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1、桥梁桩基础,第一节 概述一、桥梁的组成及概念,基础的分类：浅基础：刚性扩大基础(材料:砖石,素混凝土,钢筋混凝土)深基础：桩、沉井(钢筋混凝土)浅基础和深基础的区别:浅基础:埋深h小于或等于5m,施工简单,可以明挖,计算时不考虑土抗力.深基础:埋深h5m,施工较复杂,计算时,要考虑周围土抗力.埋置深度h对于有冲刷的河流，是从最大冲刷线至基础底面的距 离；对于无冲刷河流，是从河底或地面至基础底面的距离。地基的分类：人工地基需要经过人工加固或处理的地基；天然地基可直接放置基础的地基。桥梁桩基础的概念：组成：承台+基桩 作用：将上部结构传来的力传入地基中。,二、桩的适用条件,1.荷载较大，地基上部土
2、层软弱，适宜的持力层较深。2、河床冲刷大，采用浅基础施工困难或不够安全。3、结构对不均匀沉降敏感时。4、施工水位过高，避免水下施工。5、地震区。,第二节 桩基的类型和构造,一、按受力条件分：1.摩擦桩和柱桩：摩擦桩：桩穿过并支撑于各可压缩土层中，主要依靠桩侧摩阻力支承荷载。柱桩：桩穿过土层，支撑在岩石等非压缩土层中，主要依靠桩底支承力荷载，忽略桩侧摩阻力。2.竖直桩和斜桩;竖直桩：常用于承受垂直力。斜桩：为了承受较大水平力，一般用于拱桥桥台。3.高承台桩：台底位于地面（或冲刷线）以上，圬工少，施工方便。低承台桩：台底位于地面（或冲刷线）以下，圬工多，稳定性好。,二、按施工方法分：钻孔灌注桩 打
3、入桩 静力压桩 沉管灌注桩 爆扩桩 管柱桩,三、桩基础的构造钢筋组成和作用。摩擦桩：分段配筋；柱桩：全长均匀配筋。桩与承台连接时，应成喇叭形，并放置钢筋网在顶端。,第三节 钻孔灌注桩的施工,施工特点：简单、方便。适用于：各种砂性土、粘性土、碎卵石 类土、岩层。慎用：在有淤泥，可能有流砂或有承压水的土质地点。,施工顺序：1.准备场地：三通一平 浅水施工：筑岛围堰 深水施工：搭支架、搭便桥，安装水中平台、用浮船。2.埋护筒：种类：木、钢、混凝土 作用：1）固定桩位，做钻孔导向；2）保护孔口，防止坍塌；3）隔离地面水，保持水头差。,埋护筒要求：1）平面位置应埋设正确；2）筒顶标高应高出地下水位和施工
4、最高水位1.52.0m。3）筒底应低于施工最低水位0.10.3m4)护筒四周应夯填密实的粘土，埋在稳定土层中。3.制备泥浆：作用：1）产生较大的悬浮液压力，防止塌孔；2）在孔壁表面形成胶泥层，有护壁作用；3）泥浆比重大，具有浮渣作用，利于钻渣的排出。,4.安装钻机或钻架。5.钻孔：方法：1）旋转钻2）冲击钻 3）冲抓钻,注意事项：1）保持水头差2）注意速度3）一气呵成4）加强检查,6.清孔：目的：除去孔底钻渣、泥浆，保证质量。方法：1）换浆清孔 2）掏渣清孔 3)抽浆清孔7.下钢筋笼,8.灌注水下混凝土,采用直升导管法：关键：导管不能到底部；浇注前放置隔水栓；及时上提，防止断桩。第一斗混凝土的
5、用量；第一次灌注11.5m深。,对混凝土要求：1）应有必要的流动性，坍落度1820cm；2）混凝土搅拌均匀，防止离析；3）一气呵成，防止中断；4）保证导管埋入混凝土一定深度。第九步：桩头处理,*钻孔灌注桩常见事故及处理,1.坍孔2.漏浆3.卡钻或掉钻头4.浮笼5.断桩,第四节 单桩承载力,一、单桩轴向荷载传递机理和特点：竖向承载力=桩侧摩阻力+桩底处土的支承力1）对于摩擦桩：在竖向荷载作用下，摩阻力先出现，逐步增大，直至达到极限，而后桩底反力开始出现，并达到最大。2）对于柱桩，桩底承载力发挥充分，摩阻力很小。,3)粘性土打入桩：摩阻力沿入土深度呈抛物线型分配，力约等于中等强度粘土在不排水时抗剪
6、强度。4）砂性土打入桩：入土深度在（1020)d内，摩阻力直线增长；入土深度超过（1020)d，摩阻力近乎均匀或逐渐减少。,5）钻孔灌注桩：侧向压力在施工中解除现象，摩阻力分布均匀。6）长期荷载作用下，桩身总摩阻会减小，而桩端总阻力增加。7）相同土层中，长桩发挥的摩阻力大于短桩。,二、轴向荷载下桩的破坏模式,1）桩身的纵向挠曲破坏（岩石地基）；2）桩端土发生整体剪切破坏（穿过软弱土层、支承在强度较高的硬土层上的摩擦桩）；3）刺入式破坏（入土深度大的桩）。,三、单桩轴向容许承载力的确定,（一）静载试验法（二）桥梁规范法：假定：1.桩承载力=侧摩阻力+桩尖支承力 2.灌注桩侧摩阻力、桩底力均匀分布
7、,钻孔灌注桩：,U-桩身周长，按成孔直径计算，旋转钻，按钻头直径增大3050cm。,Ap-桩底截面积。,h-桩底埋置深度。,四、桩的负摩阻力问题,1948年由太沙基首先提出：负摩阻力的产生：桩周土的沉降量大于桩沉降量。产生高度：中性点到地面中性点的位置：通过计算确定，估计值为h1=0.77h20.80h2,产生原因：1）可压缩软粘土层、新填土在自重作用下固结。2）大面积地面荷载使桩周土被压密。3）地下水位下降引起。4）桥头高填土及路堤荷载5）湿陷性黄土地基，由于地基浸水而沉。,负摩阻力强度：f=1/2*ququ为软弱土层的无侧限抗压强度。或f=rhktg则极限摩阻力：Nf=f*Anf 其中，A
8、nf为负摩阻区桩身表面积；*考虑桩的负摩阻力，桩的容许承载力公式要发生变化。后果：1）桩基下沉量增加；2）基础不均匀沉降。措施：桩身涂沥青、油漆，可减少负摩阻力。,五、单桩横向容许承载力的确定,一、桩在横向荷载作用下的工作性能,第二节 桥梁桩基内力和位移的计算,一、基本概念1土的弹性抗力：桩在各种荷载的作用下，会发生位移和转角，其中，水平位移及转角会挤压桩侧土体，桩侧土必然对桩产生一横向土抗力，称为土的弹性抗力。,式中：横向土抗力（KN/m2）；C地基系数（KN/m3）；Xz深度z处桩的横向位移（m）。对C的确定方法（图-1）：a）“m”法 b）“K”法 c）“C值”法 d）“C”法,上述四种
9、方法均假定地基符合文克尔弹性地基。目前，公桥基规广泛采用“m”法。即C=mz，其中，m地基土比例系数，可查规范中相关表格。,2单桩、单排桩与多排桩1）单桩、单排桩：是指在与水平外力H作用面相垂直的平面上，由单根或多根桩组成的。如图-2中a），b）。若作用承台底面中心的荷载为N、H、M，各单根桩顶承受的力：（如图-3）N在承台横桥向无偏心，可均摊，即：N在承台横桥向有偏心e，偏心弯矩Mx=Ne，则每根桩竖向力可按偏心受压构件计算：,3计算宽度是指桩在水平外力的作用下，桩侧土受到影响的宽度并不等于桩的直径，而是大于桩径。即为桩在实际工作条件下的计算宽度b1。b1=KfK0Kb（或d）,2）多排桩：
10、是指水平外力H作用平面上（即行车方向），由一根以上的桩组成。如图-2中c）。各根桩的受力需采用结构力学方法9见后面）。,b（或d）与外力H作用方向相垂直平面上桩的宽度（或直径）；Kf形状换算系数。（可查表）。K0受力换算系数。K桩间相互影响系数。,4刚性桩与弹性桩刚性桩：桩的入土深度；其中，为变形系数，弹性桩：桩的入土深度。,二、“m”法弹性单排桩内力和位移的计算（一）基本假定：桩侧土为弹性地基土，应力与位移呈正比；忽略桩土间的粘着力和摩阻力；弹性桩。（二）计算公式：当桩的支承条件及入土深度符合一定要求，可得地面以下任意深度处的内力和位移：,若已知桩顶与地面平齐，地面处水平力Q0，弯矩M0，则
11、,1对于 的摩擦桩、的柱承桩：（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）,2对于 的 嵌岩桩：（3-5）（3-6）（3-7）（3-8）上式中的 及 为无量纲系数，均为 和 的函数，规范已将其制成表格供查用。,三、最大弯矩位置的确定 1可通过绘制各深度Z处的弯矩M曲线图，从图中求得。2可通过解析法求得最大值。最大弯矩处，剪力为0。可通过QZ公式反求Z值。,四、桩顶位移的计算公式桩位于地面或最大冲刷线以上l0，桩顶自由，作用外力Q及M，则桩顶的位移包括：地面处水平位移x0，地面处转角0所引起的桩顶位移0 l0，桩露出地面段作为悬臂梁由Q和M引起的桩顶水平位移XQ，XM，即,其中,M0=Q l0+M，
12、Q0=Q，,当桩柱露出地面部分为变截面（如右图4），上部截面抗弯刚度为E1I1，（直径为d1，高度为h1），下部截面抗弯刚度为EI，（直径为d，高度为h2），设n=E1I1/EI，则：,五、单桩或单排桩的计算步骤：1计算各桩顶承受的荷载Pi、Qi、Mi；2确定桩在最大冲刷线下的入土深度：一般可根据持力层位置，荷载大小，施工条件等初步确定，通过验算再予以修改；在地基土较单一，桩底端位置不宜根据土质判断时，可根据单桩容许承载力公式计算桩长；单桩容许承载力公式，若设桩埋入最大冲刷线以下深度为h，一般冲刷线以下深度为h3，为一根桩受到的全部垂直荷载（包含最大冲刷线以下桩重的一半），（KN），则，,3验
13、算单桩轴向承载力；4确定桩的计算宽度b1；5计算桩的变形系数a值；6计算地面处桩截面的作用力Q0，M0，并验算桩在地面或最大冲刷线的横向位移x0不大于6mm，然后求算桩身各截面的内力，进行桩身配筋，桩身截面强度和稳定性验算；,7计算桩顶位移和墩台顶位移，并进行验算；要求：小于或等于 cm。对于多层土，首先假定持力层，初步得到桩长h，然后代入上式，验算桩的承载力是否大于荷载，然后，再进行调整，使得桩长的设计即经济又合理。,算例：单排桩基础算例(双柱式桥墩钻孔灌注桩基础)(一)设计资料 1地质与水文资料 地基土为密实细砂夹砾石，地基土比例系数m1000OkNm4；地基土的极限摩阻力 70kPa；地
14、基土内摩擦角 400，内聚力c0；地基土容许承载力 400kPa；土容重 1180kNm3(已考虑浮力)；地面标高为33534m，常水位标高为33900m，最大冲刷线标高为33060m，一般冲刷线标高也为33534m；,2桩、墩尺寸与材料 墩帽顶标高为34688m，桩顶标高为339。00m，墩柱顶标高为34531m；墩柱直径150m，桩直径165m，成孔直径1。80m。桩身混凝土用20号，其受压弹性模量Eh26104MPa,3荷载情况 桥墩为单排双柱式，桥面宽7m，设计荷载汽车一15级，挂一80 每一根桩承受荷载为:两跨恒载反力Nl137600kN 盖梁自重反力N225650kN 系梁自重反力
15、N37640kN 一根墩柱(直径15m)自重N427900kN,桩每延米的自重（已扣除浮力）；两跨活载反力，一跨活载反力，M=120。90KN。桩基础选用冲抓钻孔灌注桩基础，为摩擦桩。（二）桩长计算 由于地基土单一，用经验公式确定。设桩埋入最大冲刷线以下深度为h，一般冲刷线以下深度为h3，则，Nh为一根桩受到的全部竖直荷载（KN），最大冲刷线以下（入土深度）桩重的一半作为外荷载计。公式右端项代入公式得h=10。09m，取h=10。50m,四、“m”法计算弹性多排桩基桩内力和位移计算,1计算假定：顺桥向桩多于一排；承台与桩头连接为刚性的；外力作用平面内的桩作为一平面框架，用结构力学方法计算各桩上
16、的作用力。,2计算公式的推导过程：如图，承台变位，取XOZ坐标轴，在外荷载V、H、M作用下，O点变位：水平位移竖向位移转角,1）任一排（i）桩顶变位（XOZ坐标系下）：（Xi为第i排桩桩顶至承台中心的距离）,2）任一排（i）桩顶变位（沿桩轴向与横轴向的变位）：横轴向：轴向：,3）荷载与位移的关系用位移法求解超静定结构的内力。根据力和位移的关系，当承台中心点O产生变位时，第i根桩桩顶引起的轴向力Pi、横轴向力Qi、弯矩Mi值为：,其中，令：当第i根桩桩顶处仅产生单位轴向位移时，在桩顶引起的轴向力为；当第i根桩桩顶处仅产生单位横轴向位移时，在桩顶引起的横轴向力为 当第i根桩桩顶处仅产生单位横轴向位
17、移时，在桩顶引起的弯矩为；或当第i根桩桩顶处产生单位转角时，在桩顶引起的横轴向力为；当第i根桩桩顶处仅产生单位转角时，在桩顶引起的弯矩为 xi为第i排桩桩顶至承台中心的水平距离.ai为第i根桩桩轴线与竖直线夹角即倾斜角.,3群桩作用：对于摩擦桩组成的群桩基础，当桩的中心距6d时，在竖向荷载作用下，由于桩侧摩阻力的扩散作用，使桩底处的压力分布范围要比桩身截面积大得多，使群桩中各桩传到桩底处的应力有可能叠加，使群桩桩底处地基土受到的压力及沉降比单桩大。承载力方面，使得群桩基础的承载力要小于各单桩承载力之和。此现象对于柱桩或桩距大于6d的摩擦桩不存在。,六、桩基础的总体设计：1承台底面标高的确定：根
18、据受力、桩的刚度和地形、地质、水流、施工等条件确定。高承台桩：一般用于常年有水、冲刷较深或水位较高、施工排水困难的水流中。施工方便，但稳定性较差。低承台：稳定性较好，但施工太困难，可用于季节性河流、冲刷小的河流或岸滩上墩台及旱地上其他结构物基础。,2摩擦桩和柱桩的考虑：二者不可用于同一基础中；也不能采用不同材料、不同直径和长度相差过大的桩。当基岩埋深较浅时，宜采用柱桩，或嵌入基岩一定深度成为嵌岩桩。嵌入深度：圆形截面桩：最小不小于0.5米。,3单排桩和多排桩的考虑：单排桩：能较好地配合柱式墩台结构，可节省圬工，减小作用在桩基的竖向荷载。适于桥跨不大，桥高较矮时。有时单桩配单柱。多排桩：稳定性好
19、，抗弯刚度较大，能承受大的水平荷载，一般用于较高的桥台、拱桥桥台、制动墩和单向水平推力墩。,4桩长、桩径的拟定桩长的确定首先在于选择强度较好的持力层，避免将桩底落在软土层上或离软弱下卧层太近。摩擦桩经过多层土时，要经过试算比较，合理确定桩长。,5确定桩的根数及平面布置桩的根数n估算：式中：N作用在承台底面上的竖向荷载（KN）；P单桩容许承载力（KN）；考虑偏心荷载时各桩受力不均而适当增加的经验系数，可取=1.11.2。,桩的间距：钻（挖）孔灌注桩的摩擦桩中心距不小于2.5倍成孔直径，柱桩中心距不小于2.0倍的成孔直径，桩的中心距最大不超过56倍桩径。打入桩的中心距不应小于桩径的3.0倍。为了避
20、免承台边缘距桩身过近而破裂，边桩外侧至承台边缘的距离，对于桩径小于或等于1.0米的桩不应小于0.5倍桩径，且不小于0.25m；对于桩径大于1.0m的桩不应小于0.3倍桩径并不小于0.5m。桩的平面布置：可根据受力情况选用单排或多排桩桩基。多排桩的排列形式有行列式和梅花式。,第四章 沉井基础 第一节 概述一、沉井的基本概念 沉井是一座上无顶下无底，四周有壁井筒状的结构物，它的施工过程是在井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力下沉至设计标高，然后经过混凝土封底并填塞井孔，成为墩台或其他结构的基础。沉井的特点：埋深可以很大；整体性强、稳定性好，能承受较大的荷载。在施工时，可作为挡土和挡水围堰结构物。除
21、此之外，沉井也常用于矿用结构、地下油库等。,沉井与大开挖方法相比，占地面积小，可大量减少土方量，操作简便节约投资。特别是在建筑物稠密的市区，采用沉井可以避免周围土方。,的坍陷，并保证周围建筑物的安全，也无需使用临时支护措施和挡上结构。常用于地下泵房、水池、桥墩、各类地下厂房、大型设备基础、高层或超高层建筑物的基础，以及盾构隧道和顶管施工中的工作室。目前沉井下沉深度已超过100m。,沉井基础的缺点是：施工期较长；对细砂及粉砂类土在井内抽水易发生流砂现象，造成沉井倾斜；沉井下沉过程中遇到的大孤石、树干或井底岩层表面倾斜过大，均会给施工带来一定困难。,根据经济合理和施工上可能的原则，通常在下列情况，
22、考虑采用沉井基础：上部荷载较大，结构对基础的变位敏感，而表层地基土的容许承载力不足，做扩大基础开挖工作量大，以及支撑困难，但在一定深度下有好的持力层，采用沉井基础与其它深基础相比较，经济上较为合理时；,在山区河流中，虽然浅层土质较好，但冲刷大，或河中有较大卵石不便桩基础施工时；岩层表面较平坦且覆盖层薄，但河水较深，采用扩大基础施工围堰有困难时。,第二节 沉井的类型和构造一、沉井的分类（一）沉井按下沉方式可分为：1就地制造下沉的沉井 这种沉井是在基础设计的位置上制造，然后挖土靠沉井自重下沉。如基础位置在水中，需先在水中筑岛，再在岛上筑井下沉。2浮运沉井 在深水地区，筑岛有困难或不经济，或有碍通航
23、，或河流流速大，可在岸边制筑沉井拖运到设计位置下沉，这类沉井叫浮运沉井。,（二）沉井也可按使用的材料进行分类。有混凝土、钢筋混凝土、砖石和木沉井等：1混凝土沉井：混凝土的特点是抗压强度高，抗拉能力低，因此这种沉井宜做成圆形，并适用于下沉深度不大（47m）的软土层中。,2钢筋混凝土沉井这种沉井的抗拉及抗压能力较好，下沉深度可以很大（达数十米以上）。当下沉深度不很大时，沉井壁大部用混凝土，下部（刃脚）用钢筋混凝土的沉井，在桥梁工程中得到较广泛的应用。钢筋混凝土沉井可以就地制造下沉，也可以在岸边制成空心薄壁浮运沉井。,3竹筋混凝土沉井 沉井在下沉过程中受力较大因而需设置钢筋，一旦完工后，它就不承受多
24、大的拉力，因此，在南方产竹地区，可以采用耐久性差但抗拉力好的竹筋代替钢筋，我国南昌赣江大桥等曾用这种沉井。在沉井分节接头处及刃脚内仍用钢筋。,4钢沉井 用钢材制造沉井其强度高、重量轻、易于拼装，宜于做浮运沉井，但用钢量大，国内较少采用。5砖石沉井,木沉井 这两种均是就地取材制作的沉井，现很少采用。,沉井依外观形状的分类，在平面上可分为单孔或多孔的圆形、矩形、圆端沉井及网格形（图4-1）等。圆形沉井受力好，适用于河水主流方向易变的河流。矩形沉井制作方便，但四角处的土不易挖除，河流水流也不顺。圆端形沉井兼有两者的优点也在一定程度上兼有两者的缺点，是土木工程中常用的基础类形。,沉井平面形式,二、沉井
25、的构造沉井的构造一般由以下各部组成：1井壁 井壁是沉井在下沉过程中承受水、土压力，足够的自重克服井壁摩阻力，由钢筋混凝土浇制而成。有等厚度的直壁式和阶梯式两种。可一次浇成或分段浇筑，接头处可用电灯连接。井壁的厚度较大，一般为o412m之间。它由克服摩阻力所需的自重、施工荷载和永久荷载确定。,2刃脚 为便于将沉井切入土中，并防止土层中的障碍物在沉井下沉过程中损坏井壁，井壁刃脚底部作成刀刃状，如图所示。刃脚的踏面宽度一般为200一300豪米，内侧的倾角为40一60度。,刀脚示意,3内隔墙 为增加沉井下沉时的整体刚度减少井壁的跨径改善井壁受力条件，将沉井分隔成多个取土井后挖土和下沉较为均衡而设置。内
26、隔墙的设置给下沉出土带来某些困难，但便于控制下沉速度、封底以及纠偏。内隔墙的底面一船比井壁刃脚高出50l00cm，隔墙厚度约为50cm，隔墙下部应设80cm120cm的过人孔。,4封底 当沉井下沉至设计标高后，将井底清理整平后进行封底。封底可分为干作业和水中作业浇灌混凝土封底两种。一般是先在刃脚高度部分用素混凝土于以封堵，待达到设计强度后，在其上井壁有凹槽的高度浇筑钢筋混凝土底板。,43 沉井施工,()施工准备 1地质勘测 在沉并施工地点进行钻孔，了解土的力学指标、地层构造、分层情况、摩阻力、地下水情况及地下障碍物情况等。同时还应查清和排除地面及地面以下米以内的障碍物，包括：地下管道、电缆线、
27、树根及房屋构筑物等。,2制定施工方案 根据工程结构持点、地质水文情况、施工设备条件、技术的可能性，选用排水下沉还是不排水下沉，编制切实可行的施工方案。如果采用排水下沉，要考虑排水设备，再根据土质情况确定采用并点降水还是井内集水坑抽水。,3、测量控制和沉降观测 先按沉井平面设置测量控制网，然后进行抄平放线，并布置水准基点和沉降观测点。对在既有建筑物附近下沉的沉井，应在既有建筑物上设沉降观测点，进行定期的沉降观测。,4平整场地和修建临时设施 对施工场地进行平整处理，达到设计标高按施工图进行平面布置。施工现场设置临时仓库、钢筋车间、简易试验室和办公室，修筑临时排水沟、截水沟以及安装施工设备、水电线路
28、并试水电。,(二)沉并的制作 1支模和架设钢筋(1)刃脚的支设，可根据沉并的重量、施工荷载和地基承载力情况采用垫架法和半垫架法，也可用砖垫座和土底模。对较大较重的沉井，在较软弱地基上制作时，为防止造成地基下沉刃脚裂缝，常采用垫架法或半垫架法；对直径或边长在8米以内的较轻沉井，当土质较好时可采用砖垫座；对重量较轻的小型沉井，当土质好时可用砂垫层、灰土垫层或在地基中挖槽作成土模。,(2)井壁可采用钢模或木模板。采用木模板时外模朝混凝土一面应刨光，内外模均采取竖向分节支设，每节高152m，用直径1216mm对拉螺拴拉槽钢圈固定。为使井壁重量能均匀地传至土层在刃脚下方设置枕木及木板，其间设置楔木，在浇
29、制时楔紧，浇好后放松楔木，抽出枕木，以备井壁下沉。,(3)沉井钢筋一般用双层钢筋、做成骨架，用吊车垂直吊装就位。为保证钢筋与模板间有足够的保护层，应用小的预制砂浆片以保证钢筋间的准确位置。,2浇灌混凝土(1)材料要求 一般采用防水混凝上；在h/b小于或等于10时，用抗渗等级o6MPa混凝上；在10 h/b15用抗渗等级o8MPa混凝土；在 h/b 15时，用抗渗等级12MPa混凝土。其中h为井壁深入到地下水以下的深度，b为壁厚，,水灰比WC般为o.6，不得超过0.65。每立方米混凝土的水泥用量约为300一350kg，砂率采用历35%-45%，应按照水泥和砂、土材料试配，进行试块的强度和抗渗试验
30、。井壁混凝土坍落度一般为35cm，底板混凝土坍落度为23cm。井壁混凝上用插入式振动器捣实，底板混凝土用平板振动器振实。为减少用水量，可掺入如木质素磺酸盐、NNO等咸水剂。,(2)浇灌混凝土时注意事项 混凝土应沿壁周的水平高度均匀浇捣，每次浇高约为30厘米，以免造成地基不均匀下沉或产生倾斜。混凝土应一次连续浇完。如因工作量过大，不能一次浇完，需设水平施工缝，缝间留有凹凸缝并插入短钢筋增加连接。在浇筑新混凝土前须将表面洗刷干净，用水湿润，并铺层强度等级高一级的砂浆。,当第一节混凝土强度等级达到70时才可浇灌第二节。前节下沉应为后一节浇灌混凝土工作预留o5一1 m高度、以便操作。混凝土浇完后要注意
31、保养，经常浇水保证表面潮湿，并盖麻袋或塑料布防止水分蒸发。冬季可用防雨帆布悬挂于模板外侧，使之成密闭气罩，通蒸汽加热养护。,(二)沉井下沉,1下沉方法选择 沉井下沉有排水下沉和不排水下沉两种方法。沉并下沉中的挖土作业，最好是在干燥的环境中进行，这样操作方便，且对于土层中的漂石、障碍物等也容易排除，下沉中也不易发生偏差，即使发生了也容易纠正，下沉到设计标高时，能直接检验土质等。因此，应尽量采用排水下沉方法。但由于沉井下沉地点水源丰富，存在严重的硫砂地层或周围环境不允许降水时，才采用水下挖土的湿作业不排水下沉方法。,(1)施工顺序 制作第一节沉井：施工时先在场地上整平地面铺设砂垫层，设置承垫木，再
32、制作第一节沉井，如图1所示。抽垫木，挖土下沉：混凝土达到设计规定的强度后，抽掉刃脚下的垫木，井筒在自重作用下开始下沉。在井壁内挖土或水力吸泥，边挖边排边下沉，如图2所示。沉井接高下沉：当井筒较高时，可分节制作接高下沉、如图3所示。,1,2,3,封底、浇筑钢筋混凝土底板：当井筒下沉到设计标高时，在刃脚下嵌入木块，防止过度下沉。随即用素混凝土封底，然后浇筑钢筋混凝土底板，如图4所示。,4,第四节 沉井作为整体基础的设计及计算沉井的计算一般包括两部分内容:一是将沉井作为实体基础计算；二是沉井施工过程中的结构强度计算。（一）沉井作为实体基础的计算 沉井作为整体基础的计算，根据它的埋置深度可用两种不同的
33、计算方法。,1.沉井埋置深度在最大冲刷线以下小于或等于5m时，可按浅基础设计计算的规定，验算地基的强度，沉井的稳定性和沉降，使其符合各容许值的要求。这种计算因未考虑基础侧面土的横向抗力影响是偏于安全的。,2.当沉井埋置深度大于5m时，由于埋深大，所以不可忽略沉井周围土体对沉井的约束作用，因此，验算地基应力、变形及沉井的稳定性，需要考虑基础侧面土体弹性抗力的影响。这种计算方法的基本假定是：1地基土作为弹性变形介质，地基系数随深度成正比例增加；2不考虑基础与土之间的粘着力、和摩阻力；3沉井基础的刚度与土的刚度之比可认为是无限大。符合上述假定条件时，沉井基础在横向外力作用下只能发生转动而无挠曲变形。
34、因此可将沉井按刚性桩（刚性构件）计算内力和土抗力，即相当于“m法”中h2.5的情况。,一、非岩石地基上沉井基础的计算 下面讨论沉井基础处于非岩石地基上时，受到水平力H及偏心竖向力N作用后的内力计算(a)。为了讨论方便，可以把这些外力转变为中心荷载和水平力的共同作用，其转变后的水平力H作用的高度大小（图5-11b）为(5-1),先讨论沉井在水平力H作用下的情况。由于水平力的作用，沉井将围绕位于地面下z。深度处的A点转动一角（图512），则地面下深度Z处沉井基础产生的水平位移x和对土的水平压应力zx分别为,x（Z。-Z）tg（52）zxxCzCz（z。-z）tg（53 a）式中：Z。转动中心A离地
35、面的距离；Cz深度Z处水平向的地基系数，CzmZ。将Cz值代人式（53a）得 zx mZ（Z。一Z）tg（53b）从式（5-3b）可见，水平土压应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C。不变，故其压应力图形与基础竖向位移图相似。故(5-4)式中C。（参见有关地基系数规范）不得小于10m。，d为基底宽度或直径。,在上述三个公式中，有两个未知数。和，要求解其值，可建立两个平衡方程式，即 X=0 H-（5-5）M=0（5-6）式中b1为基础计算宽度，按“m法”计算，W为基底的截面摸量。对上二式进行联立解，可得（5-7）（5-8）或 式中：=,为深度h处沉井侧
36、面的水平向地基系数与沉井地面的竖向地基系数的比值.,当有竖向荷载N及水平力H同时作用时，（图512）同基底边缘处的压应力为(5-11)式中A。为基础底面积。离地面或最大冲刷线以下Z深度处基础截面上的弯炬（图512），为=(5-12),二、基底嵌人基岩内的计算方法 若基底嵌入基岩内，在水平力和竖直偏心荷载作用下，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 Z。h，为一已知值（图513）。这样，在基底嵌人处便存在一水平阻力P，由于P力对基底中心轴的力臂很小，一般可忽略P对A点的力矩。,第五节 沉井施工过程中的结构强度计算,一 沉井自重下沉验算,G125T（528）式中：G
37、沉井自重。对不排水下沉的沉井应扣除水的浮力；T井壁总摩阻力，它等于井壁面积乘以单位面积的摩阻力。,一、第一节（底节）沉井的竖向挠曲验算,第一节沉井在抽除垫木及挖土下沉过程中，将沉井看作承受自重的梁计算井壁产生的竖向挠曲弯拉应力。当混凝土的拉应力超过材料的允许值时，就应增加第一节沉井高度或在井壁内设置横向钢筋，以防止沉井竖向开裂。验算时应采用的第一节沉井的支承点位置与沉井的施工方法有关，现分别叙述如下：,（一）排水挖土下沉由于沉井是排水挖土下沉，所以不论在抽除刃脚下垫木以及在整个挖土下沉过程中，都能很好地控制沉井的支承点。为了使井体挠曲应力尽可能小些，将沉井看作四点支承的梁，验算因竖向挠曲而引起
38、的混凝土弯拉应力，支点距离可以控制在最有利的位置处。对矩形及圆端形沉井而言，是使其支点和跨中点的弯矩大致相等，支点间距可采用 07L,L为沉井长度（如图5-14a）；圆形沉井的四个支点可布置在两个相互垂直线上的端点处。，,（二）不排水挖土下沉由于井孔中有水，挖土可能不均匀，沉井下沉过程中可能会出现最不利的支承情况。将底节沉井仍看作梁，在下列两种最不利情况下，分别验算混凝土的抗拉强度。对矩形及圆端形沉井，支点在长边的中点上（如图514c），验算由于沉井自重在计算支承点附近最小竖截面（通常为井壁与隔墙交接处）顶部混凝土拉应力。,支承在短边的两端点（如图(514b），对于圆形沉井，两个支点位于一直径
39、上，验算由于沉井自重而在跨中底部的混凝土拉应力。图514a）和C）情况使沉井成为一悬臂梁，在支点处，沉井顶部可能产生竖向开裂；而图514b）使沉井成为一简支梁。跨中弯矩最大，可能沉井下部竖向开裂。这两种情况均应对长边跨中附近最小截面上下缘进行验算。,三、沉井刃脚受力计算,可以把刃脚看成在平面上是一个水平闭合框架，在竖向是一个固定在井壁上的悬臂梁。水平外力的分配系数，如根据悬臂及水平框架两者的变位关系及其他一些假定得到：刃脚悬臂作用的分配系数为=（5-29）刃脚框架作用的分配系数为=（5-30）,式中；L1支承于隔墙间的井壁最大计算跨度；L2支承于隔墙间的井壁最小计算跨度;hK刃脚斜面部分的高度
40、。水平外力按上面两个分配系数分配，只适用于内隔墙底面高出刃脚底面不超过0.5m，或大于05m而有垂直埂肋的情况。否则，全部水平力应由悬臂作用承担，即=1.0，刃脚不再起水平框架作用，但仍应按构造要求布置水平钢筋，使能承受一定的正、负弯矩。,（一）刃脚竖向受力分析,刃脚竖向受力情况一般截取单位宽度井壁来分析，把刃脚视为固定在井壁上的悬臂梁，梁的跨度即为刃脚高度。由内力分析有下述两种情况。,1刃脚向外挠曲的内力计算（即配置刃脚内侧竖向钢筋）,刃脚切人士中一定深度，由于沉井自重作用，在刃脚斜面上便产生了土的抵抗力，它使刃脚向外挠曲。最不利状态：沉井下沉施工过程中，刃脚内侧切人士中深度约1.0m，上节
41、沉井均已接上，且沉井上部露出地面或水面约一节沉井高度时较符合需要条件，为最不利情况，以此来计算刃脚的向外挠曲弯矩。,刃脚高度范围内的外力有：刃脚外侧的主动土压力及水压力Pe+w，沉井自重G，土对刃脚外侧的摩阻力T，以及刃脚下土的抵抗力R。其计算图示如图5-15。,各外力的计算式如下：（1）作用在刃脚外侧单位宽度上的土压力及水压力土压力：地面下深度hi刃脚承受的土压力ei可按朗金主动土压力公式计算，即（5-31）式中：i-土在hi 范围内的平均容重，在水位以下时应考虑浮力；hi-计算位置至地面的距离。,水压力：i=WhWi（5-32）式中：W-水容重 hWi-计算位置至水面的距离。水压力是应根据
42、施工情况和土质条件计算的（可参考刃脚向内挠曲验算时有关说明），,为了避免计算所得土、水压力值偏大而使验算方法偏于不安全，一般设计规范均规定了由式（5-32）算得的刃脚外侧土、水压力值不得大于静水压力的7 0，否则按静水压力的70计算。土压力和水压力的合力为：Pe+w=（Pe2+w2+Pe3+w3）hk,式中；Pe2+w2-作用在刃脚根部处的土压力及水压力强度之和;Pe3+w3刃脚底面处的上压力及水压力强度之和；hk刃脚高度。,（2）作用在刃脚外侧单位宽度上的摩阻力T1；可按下列二式计算，并取其较小者 T1hk（534）或 T1 0.5E（535）式中：hk士与井壁间单位面积上的摩阻力，由表52
43、查用；hk-刃脚高度；E-刃脚外侧总的主动土压力，即 E=hk(e3+e2)/2（5-36）,(3）刃脚下抵抗力的计算。刃脚下竖向反力R（取单位宽度）可按下式计算 R=q T（5-37）式中：q为沿井壁周长单位宽度上沉井的自重，在水下部分应考虑水的浮力；T为沉井人土部分单位宽度上的摩阻力。,为求R的作用点，可将R分为V1及V2两部分，然后根据图515求得。图中刃脚踏面宽度为，踏面下的反力假定为均匀分布，其合力用民表示。假定刃脚斜面与水平面成a0角，斜面与土间的外摩擦角为0，一般定为30。故作用在斜面上土反力的合力与斜面的垂直方向成角0，斜面上反力成三角形分布，在地面处为O，将合力分解成竖直力V
44、2及水平力H时，它们的应力图形也是呈三角形分布。因此，,RV1 V2（5-38）V1=R（5-39）V2=R-V1（5-40）R的作用点距井壁外侧的距离为（5-41）式中：b为刃脚内侧人士斜面在水平面上的投影长度。刃脚斜面上土的水平反力U=V2tg（a0-0），作用点离刃脚底面13m。,（4）刃脚（单位宽度）自重g为（5-42）式中：井壁厚度；rh钢筋混凝土刃脚的容重，不排水施工时应扣除浮力。刃脚自重g的作用点至刃脚根部中心轴的距离为（5-43）,求出以上各力的数值、方向及作用点后，再算出各力对刃脚根部中心轴的弯矩总和值（对O点）M，竖向力N及剪力Q，其算式为 M MR MH Me+wMT十M
45、g（5-44）N=R十T1十 g(5-45）QPe+wH（5-46）式中：MR、MH、Me+w、MT、Mg分别为反力R、土压力及水压力Pe+w、横向力U，刃脚底部的外侧摩阻力T1以及刃脚自重g对刃脚根部中心轴的弯矩，其中作用在刃脚部分的各水平力均应按规定考虑分配系数。上述各式数值的正负号视具体情况而定。,2刃脚向内挠曲的内力计算（即配置刃脚外侧竖向钢筋）最不利情况：是沉井已下沉至设计标高，刃脚下的土已挖空而尚未浇筑封底混凝土（图516），这时，将刃脚作为根部固定在井壁的悬臂梁，计算最大的向内弯矩。,作用在刃脚上的力有刃脚外侧的土压力、水压力，摩阻力以及刃脚本身的重量。以上各力的计算方法同前。但
46、计算水压力时，应注意根据施工实际情况，现行的设计规范考虑到一般的情况及从安全出发，要求：不排水下沉沉井，井壁外侧水压力值以 100计算；内侧水压力值以50计算，或按施工可能出现的水头差计算。若为排水下沉沉井，对不透水土，可按静水压力的70计算，在透水性土中，可按静水压力的100计算。计算所得各水平外力均应按规定考虑分配系数。根据外力值计算出对刃脚根部中心轴的弯矩。竖向力及剪力后，并以此求出刃脚外壁的钢筋用量。同样，刃脚钢筋截面积不宜少于刃脚根部截面积的01。刃脚的竖直钢筋应伸人刃脚根部以上 0.5L1。,（二）刃脚水平钢筋的计算（作为水平框架的计算）刃脚水平向受力最不利的情况是沉井已下沉至设计
47、标高，刃脚下的土已挖空，尚未浇筑封底混凝土的时候。作用在刃脚上的外力，与计算向内挠曲时一样：当刃脚作为悬臂考虑时，刃脚所受水平力乘以。作用刃脚（水平框架）上的水平反力应乘以分配系数（式530），其值作为水平框架上的外力，由此求出框架的弯矩及轴向力值，再计算框架所需的水平钢筋用量。,四、井壁受力计算,（一）井壁竖向拉应力验算。沉井在下沉过程中，刃脚下的土已被挖空，但沉井上部被摩擦力较大的土体箍住（这一般在下部土层比上部土层软的情况下出现），这时下部沉井呈悬挂状态，井壁就有在自重作用下被拉断的可能，因而应验算井壁的竖向拉应力。拉应力的大小与井壁摩阻力分布图有关，在判断可能夹住沉井的土层不明显时，可
48、近似假定沿沉井高度成倒三角形分布（图5,七、关于浮运沉井及其计算要点,一、浮运沉井的特点及其浮运方法 浮运沉井多由钢筋混凝土、钢和木等材料组合而成，适用于水深流缓、覆盖层浅或潮水高差大、地质复杂的近海河流上的基础。,浮运沉井由预制钢筋混凝土刃脚（包括一部分隔墙）、井壁（多为空心井壁）、浮运底板三部分组成，其高度视浮运条件、施工要求及吃水深度等条件而定。沉井顶面的襟边宽度，除按一般沉井要求不小于其全高1/50外，还不应小于45cm。,浮运沉井底板必须保证其水密性和能承受水压，并便于拆除。水密性的措施方面，某大桥的使用经验是：底板接缝采用压条及油灰麻（竹）丝嵌缝；板与混凝土之间接缝采用先装底板后浇混凝土，以防漏水。,浮运方法其浮运方法有：采用滑道下水；在船坞或围堰内制成用浮船定位和吊放下沉；利用潮汐水位上涨时浮起。因此设计时应考虑所采用浮运方法的特点，进行必要的强度与稳定性验算。,二、浮运沉井的稳定性计算要点 沉井在浮运过程中、要有一定的吃水深度，沉井的重心高，易使浮运沉井倾覆，而最容易倾覆的方向在沉井宽度方面，所以应验算沉井沿宽度方向的稳定性。在稳定性验算中主要是决定沉井的重心、浮心以及定倾半径，然后将它们的数值进行比较便可判断沉井在浮运过程中是否稳定。现以带临时性井底板的浮运沉井为例，进行稳定性验算如下：,
