地下結(jié)構(gòu)工程沉井基礎(chǔ)

安徽建筑工業(yè)學(xué)院地下結(jié)構(gòu)工程主講教師：席培勝第4章沉井基礎(chǔ)4.1概述4.1.1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。4.1.2沉井的分類（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4.1.3沉井的設(shè)計(jì)原則結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單對(duì)稱，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

。4.1.4沉井的施工步驟

沉井施工步驟示意圖4.2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)沉井井剛度、縮小外外壁計(jì)算算跨度，，同時(shí)又又將沉井井分成多多個(gè)取土土井，便便于掌握握挖土位位置以控控制下沉沉的方向向；內(nèi)隔墻的的間距一一般不大大于5~6m，厚度一一般為0.5~1.0m。一般要求求隔墻底底高出刃刃腳底面面0.5~1.0m。4）取土井位置：取取土井的的平面布布置應(yīng)與與中軸線線對(duì)稱，，以利于于沉井均均勻下沉沉；大?。河捎扇⊥练椒椒ǘǘ?，采用用挖土斗斗取土?xí)r時(shí)，應(yīng)能能使挖土土斗自由由升降，，最小邊邊長(zhǎng)不宜宜小于2.5m。處理：以素混凝凝土、片片石混凝凝土或砌砌片填充充。5）凹槽為了封底混凝凝土嵌入入井壁，，形成整整體，使傳至至沉井壁壁上的力力能更好好地傳遞遞給封底底混凝土土底面。。遇到意外外困難，還還可在凹凹槽處澆澆筑鋼筋筋混凝土土蓋板，，將沉井井改為沉沉箱。尺寸：凹槽深約約0.15~0.25m，高約1.0m左右，其距刃腳腳底面一般在1.5m以上。6）射水管組、探探測(cè)管、氣管和和壓漿管射水管組：壓入高壓水把把井壁四周的土土沖松，以減少少摩擦力和端部部阻力。高壓水水壓一般般不小于0.6MPa，每一水管的排排水量不小于200L/min；探測(cè)管：探測(cè)刃腳和隔墻墻底面下的泥面面標(biāo)高，清基射射水或破壞沉井井正面土層以利利下沉；氣管：空氣幕下沉沉井井；壓漿管：埋設(shè)壓漿管7）封底滲水率小于6mm/min時(shí)，排干水后用用C15或C20普通混凝土澆筑筑；當(dāng)井中的滲水率率大于6mm/min時(shí)，宜采用導(dǎo)管管法澆注C20級(jí)水下混凝土封封底。厚度按其承載力力條件計(jì)算確定定，一般其頂面面應(yīng)高出凹槽0.5m。8）頂板以混凝土填心的沉井可用素混混凝土頂板；空心或以其他松散料料填心的沉井需需用鋼筋混凝土土頂板，厚度一一般為1.0~2.0m；排水下沉的沉井井，其頂面在地面面或水位以下時(shí)時(shí)，應(yīng)設(shè)擋土防防水墻連接在井井壁的頂部。4.3沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算4.3.1下沉系數(shù)計(jì)算驗(yàn)算沉井自重是是否能克服下沉沉?xí)r土的摩阻力力，用下沉系系數(shù)k表示：表8-1沉井井壁與土體體之間的摩阻力力f（kPa）土的種類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5m深度范圍內(nèi)，單單位摩阻力按直直線規(guī)律由零增增加至最大值；；超過(guò)深度5m以后取常數(shù)值4.3.2沉井底節(jié)驗(yàn)算刃腳下的支承位位置不斷在變變，三種情況：：1）在排水或無(wú)水情情況下下沉沉井2）對(duì)于不排水下沉的沉井（1）假定底節(jié)沉井井僅支承于長(zhǎng)邊邊的中點(diǎn)（2）假定底節(jié)沉井井支承于短邊的的兩端點(diǎn)4.3.3沉井井壁計(jì)算沉井井壁應(yīng)進(jìn)行行豎直和水平兩個(gè)個(gè)方向的內(nèi)力計(jì)算。1）豎直方向在沉井的下沉過(guò)過(guò)程中，當(dāng)沉井井被四周土體箝箝固著而刃腳下下的土已被掏空空時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算井井壁接縫處的豎向拉應(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4-2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力時(shí)時(shí)分配于懸臂梁上上的水平力（kN/m）。（2）其余各段井壁的計(jì)算，可按井壁壁斷面的變化,取每一段中控制設(shè)設(shè)計(jì)的井壁（位于于每一段最下端的單單位高度）進(jìn)行計(jì)算。上部井段按照作用在水平框架上上的均布荷載q=W+E。然后用同樣的計(jì)算算方法，求得水平平框架的最大彎矩矩M、軸向壓力N、剪力Q，并據(jù)此設(shè)計(jì)水平鋼鋼筋。4.3.4沉井刃腳驗(yàn)算沉井刃腳部分可分分別作為懸臂或水平框框架驗(yàn)算其豎向及水平平向的彎曲強(qiáng)度。。1）按懸臂梁計(jì)算刃刃腳豎直方向的撓撓曲強(qiáng)度此時(shí)，刃腳根部可以認(rèn)為為與井壁嵌固，刃腳高度作為懸臂臂長(zhǎng)度，并可根據(jù)以下兩兩種不利情況分別別計(jì)算：（1）當(dāng)沉井下沉途中中，刃腳內(nèi)側(cè)已切入土土中深約1m;①沿井壁的水平方向向取一個(gè)單位寬度度，計(jì)算作用在刃刃腳上的土壓力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)立方程程式即可可求得V1和V2。④作用在刃刃腳斜面面上的水水平反力力U可按下式式計(jì)算：：U的作用點(diǎn)點(diǎn)在距刃刃腳底面面1/3高處。⑤刃腳重力力g按下式計(jì)計(jì)算：⑥求得作用用在刃腳上的的所有外外力的大大小、方方向和作作用點(diǎn)之之后，即可求算算刃腳根根部處截截面上每每單位周周長(zhǎng)內(nèi)（（井壁））的軸向向壓力N、水平剪力力Q及對(duì)截面面重心軸軸的彎矩矩M。并據(jù)此計(jì)計(jì)算在刃刃腳內(nèi)側(cè)的鋼鋼筋（豎豎直）數(shù)數(shù)量。（2）當(dāng)沉井井已沉沉到設(shè)設(shè)計(jì)標(biāo)標(biāo)高，，刃腳腳下的的土已已被掏掏空，，這時(shí)時(shí)刃腳腳處于于向內(nèi)內(nèi)撓曲曲的不不利情情況，，①計(jì)算刃刃腳外外側(cè)的的土壓壓力和和水壓壓力。。②由于刃刃腳下下的土土已被被掏空空，故故刃腳腳下的的垂直反反力Rv和刃腳腳斜面面水平平反力力U等于零零③作用在在井壁壁外側(cè)側(cè)的摩摩阻力力T④刃腳計(jì)計(jì)算時(shí)時(shí)重力力g與前面面相同同⑤計(jì)算在在刃腳腳外側(cè)側(cè)的鋼鋼筋（（豎直直）數(shù)數(shù)量2）按封封閉的的水平平框架架計(jì)算算刃腳腳水平平方向向的撓撓曲強(qiáng)強(qiáng)度作用在在刃腳腳側(cè)面面上的的水平平外力力將由由懸臂臂梁和和框架架來(lái)共共同承承擔(dān)。。分配系系數(shù)公公式如如:懸臂作作用:框架作作用:4.3.5沉井封封底計(jì)計(jì)算封底混混凝土土在基基底反反力作作用下下，將將其當(dāng)當(dāng)作支支承于于刃腳腳斜面面及隔隔墻上上的周邊支支承板板考慮；；支承情情況（簡(jiǎn)支支或嵌嵌固））和計(jì)算強(qiáng)強(qiáng)度在設(shè)計(jì)計(jì)中應(yīng)應(yīng)視具具體情情況而而定。。1）規(guī)定定（1）封底底混凝凝土應(yīng)應(yīng)承受受基底水水和土土的向上上反力力，此此時(shí)混混凝土土的齡齡期不不足，，應(yīng)降低低容許許應(yīng)力力；（2）混凝凝土填填實(shí)時(shí)時(shí)，計(jì)計(jì)入井井孔內(nèi)內(nèi)填充充物的的重力力；（3）封底底混凝凝土的的厚度度，一一般不不宜小小于1.5D；2）干封封底及及有關(guān)關(guān)計(jì)算算（a）下有有足夠夠厚粘粘土層層；（b）待底底板達(dá)達(dá)到足足夠強(qiáng)強(qiáng)度后后方停停止降降水沉井可可干封封底的的情況況（1）沉井井刃腳腳停留留在不不透水水粘土土層中中；不透水水粘土土層的的厚度度：：A——沉井底底部面面積（（m2）；——土的有有效重重度（（即浮浮重度度）（（kN/m3）；——刃腳下下面不不透水水粘土土層厚厚度（（m）；c——粘土的的粘聚聚力（（kPa）；U——沉井刃刃腳踏踏面內(nèi)內(nèi)壁周周長(zhǎng)（（m）；（2）在沉井內(nèi)設(shè)吸水水鼓并有良好濾層的的情況下降水，，一直降到鋼筋混凝土底板板足夠承擔(dān)地下水水回升后的水土土壓力，方可拆拆除并封閉降水水管，在這種情情況下，可采用干封底。3）水下封底混凝凝土的厚度計(jì)算算封底要求是：（1）按最不利情況混凝土厚度：：即在沉井封底底后，將井內(nèi)水水排干，在鋼筋筋混凝土底板尚尚未施工前。。（2）水下封底混凝凝土最好不讓其中出現(xiàn)拉應(yīng)力。分配線相交于于素混凝土封底底上，可以認(rèn)為為不承受拉應(yīng)力力。中央鍋底挖深可可形成倒拱。若出現(xiàn)拉應(yīng)力，，計(jì)算方法：注意計(jì)算跨度；；①周邊簡(jiǎn)支支承的的圓板在承受均均勻荷載時(shí)，可可計(jì)算板中心的的最大彎矩值：：②周邊簡(jiǎn)支支承的雙向板在承受受均布荷載時(shí)，，計(jì)算跨中彎矩矩Mx和My：簡(jiǎn)支支承雙向板板計(jì)算簡(jiǎn)圖③求出彎矩值后，，封底混凝土的的厚度——考慮封底混凝土土因與井底泥土土摻混需要增加的厚度，宜取0.3~0.5m；若基底采取鋪塊塊石或碎石灌漿漿抹平處理后再再封底，可不考慮此增加加值。④封底混凝土剪應(yīng)應(yīng)力計(jì)算應(yīng)加大封底混凝凝土的抗剪面積。如在井壁和隔墻墻內(nèi)設(shè)置凹槽等等。4.3.6沉井底板計(jì)算1）底板荷載計(jì)算算A：沉井結(jié)構(gòu)的最大大自重除以沉井井外圍底面積的商，不不計(jì)井壁側(cè)面摩摩阻力。B：假定水壓力全部部由鋼筋混凝土土底板承受。土反力和水壓力力中數(shù)值較大者2）沉井底板內(nèi)力力計(jì)算內(nèi)力可按單跨或或多跨板計(jì)算;邊界支承條件,