市政管道工程沉井基础知识讲义.ppt

1、沉井基础沉井基础沉井平面长69米，宽51米，下沉深度为58米，体积20.4万立方米,列世界最大沉井。(列世界第的美国费雷泽诺桥费雷泽诺桥的沉井体积为15万立方米)9.1概述概述一、认识沉井一、认识沉井江江阴阴长长江江公公路路大大桥桥北北锚锚沉沉井井1.工程工程应用应用大型钢壳沉井大型钢壳沉井大型钢壳沉井大型钢壳沉井过黄浦江倒虹管沉井过黄浦江倒虹管沉井过黄浦江倒虹管沉井过黄浦江倒虹管沉井宝山钢铁厂取水泵房工程宝山钢铁厂取水泵房工程宝山钢铁厂取水泵房工程宝山钢铁厂取水泵房工程应用范围应用范围 桥墩、锚碇、矿用竖井、地下泵房、水池、油库、地下设备基础、盾构隧道、顶管的工作井和接收井等。依靠自身重力克

2、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孔，最后成为结构物基础的井筒状结构。2.沉井的定义沉井的定义3.沉井基础的特点沉井基础的特点 (1)(1)埋置深度大，整体性强、稳定性好，承载面积大，承载力高埋置深度大，整体性强、稳定性好，承载面积大，承载力高(垂直垂直 与水平与水平)；(2)(2)既可作基础，又可作施工时的挡土和挡水围堰结构物；既可作基础，又可作施工时的挡土和挡水围堰结构物；(3)(3)施工时对邻近建筑物影响较小；施工时对邻近建筑物影响较小；(4)(4)内部空间可进一步利用。内部空间可进一步利用。4.沉井的缺点沉井的缺点 (1)施工工期较长；(2)施工技术要求高；(3)施

3、工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。二、沉井的构造二、沉井的构造1.沉井的截面形式沉井的截面形式平 面 形 状有：圆形、矩形、圆端形等井孔的布置方式有：单孔、双孔、多孔。井壁井壁厚度厚度0.41.2m；承受水土压力。承受水土压力。刃脚刃脚宽度宽度1020cm，高度约高度约1.5m（湿封底）（湿封底）或或0.6m（干封底），内侧倾角（干封底），内侧倾角45 60；冲切硬土，减小端部阻力。；冲切硬土，减小端部阻力。内隔墙内隔墙厚度约厚度约0.5m，底面高出井壁刃脚踏面，底面高出井壁刃脚踏面0.51m，增加沉井刚度、改善井壁受力条件、增加沉井刚度、改善井壁受力条件、挖土均衡，便于纠偏。挖土均衡，

4、便于纠偏。井孔井孔宽度（直径）不宜小于宽度（直径）不宜小于3m，挖土、排土场挖土、排土场所和通道。所和通道。井壁凹槽井壁凹槽槽高约槽高约1.0m，深度，深度0.150.25m，增加封底增加封底混凝土、底版与井壁连接。混凝土、底版与井壁连接。预埋射水管预埋射水管下沉困难时减阻。下沉困难时减阻。封底（底板）封底（底板）沉井下沉到设计标高，经检验和坑底清理沉井下沉到设计标高，经检验和坑底清理后浇注的混凝土底版。分为干封和湿封后浇注的混凝土底版。分为干封和湿封（水下浇灌混凝土）两种。（水下浇灌混凝土）两种。2.沉井的构造沉井的构造3.设计计算的主要构件设计计算的主要构件a）直壁式b）台级式刃脚刃脚刃脚

5、刃脚井壁井壁井壁井壁底梁和框架底梁和框架底梁和框架底梁和框架当不能设置内隔墙而沉井又较大时，常常在沉当不能设置内隔墙而沉井又较大时，常常在沉井底部增设底梁或因沉井过高，常常在沉井不同井底部增设底梁或因沉井过高，常常在沉井不同高度处设置纵横梁构成高度处设置纵横梁构成框架结构框架结构。9.2 9.2 沉井的施工沉井的施工分旱地施工沉井分旱地施工沉井与与水上施工沉井水上施工沉井两种情况两种情况旱地沉井工序：旱地沉井工序：就地制造就地制造挖土下沉挖土下沉孔底清查孔底清查封底封底充填井孔以及充填井孔以及浇注顶板。浇注顶板。水上沉井工序：水上沉井工序：水深水深3m4m以内且流速不大时以内且流速不大时水上筑

6、岛水上筑岛岛上制造岛上制造挖土下沉挖土下沉孔底清查孔底清查封底封底充填充填井孔以及浇注顶板。井孔以及浇注顶板。水较深或流速较大时水较深或流速较大时岸边制造岸边制造牵引滑移或起吊就位牵引滑移或起吊就位挖土下沉挖土下沉孔底清查孔底清查封底封底充填井孔以及浇注顶板。充填井孔以及浇注顶板。旱地沉井施工过程图旱地沉井施工过程图大型沉井下沉施工中大型沉井下沉施工中水上沉井施工过程图水上沉井施工过程图深圳水库钢壳沉井施工深圳水库钢壳沉井施工深圳水库钢壳沉井施工深圳水库钢壳沉井施工沉井基础沉井基础 一一、组成及作用组成及作用 沉井基础沉井基础是一种竖直的是一种竖直的筒形结构，常用混凝土、钢筒形结构，常用混凝土

7、、钢筋混凝土或砖石等制成。筋混凝土或砖石等制成。通过在井内挖土，使筒体在通过在井内挖土，使筒体在自重作用下克服井壁摩阻力自重作用下克服井壁摩阻力下沉至设计高程，经混凝土下沉至设计高程，经混凝土封底填塞井孔后，使整个筒封底填塞井孔后，使整个筒体成为一个体成为一个支墩支墩。沉井基础沉井基础 二、二、特点特点 (1)(1)埋深大；埋深大；(2)(2)整体性好；整体性好；(3)(3)承载力高；承载力高；(4)(4)对邻近建筑物影响小；对邻近建筑物影响小；(5)(5)充分利用地下空间等特点；充分利用地下空间等特点；(6)(6)施工时具有挡水或挡土等作用；施工时具有挡水或挡土等作用；但但施工工期施工工期较

8、长，沉井下沉遇障或遇流砂等都较长，沉井下沉遇障或遇流砂等都会给施工带来困难。会给施工带来困难。沉井基础沉井基础 三三、应用应用 工程中，遇到工程中，遇到下列情况时下列情况时考虑采用沉井基础：考虑采用沉井基础：（1）荷载较大，表层地基土的承载力小，在一定深荷载较大，表层地基土的承载力小，在一定深度有较好持力层；度有较好持力层；（2）在河流中，虽土质较好，但冲刷大或有较大卵在河流中，虽土质较好，但冲刷大或有较大卵石，不便桩基施工；石，不便桩基施工；（3）岩层表面较平坦且覆盖层较薄但河水深，采用岩层表面较平坦且覆盖层较薄但河水深，采用扩大基础施工围堰有困难。扩大基础施工围堰有困难。（4）在已有的浅基

9、础邻近修建深埋的设备基础时，在已有的浅基础邻近修建深埋的设备基础时，为避免基坑开挖对已有的基础产生影响等情况。为避免基坑开挖对已有的基础产生影响等情况。沉井基础沉井基础 四、四、沉井的分类沉井的分类 1.1.按沉井的形状按沉井的形状 按沉井的平面形状，常用的沉井形状有：圆形、按沉井的平面形状，常用的沉井形状有：圆形、圆端形、矩形及单孔、多孔沉井；按沉井的剖面形状圆端形、矩形及单孔、多孔沉井；按沉井的剖面形状可分为：可分为：（1 1）外壁垂直无阶式；）外壁垂直无阶式；（2 2）有阶式和外壁倾斜式）有阶式和外壁倾斜式沉井基础沉井基础 2.2.按沉井的建筑材料，沉井可分为：按沉井的建筑材料，沉井可分

10、为：（1 1）混凝土沉井；）混凝土沉井；（2 2）钢筋混凝土沉井；）钢筋混凝土沉井；（3 3）钢沉井；）钢沉井；（4 4）砖沉井等。）砖沉井等。沉井基础沉井基础 3.3.按沉井的施工方法，沉井可分为：按沉井的施工方法，沉井可分为：(1)(1)一般沉井是指就地制造并下沉的沉井一般沉井是指就地制造并下沉的沉井;(2)(2)浮运沉井是在深水地区筑岛有困难或有碍浮运沉井是在深水地区筑岛有困难或有碍 通航时，可在岸边制作沉井，再浮运就位通航时，可在岸边制作沉井，再浮运就位 后下沉的沉井。后下沉的沉井。沉井基础沉井基础 五、五、沉井基础的基本构造沉井基础的基本构造 沉井的轮廓尺寸其上部的墩（台）底部的形沉

11、井的轮廓尺寸其上部的墩（台）底部的形状尺寸决定，其长、短边之比应不大于状尺寸决定，其长、短边之比应不大于 3 3。沉井顶面的尺寸通常为墩（台）底部再加沉井顶面的尺寸通常为墩（台）底部再加 0.2m0.2m0.4m0.4m的襟边宽度；的襟边宽度；沉井高度则由上部结构、水文地质和土层承沉井高度则由上部结构、水文地质和土层承载力等决定，高的沉井要分节制作下沉，底节载力等决定，高的沉井要分节制作下沉，底节沉井的高度不宜过高。沉井的高度不宜过高。沉井基础沉井基础沉井基础沉井基础盖板井壁凹槽刃脚封底隔墙沉井基础沉井基础六、六、沉井下沉过程中可能遇到的问题及处理方法沉井下沉过程中可能遇到的问题及处理方法 沉

12、井在沉井在下沉过程中下沉过程中可能出现的问题主要有两类可能出现的问题主要有两类:(1)(1)下沉不均匀发生倾斜和位置偏移；下沉不均匀发生倾斜和位置偏移；(2)(2)下沉困难。下沉困难。发生发生偏斜偏斜的原因大致有这几种：的原因大致有这几种：(1)(1)土质软硬不均匀土质软硬不均匀;(2)(2)挖土不对称挖土不对称;(3)(3)刃脚处有障碍物未予清除刃脚处有障碍物未予清除;(4)(4)一侧出现流砂而未得到控制等。一侧出现流砂而未得到控制等。沉井基础沉井基础沉井基础沉井基础 纠偏的方法是：纠偏的方法是：(1)(1)在沉井下沉多的一侧回填砂石，以阻止继续下在沉井下沉多的一侧回填砂石，以阻止继续下沉，

13、在高的一侧集中沉，在高的一侧集中 挖土挖土;(2)(2)在高的一侧配加重物，以加速该侧下沉；如有在高的一侧配加重物，以加速该侧下沉；如有必要，还可在沉井顶部施加水平力来帮助纠偏。必要，还可在沉井顶部施加水平力来帮助纠偏。(3)(3)如遇中心位置偏移，则应先人为造成沉井倾如遇中心位置偏移，则应先人为造成沉井倾斜，再均匀取土，使之倾斜下沉，直到沉井中心线斜，再均匀取土，使之倾斜下沉，直到沉井中心线到达设计位置后，再行纠偏扶正到达设计位置后，再行纠偏扶正 。沉井基础沉井基础 克服下沉困难主要可以从两方面着手：克服下沉困难主要可以从两方面着手：(1)(1)增加沉井重量增加沉井重量：提前浇筑上一节沉井；

14、在沉井顶：提前浇筑上一节沉井；在沉井顶部加压；在保证不发生流砂的前提下，抽取井内的部加压；在保证不发生流砂的前提下，抽取井内的水，以减小浮力。水，以减小浮力。（2)2)减小井壁的摩阻力减小井壁的摩阻力：尽力将井壁外侧制作光滑平：尽力将井壁外侧制作光滑平整；将井壁设计成台阶式；设置管道，利用高压空气整；将井壁设计成台阶式；设置管道，利用高压空气或水的喷射能量来减小摩擦；从管道中喷出触变泥或水的喷射能量来减小摩擦；从管道中喷出触变泥浆，形成泥浆套。浆，形成泥浆套。井壁是沉井基础的主体部分，它需挡水、挡井壁是沉井基础的主体部分，它需挡水、挡土，并承受多种荷载的作用，而且还需要有土，并承受多种荷载的作

15、用，而且还需要有一定的重量以便下沉。一定的重量以便下沉。常用的厚度为常用的厚度为0.50.51.5m1.5m；混凝土的强度等；混凝土的强度等级级不低于不低于C15C15。井井 壁壁沉井基础沉井基础 刃脚的作用是沉井刃脚的作用是沉井在自重的作用下易于在自重的作用下易于切土下沉。切土下沉。其底面（踏面）宽其底面（踏面）宽度一般为度一般为0.10.10.2m,0.2m,刃脚处采用钢筋混凝刃脚处采用钢筋混凝土制作，混凝土强度土制作，混凝土强度等级宜在等级宜在C20C20及上。及上。刃刃 脚脚沉井基础沉井基础 凹槽设置于沉井下部接近刃脚处，其作凹槽设置于沉井下部接近刃脚处，其作用是使封底混凝土嵌入井壁而

16、形成一个整用是使封底混凝土嵌入井壁而形成一个整体，以便封底混凝土底面的反力能更好的体，以便封底混凝土底面的反力能更好的传给井壁。传给井壁。凹槽槽深约凹槽槽深约0.150.150.2m0.2m，高约，高约1.0m1.0m。凹凹槽槽沉井基础沉井基础 隔墙是为减小井壁的跨距，加强沉井的刚隔墙是为减小井壁的跨距，加强沉井的刚度，同时便于掌握挖土、控制沉井下沉和纠偏度，同时便于掌握挖土、控制沉井下沉和纠偏设置的。设置的。隔墙厚度一般小于井壁，且高于刃脚隔墙厚度一般小于井壁，且高于刃脚 0.5m0.5m，以免防碍沉井下沉，有时还在隔墙下端设置人以免防碍沉井下沉，有时还在隔墙下端设置人孔，以便工作人员在井孔

17、中活动。孔，以便工作人员在井孔中活动。隔隔墙墙沉井基础沉井基础 井孔中不填料或仅填以砂砾，须在沉井的井孔中不填料或仅填以砂砾，须在沉井的顶面浇筑钢筋混凝土顶盖板，以支承墩（台）顶面浇筑钢筋混凝土顶盖板，以支承墩（台）及上部结构的全部荷载。及上部结构的全部荷载。封底是在沉井下沉达到设计高程并经清理封底是在沉井下沉达到设计高程并经清理后以混凝土浇筑的，其强度等级一般不低于后以混凝土浇筑的，其强度等级一般不低于C15C15，（岩石地基可用，（岩石地基可用C15,C15,一般地基用一般地基用C20C20），），厚度应从刃脚下厚度应从刃脚下0.5m0.5m处到凹槽的上端。处到凹槽的上端。板的构造要求及计

18、算按承受均布的板的构造要求及计算按承受均布的双向板双向板来考虑。来考虑。封封底底和和顶顶盖盖板板沉井基础沉井基础9.39.3沉井的设计与计算沉井的设计与计算 沉井是深基础的一种类型，沉井在施工完毕后，由沉井是深基础的一种类型，沉井在施工完毕后，由 于于它它本本身身就就是是结结构构物物的的基基础础，就就应应按按基基础础的的要要求求进进行行各各项项验验算算；但但在在施施工工过过程程中中，沉沉井井是是挡挡土土、挡挡水水的的结结构构物物，因而还要对沉井本身进行，因而还要对沉井本身进行结构设计和计算结构设计和计算 。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

19、要求及施工方法，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。沉井基础的计算，根据它的埋置深度可用两种不同的计算方法。一、沉井作为整体深基础的设计与计算一、沉井作为整体深基础的设计与计算 当沉井埋置深度在最大冲刷线以下较浅仅数米时，这当沉井埋置深度在最大冲刷线以下较浅仅数米时，这时可以不考虑基础侧面土的横向抗力影响，而按浅基础设时可以不考虑基础侧面土的横向抗力影响，而按浅基础设计计算规定，分别验算计计算规定，分别验算地基强度、沉井基础的稳地基强度、沉井基础的稳定性和沉降，定性和沉降，使它符合容许值的要求；使它符合容许值的要求；当沉井基础埋置深度较大时，由于埋置在土体内较当沉井基础埋置

20、深度较大时，由于埋置在土体内较深，不可忽略沉井周围土体对沉井的约束作用，因此在验深，不可忽略沉井周围土体对沉井的约束作用，因此在验算地基应力、变形及稳定性时，需要考虑算地基应力、变形及稳定性时，需要考虑基础侧面土体基础侧面土体弹性抗力的影响。弹性抗力的影响。假定沉井基础在横向外力作用下只能发生转动而无挠假定沉井基础在横向外力作用下只能发生转动而无挠曲变形。因此，可按刚性桩计算内力和土抗力，即曲变形。因此，可按刚性桩计算内力和土抗力，即相当于相当于“m”法法中中 h 2.5的情况。的情况。下面具体讨论这种计算方法。下面具体讨论这种计算方法。（一）非岩石地基上沉井基础的计算（一）非岩石地基上沉井基

21、础的计算 沉井基础受到水平力H及偏心竖向力N作用。将水平力H及偏心竖向力N引起的力矩等效转换成水平力H距离基底的作用：先讨论沉井在水平力H作用下的情况，水平力的作用下，沉井将围绕位于地面下z0深度处的A点转动一角，地面下深度z处沉井基础产生的水平位移x和土的横向抗力zx分别为：x=(z0z)tgzx=xCz=mz(z0z)tg式中z0转动中心A离地面的距离；土的横向抗力沿深度为二次抛物线变化。基础底面处的压应力，考虑到该水平面上的竖向地基系数C0不变，故压应力图形与基础竖向位移图相似。式中:C0不得小于10m0，d为基底宽度或直径。X0M0在上述三个公式中，有两个未知数z0和，要求解其值，可建

22、立两个平衡方程式，即式中：W为基底的截面模量。求得z0、（tan），进而求得当有竖向荷载N及水平力H同时作用时，则基底边缘处的压应力为：式中:A0基础底面积。离地面或最大冲刷线以下z 深度处基础截面上的弯矩可以认为基底不产生水平位移，则基础的旋转中心A与基底中心相吻合，即z0h。地面下z深度处产生的水平位移x和土的横向抗力zx分别为 x=(hz)tgzxmzxmz(hz)tg基底边缘处的竖向应力为：（二）基底嵌入基岩内的沉井（二）基底嵌入基岩内的沉井上述公式中只有一个未知数，故只需建立一个弯矩平衡方程便可解出值。由弯矩平衡方程MA0便可解出值，进一步求得：式中：基底边缘处的应力为：再根据X0，

23、可求出嵌入处未知的水平阻力P（三）验算（三）验算 基底计算最大压应力不应超过沉井底面处地基土的设计承载力h。即:max h 1.基底应力验算横向计算zx值应小于沉井周围土的极限抗力值。极限抗力值计算方法：当基础在外力作用下产生位移时，在深度z处基础一侧产生主动土压力强度pa，而被挤压一侧土就受到被动土压力强度pP，故其极限抗力，以土压力表达为zxpp-pa2.横向抗力验算由朗金土压力理论可知式中:为土的容重，和c分别为内摩擦角和粘聚力。桥梁结构中，根据试验知道出现最大的横向抗力大致在z=h/3和z=h处，即式中:相应于z=h/3深度处的土横向抗力；相应于z=h深度处的土横向抗力；h基础的埋置深

24、度；基础在水平力和力矩作用下，墩台顶面会产生水平位移。由地面处的水平位移z0tg，地面到墩台顶范围h2内的水平位移h2tg，在h2范围内墩台身弹性挠曲变形引起的墩台顶水平位移0，三部分组成。=(z0+h2)tg+01取决于上部结构形式的系数，一般1=1，对于拱桥1=0.7；2考虑恒载对基础底面重心所产生的弯矩Mg在总弯矩M中所占百分比的系数，即3.墩台顶面水平位移验算现行桥梁规范中规定：墩台顶面的水平位移应符合下列要求：式中：L相邻跨中最小跨的跨度(m)，当跨度L25m时，L按25m计算。考虑到转角一般均很小，可令tg=。如果沉井基底嵌入基岩内，z0h。在确定沉井主体尺寸后，即可算出沉井自重，

25、验算在沉井施工下沉时，保证在自重作用下克服井壁摩阻力Rf而顺利下沉，亦即下沉系数K1应为：式中:G 沉井在各种施工阶段时的总自重，kN；B 下沉过程中地下水的总浮力，kN；Rf 井壁总摩阻力，kN；沉井是一种预制构件，在施工过程中受到各种外力的 作用，沉井结构强度必须满足各阶段最不利受 力情况的要求，沉井结构在施工过程中应主要 进行下列验算。二、沉井的结构设计二、沉井的结构设计（一）下沉系数（一）下沉系数K1、下沉稳定系数、下沉稳定系数K1和抗浮安全系数和抗浮安全系数K2在下沉过程中，构成K1的分子和分母不断变化，因此不仅要确定最终状态下，而且应跟踪整个下沉过程中K1值的变化规律。如：沉井在软

26、弱土层中接高时有突沉可能，应根据施工情况进行下沉稳定验算：式中：下沉稳定系数，一般取0.80.9。R1刃脚踏面及斜面下土的支承力，kN；R2隔墙和底梁下土的支承力，kN。K1下沉系数，一般为1.051.25。对位于淤泥质土层中沉井宜取小值；位于其它土层的沉井可取较大值。当沉井沉到设计标高，在进行封底并抽除井内积水后，而内部结构及设备尚未安装，井外按各个时期出现的最高地下水位验算沉井的抗浮稳定：式中：K2抗浮安全系数，一般取1.051.1。在不计井壁摩阻力时，可取1.05。B封底后沉井所受的总浮力，kN；（二）刃脚计算（二）刃脚计算 沉井刃脚相当于是三面固定，一面自由的双向板。简化计算：1.可看作固着在刃脚根部处的悬臂梁，梁长等于井壁刃 脚斜面部分的高度；2.刃脚又可看作为一个封闭的水平框架。因此：作用在刃脚侧面上的水平外力将由悬臂梁和框架来共同承担，也即部分水平外力是垂直向传至刃脚根部，余下部分由框架承担。（三）井壁计算（三）井壁计算1.竖向挠曲计算（沉井抽承垫木时计算）2.沉井均布竖向拉力计算（井壁竖直钢筋验算）3.沉井井壁水平应力计算（井壁水平钢筋计算）（四）封底混凝土的厚度计算（四）封底混凝土的厚度计算沉井底板可按均布荷载作用下的铰支承板设计，在计算该均布荷载时，不计沉井均布摩阻力。