井；d—矩形雙孔沉井；e—橢圓形雙孔沉井；f—矩形多孔沉井8.1.3沉井的設(shè)計(jì)原則結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單對(duì)稱(chēng)，受力合理，施工方便。沉井的長(zhǎng)短邊之比越小越好，以保證下沉?xí)r的穩(wěn)定性。一般沉井應(yīng)分節(jié)制作，每節(jié)高度不宜大于5m。沉井底節(jié)高度應(yīng)滿足拆除支承時(shí)沉井縱向抗彎要求之外，在松軟土層中下沉的沉井，底節(jié)高度不宜大于0.8b。8.1.4沉井的施工步驟沉井施工步驟示意圖8.2沉井構(gòu)造沉井組成：刃腳、井壁、內(nèi)隔墻、取土井、凹槽、封底、頂板1）沉井刃腳：作用在于減少沉井下沉阻力

a—混凝土刃腳；b—設(shè)角鋼的刃腳；c—尖刃腳2）井壁主要承擔(dān)井外水土壓力和自重的部分

設(shè)計(jì)時(shí)通常先假定井壁厚度再進(jìn)行承載力驗(yàn)算；井壁厚度一般為0.8~1.5m；

a）、（b）豎直的；（c）、（d）臺(tái)階形的；（e）錐形的；（f）倒錐形的圖8-5沉井外壁的形式3）內(nèi)隔墻加強(qiáng)沉井剛度度、縮小外壁計(jì)計(jì)算跨度，同同時(shí)又將沉井井分成多個(gè)取取土井，便于于掌握挖土位位置以控制下下沉的方向；；內(nèi)隔墻的間距距一般不大于于5~6m，厚度一般為為0.5~1.0m。一般要求隔墻墻底高出刃腳腳底面0.5~1.0m。4）取土井位置：取土井井的平面布置置應(yīng)與中軸線線對(duì)稱(chēng)，以利利于沉井均勻勻下沉；大?。河扇⊥镣练椒ǘ?，，采用挖土斗斗取土?xí)r，應(yīng)應(yīng)能使挖土斗斗自由升降，，最小邊長(zhǎng)不不宜小于2.5m。處理：以素混凝土、、片石混凝土土或砌片填充充。5）凹槽為了封底混凝土嵌嵌入井壁，形形成整體，使傳至沉井井壁上的力能能更好地傳遞遞給封底混凝凝土底面。遇到意外困難，還可在在凹槽處澆筑筑鋼筋混凝土土蓋板，將沉沉井改為沉箱箱。尺寸：凹槽深深約0.15~0.25m，高約1.0m左右，其距刃刃腳底面一般般在1.5m以上。6）射水管組、、探測(cè)管、氣氣管和壓漿管管射水管組：壓入高壓水水把井壁四周周的土沖松，，以減少摩擦擦力和端部阻阻力。高壓水水壓一一般不小于0.6MPa，每一水管的的排水量不小小于200L/min；探測(cè)管：探測(cè)刃腳和隔隔墻底面下的的泥面標(biāo)高，，清基射水或或破壞沉井正正面土層以利利下沉；氣管：空氣幕下沉沉沉井；壓漿管：埋設(shè)壓漿管7）封底滲水率小于6mm/min時(shí)，排干水后后用C15或C20普通混凝土澆澆筑；當(dāng)井中的滲水水率大于6mm/min時(shí)，宜采用導(dǎo)導(dǎo)管法澆注C20級(jí)水下混凝土土封底。厚度按其承載載力條件計(jì)算算確定，一般般其頂面應(yīng)高高出凹槽0.5m。8）頂板以混凝土填心的沉井可用素素混凝土頂板板；空心或以其他松散散料填心的沉沉井需用鋼筋筋混凝土頂板板，厚度一般般為1.0~2.0m；排水下沉的沉沉井，其頂面在地地面或水位以以下時(shí)，應(yīng)設(shè)設(shè)擋土防水墻墻連接在井壁壁的頂部。8.3沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算8.3.1下沉系數(shù)計(jì)算驗(yàn)算沉井自重重是否能克服服下沉?xí)r土的的摩阻力，，用下沉系數(shù)數(shù)k表示：表8-1沉井井壁與土土體之間的摩摩阻力f（kPa）土的種類(lèi)粘性土砂性土砂卵石砂礫石軟土泥漿套f(kPa)25~5012~2518~3015~2010~123~5摩擦力分布假定從地表到到5m深度范圍內(nèi)，，單位摩阻力力按直線規(guī)律律由零增加至至最大值；超過(guò)深度5m以后取常數(shù)值值8.3.2沉井底節(jié)驗(yàn)算算刃腳下的支承承位置不斷斷在變，三種種情況：1）在排水或無(wú)水水情況下下沉沉井2）對(duì)于不排水下沉的沉井（1）假定底節(jié)沉沉井僅支承于于長(zhǎng)邊的中點(diǎn)點(diǎn)（2）假定底節(jié)沉沉井支承于短短邊的兩端點(diǎn)點(diǎn)本講要點(diǎn)了解沉井構(gòu)造造；掌握下沉系數(shù)數(shù)計(jì)算。沉井底節(jié)驗(yàn)算算8.3.3沉井井壁計(jì)算沉井井壁應(yīng)進(jìn)進(jìn)行豎直和水平兩兩個(gè)方向的內(nèi)力計(jì)算。。1）豎直方向在沉井的下沉沉過(guò)程中，當(dāng)當(dāng)沉井被四周周土體箝固著著而刃腳下的的土已被掏空空時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算算井壁接縫處處的豎向拉應(yīng)力。接縫處：混凝土不承受受拉應(yīng)力而由由接縫處的鋼鋼筋承受，此時(shí)鋼筋的抗抗拉安全系數(shù)數(shù)可采用1.25；同時(shí)并須驗(yàn)驗(yàn)算鋼筋的錨錨固長(zhǎng)度。井壁摩阻力可假定沿沉井井全高按倒三三角形分布，，即在刃腳底底面處為零，，在地面處為為最大，此時(shí)時(shí)最危險(xiǎn)的截截面在沉井入入土深度的1/2處沉井外側(cè)直立立時(shí)的井壁受受拉計(jì)算圖圖按《公路橋涵地基基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)范》，最大豎向拉拉力Plmax為此時(shí)沉井全全部重力G的1/4，即實(shí)際工程中，，沉井被卡住較為常見(jiàn)，也也出現(xiàn)過(guò)被拉拉裂的沉井。。驗(yàn)算建議值表8-2沉井豎向拉力力計(jì)算及其最最小配筋率沉井施工狀態(tài)沉井結(jié)構(gòu)或受其影響建筑物的安全等級(jí)與拉力計(jì)算取值縱向鋼筋最小構(gòu)造配筋率一級(jí)二級(jí)三級(jí)鋼筋混凝土最小配筋率不宜于少0.1%；少筋混凝土不宜少于0.05%排水下沉0.50G0.30G0.25G不排水下沉0.40G0.25G0.20G泥漿套中下沉0.30G0.25G0.20G2）水平方向根據(jù)排水或不不排水的情況況，沉井井壁壁在水壓力和和土壓力等水水平荷載作用用下，應(yīng)作為為水平框架驗(yàn)驗(yàn)算其水平方方向的撓曲。。（1）驗(yàn)算刃腳根部以上上，其高度等等于該處井壁壁厚度t的一段井壁，依此設(shè)置該該段的水平鋼鋼筋。計(jì)算簡(jiǎn)圖Q——由刃腳傳來(lái)的的剪力，其值值等于求算刃腳豎直外外力時(shí)分配于于懸臂梁上的的水平力（kN/m）。（2）其余各段井壁壁的計(jì)算，可按按井壁斷面的的變化,取每一段中控控制設(shè)計(jì)的井井壁（位于每一段最下端端的單位高度度）進(jìn)行計(jì)算。。上部井段按照照作用在水平框框架上的均布布荷載q=W+E。然后用同樣樣的計(jì)算方法法，求得水平平框架的最大大彎矩M、軸向壓力N、剪力Q，并據(jù)此設(shè)計(jì)計(jì)水平鋼筋。。8.3.4沉井刃腳驗(yàn)算算沉井刃腳部分分可分別作為懸臂或水水平框架驗(yàn)算其豎向及及水平向的彎彎曲強(qiáng)度。1）按懸臂梁計(jì)計(jì)算刃腳豎直直方向的撓曲曲強(qiáng)度此時(shí)，刃腳根部可以以認(rèn)為與井壁壁嵌固，刃腳高度作為為懸臂長(zhǎng)度，并可根據(jù)以以下兩種不利利情況分別計(jì)計(jì)算：（1）當(dāng)沉井下沉沉途中，刃腳內(nèi)側(cè)已切切入土中深約約1m;①沿井壁的水平平方向取一個(gè)個(gè)單位寬度，，計(jì)算作用在在刃腳上的土土壓力E和水壓力W。②作用在井壁單位寬寬度上的摩阻力T，取其最小值③刃腳下單位寬度上上土的垂直反力刃腳斜面上的土反反力聯(lián)立方程式即可求求得V1和V2。④作用在刃腳斜面上上的水平反力U可按下式計(jì)算：U的作用點(diǎn)在距刃腳腳底面1/3高處。⑤刃腳重力g按下式計(jì)算：⑥求得作用在刃腳上的所有外力力的大小、方向和和作用點(diǎn)之后，即可求算刃腳根部部處截面上每單位位周長(zhǎng)內(nèi)（井壁））的軸向壓力N、水平剪力Q及對(duì)截面重心軸的的彎矩M。并據(jù)此計(jì)算在刃刃腳內(nèi)側(cè)的鋼筋（豎直直）數(shù)量。（2）當(dāng)沉井已沉到設(shè)計(jì)計(jì)標(biāo)高，刃腳下的的土已被掏空，這這時(shí)刃腳處于向內(nèi)內(nèi)撓曲的不利情況況，①計(jì)算刃腳外側(cè)的土土壓力和水壓力。。②由于刃腳下的土已已被掏空，故刃腳腳下的垂直反力Rv和刃腳斜面水平反反力U等于零③作用在井壁外側(cè)的的摩阻力T④刃腳計(jì)算時(shí)重力g與前面相同⑤計(jì)算在刃腳外側(cè)的的鋼筋（豎直）數(shù)數(shù)量2）按封閉的水平框框架計(jì)算刃腳水平平方向的撓曲強(qiáng)度度作用在刃腳側(cè)面上上的水平外力將由由懸臂梁和框架來(lái)來(lái)共同承擔(dān)。分配系數(shù)公式如:懸臂作用:框架作用:本講要點(diǎn)掌握:沉井井壁計(jì)算沉井刃腳驗(yàn)算8.3.5沉井封底計(jì)算封底混凝土在基底底反力作用下，將將其當(dāng)作支承于刃刃腳斜面及隔墻上上的周邊支承板考慮；支承情況（簡(jiǎn)支或嵌固）和和計(jì)算強(qiáng)度在設(shè)計(jì)中應(yīng)視具體體情況而定。1）規(guī)定（1）封底混凝土應(yīng)承承受基底水和土的向上反力，此時(shí)時(shí)混凝土的齡期不不足，應(yīng)降低容許應(yīng)力；；（2）混凝土填實(shí)時(shí)，，計(jì)入井孔內(nèi)填充充物的重力；（3）封底混凝土的厚厚度，一般不宜小小于1.5D；2）干封底及有關(guān)計(jì)計(jì)算（a）下有足夠厚粘土層層；（b）待底板達(dá)到足夠強(qiáng)強(qiáng)度后方停止降水水沉井可干封底的情情況（1）沉井刃腳停留在在不透水粘土層中中；不透水粘土層的厚厚度：A——沉井底部面積（m2）；——土的有效重度（即即浮重度）（kN/m3）；——刃腳下面不透水粘粘土層厚度（m）；c——粘土的粘聚力（kPa）；U——沉井刃腳踏面內(nèi)壁壁周長(zhǎng)（m）；（2）在沉井內(nèi)設(shè)吸水鼓鼓并有良好濾層的情情況下降水，一直直降到鋼筋混凝土底板足夠承擔(dān)地下水回回升后的水土壓力力，方可拆除并封封閉降水管，在這這種情況下，可采用干封底。3）水下封底混凝土土的厚度計(jì)算封底要求是：（1）按最不利情況混凝土厚度：即即在沉井封底后，，將井內(nèi)水排干，，在鋼筋混凝土底底板尚未施工前。。（2）水下封底混凝土土最好不讓其中出現(xiàn)拉應(yīng)力。分配線相交于素素混凝土封底上，，可以認(rèn)為不承受受拉應(yīng)力。中央鍋底挖深可形形成倒拱。若出現(xiàn)拉應(yīng)力，計(jì)計(jì)算方法：注意計(jì)算跨度；①周邊簡(jiǎn)支支承的圓圓板在承受均勻荷荷載時(shí)，可計(jì)算板板中心的最大彎矩矩值：②周邊簡(jiǎn)支支承的雙向板在承受均均布荷載時(shí)，計(jì)算算跨中彎矩Mx和My：簡(jiǎn)支支承雙向板計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)圖③求出彎矩矩值后，，封底混混凝土的的厚度——考慮封底底混凝土土因與井井底泥土土摻混需需要增加的厚厚度，宜取0.3~0.5m；若基底底采取鋪鋪塊石或或碎石灌灌漿抹平平處理后后再封底底，可不考慮慮此增加加值。④封底混凝凝土剪應(yīng)應(yīng)力計(jì)算算應(yīng)加大封封底混凝凝土的抗剪面積積。如在井壁壁和隔墻墻內(nèi)設(shè)置置凹槽等等。8.3.6沉井底板板計(jì)算1）底板荷荷載計(jì)算算A：沉井結(jié)構(gòu)構(gòu)的最大大自重除除以沉井井外圍底面積的的商，不不計(jì)井壁壁側(cè)面摩摩阻力。B：假定水水壓力全全部由鋼鋼筋混凝凝土底板板承受。。土反力和和水壓力力中數(shù)值較大大者2）沉井底底板內(nèi)力力計(jì)算內(nèi)力可按按單跨或或多跨板板計(jì)算;邊界支承承條件,根據(jù)具體體情況決決定;8.3.7沉井抗浮浮穩(wěn)定驗(yàn)驗(yàn)算可能出現(xiàn)現(xiàn)的最高高地下水水位進(jìn)行行驗(yàn)算,一般的沉沉井依靠自重重獲得抗抗浮穩(wěn)定定。在不計(jì)井井壁摩阻阻力的情情況下，，抗浮穩(wěn)穩(wěn)定驗(yàn)算算公式為為：8.3.8沉井下沉沉對(duì)周?chē)鷩h(huán)境的的影響