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1、地 下 结 构 工 程,第6章 沉井结构,沉井：在地面制作后，从井内部取土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底的井筒状结构。沉井的应用：桥梁、烟囱、水塔的基础；水泵房、地下油库、水池竖井等深井构筑物；盾构或顶管的工作井、接收井。沉井基础：以沉井法施工的地下结构物和深基础的一种型式。先在地表制作成一个沉井，然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构。,国内规模最大的桥梁沉井基础,江阴长江公路大桥锚锭沉井，长69米，宽51米，下沉深度为58米，体积20.4万立方米,顶管法施工工作井,沉井基础的特点(1)
2、埋置深度大，整体性强、稳定性好，承载面积大，承载力高(垂直与水平)；(2)既可作基础，又可作施工时的挡土和挡水围堰结构物；(3)施工时对邻近建筑物影响较小；(4)内部空间可进一步利用。沉井基础的不足(1)施工工期较长；(2)施工技术要求高；(3)施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。,当水流速不大，水深在4m以内，可用水中筑岛的方法。筑岛材料为砂或砾石，周围用草袋围护，如水深较大可作围堰防护。岛面应比沉井周围宽出2m以上，作为护道，并应高出施工最高水位0.5m以上。,沉井的类型,（1）按下沉环境可分为陆地沉井（包括在浅水中先筑岛制作的沉井）和浮运沉井；（2）按沉井平面形式可分为圆形、椭圆形
3、、正方形、矩形和多边形等；也可分为单孔和多孔沉井；（3）按沉井立面形式可分为柱形、阶梯形、圆锥形；（4）按沉井制作材料可分为混凝土、钢筋混凝土、钢、砖、石以及组合式沉井等。,当水深较大，如超过10m时，筑岛法很不经济，且施工也困难，可改用浮运法施工。沉井在岸边做成，利用在岸边铺成的滑道滑入水中，然后用绳索引到设计部位。,沉井井壁做成空体形式或采用其它措施(如带木底或装上钢气筒)使沉井浮于水上。沉井就位后，用水或混凝土灌入空体、徐徐下沉直至河底。或依靠在悬浮状态下接长沉井及填充混凝土使它逐步下沉，这时每个步骤均需保证沉井本身足够的稳定性。,沉井构造,刃 脚,刃脚是井壁下端做成刀刃形状的部分。其作
4、用在于减小沉井的下沉阻力，使之能在自重作用下切土下沉。一般采用不低于C20的钢筋混凝土制成。当沉井下沉较深且土质较坚硬时，刃脚面常以型钢（角钢或槽钢）加强。刃脚的底面宽度可为100-200mm。在坚硬地基上也可做成尖角。刃脚斜面与水平面的交角一般应不小于45。刃脚的高度应视井壁的厚度确定，并应考虑便于拔出垫木和挖土。,刃脚的支设方法有垫架法、半垫架法、砖座法及土底模法等四种方法。刃脚的支设方法与沉井的大小、质量及土质等因素有关。对位于软土层，较重、较大的沉井来说，多选用垫架法或半垫架法，对土质较好的地层来说，可采用砖座法。对土质条件好、小而轻的沉井来说，可选用砂垫、灰土垫或直接在地层中挖槽作成
5、土模。,井 壁,井壁即沉井的外壁，是沉井承担其自重及井外水土压力的主要部分。井壁厚度应根据结构强度、施工下沉需要的重力、便于取土和清基等因素而定。设计时通常先假定井壁厚度再进行承载力验算，井壁厚度一般为0.8-1.5m。,内隔墙,内隔墙为沉井的分隔墙。作用：1）加强沉井刚度、缩小外壁计算跨度；2）将沉井分为多个取土井，便于掌握挖土位置以控制下沉的方向。内隔墙的间距一般不大于5-6m，厚度一般为0.5-1.0m。内隔墙既要对刃脚悬臂部分起支撑作用，又不宜受到土的支撑，妨碍沉井下沉，因此，一般要求内隔墙底面高出刃脚底面0.5-1.0m。但当沉井穿越极软弱的土层时，为防止沉井“突沉”，也可将内隔墙底
6、面做成与刃脚底面平齐。,取土孔,取土孔在平面上应沿沉井的中轴线对称布置，以利于沉井均匀下沉，并便于校正倾斜和偏移。取土井大小由取土方法而定，采用挖土斗取土时，应能保证挖土斗的自由升降，其最小边长不宜小于2.5m。在沉井下沉完毕并封底后，如作基础用，则取土井可填以素混凝土、片石混凝土或填砌片石；在无冰冻地区也可以采用粗砂或砂砾填料；当作用在墩台上的外力不大时，也可采用空心沉井。但在砂砾填心和空心沉井的顶面均须设置钢筋混凝土盖板，盖板厚度应由计算确定。,凹 槽,沉井外壁内侧离刃尖一定高度处的水平槽状结构。其作用是传递底板反力至井壁，并增强联结。如井孔为全部填实的实心沉井也可不设凹槽。凹槽水平方向深
7、约0.15-0.25m,高约1.0m,其底面距刃脚底面一般大于1.5m。,顶 板,以混凝土填心的沉井可用素混凝土顶板；空心或以其它松散料填心的沉井需用钢筋混凝土顶板，其厚度一般为1.0-2.0m,配筋由承载力计算和构造要求确定。排水下沉的沉井，其顶面在地面或水位以下时，应在井壁顶部设置挡土防水墙。,封 底,渗透系数小于6mm/min时，排干水后用C15或C20普通混凝土浇筑；当井中的渗透系数大于6mm/min时，宜采用导管法浇注C20水下混凝土封底；厚度按其承载力条件计算确定。,射水管、探测管、气管和压浆管,射水管当沉井下沉困难时，可在沉井壁中埋设射水管，管口设在刃脚下端和井壁外侧。通过每组水
8、管的水压力大小和水量可调整沉井的下沉方向和下沉速率。探测管作用是探测刃脚和内隔墙底面下的泥面标高、清基射水或破坏沉井正面土层以利下沉。沉井水下封底后，可用作刃脚和内隔墙下封底混凝土的质量检查孔。一般采用直径200-500mm的钢管或在井壁中预制管道。气管用于空气幕下沉沉井，可沿井壁外缘埋设内径25mm的硬塑料管作为气管。空气幕的原理是在预先埋设在井壁四周的气管中压入高压空气，高压空气由设在井壁上的喷气孔喷出，并沿井壁外表面上升溢出地面，在井壁周围形成一层松动的含有气体与水的液化土层，从而加速下沉。压浆管用于泥浆套下沉沉井，向沉井外壁压射特制泥浆，在沉井外围形成5-15cm厚的泥浆套，减小沉井侧
9、壁摩阻力。分为外管法和内管法。外管法是在井壁内测或外侧布置管径为38-50mm的压浆管，间距为3-4m，一般用于薄壁沉井。内管法是在井壁内预制孔道，其间距为3-4m，一般用于厚壁沉井。,沉井的施工步骤,基坑开挖，铺砂垫层和垫木,沉井制作,抽取垫木,挖土下沉,封底回填，浇筑其它部分结构,待井筒第一节混凝土达到设计强度后，即可抽除垫架。抽除顺序，要求对称、同步、分区及依次进行。对圆形断面沉井而言，应按先一般垫架，后定位垫架的顺序抽除；对矩形沉井应按内隔墙下垫架外墙短边下垫架长边下垫架定位垫架的顺序抽除。,沉井施工演示视频,沉井的设计原则,结构简单对称，受力合理，方便施工。沉井的长短边之比越小越好，
10、以保证下沉时的稳定性。一般沉井应分节制作，每节高度不宜大于5m。沉井底节高度应满足拆除支承时沉井纵向抗弯要求之外，在松软土层中下沉的沉井，底节高度不宜大于0.8b。,下沉阻力：沉井外壁与土体的侧面摩阻力、刃脚踏面和隔墙下土体的正面阻力,沉井下沉和结构计算,侧摩阻力,正面阻力：根据地基土的极限承载力确定,下沉系数,验算沉井自重是否能克服下沉时土的摩阻力,下沉稳定系数（沉井接高）,抗浮稳定性系数,Gk包括井壁、封底砼及底板砼自重标准值，此时要求封底砼与底板砼间以插筋连接。若抗浮不能满足要求，则应延长降水时间，再增加其他结构自重来加大抗浮系数。若仍不能满足要求，则应考虑拉锚等措施。,位于江（湖、河、
11、水库、海）岸的沉井，前后水平作用相差较大时，应验算抗滑移和抗倾覆稳定性,抗滑移稳定性系数,抗倾覆稳定性系数,沉井底节验算,沉井井壁计算,沉井井壁应进行竖直和水平两个方向的内力计算。1）竖直方向在沉井的下沉过程中，当沉井被四周土体嵌固而刃脚下的土已被掏空时，沉井处于轴心受拉状态。验算井壁接缝处的竖向拉应力。,接缝处：混凝土不承受拉应力而由接缝处的钢筋承受，此时钢筋的抗拉安全系数可采用1.25；同时必须验算钢筋的锚固长度。井壁摩阻力可假定沿沉井全高按倒三角形分布，即在刃脚底面处为零，在地面处为最大，此时最危险的截面在沉井入土深度的1/2处,台阶形井壁,2）水平方向（按水平框架计算）（1）验算刃脚根
12、部以上，其高度等于该处井壁厚度t的一段井壁（2）其余各段井壁的计算，可按井壁断面的变化，取每一段中控制设计的井壁（位于每一段最下端的单位高度）进行计算,（1）刃脚根部以上高度等于井壁厚度t的一段井壁,（2）其余各段井壁,沉井刃脚的验算,沉井刃脚竖直和水平方向的弯曲应分别验算，分别按悬臂梁或水平框架进行内力分析,分配系数,总 结,井壁 竖向验算拉应力（等截面井壁、阶梯形截面井壁），计算竖向钢筋 水平向按水平框架计算，计算水平钢筋：1）刃脚根部以上高度等于该处壁厚的一段井壁，水平荷载包括土压力、水压力及刃脚传来的剪力（乘以水平作用分配系数）；2）其余各段单位高度的井壁，水平荷载包括土压力、水压力刃
13、脚 竖向弯曲按悬臂梁计算：1）向外弯曲，刃脚插入土中1m，计算内侧竖向钢筋；2）向内弯曲，刃脚底部掏空，计算外侧竖向钢筋 水平向弯曲按水平框架计算，计算水平钢筋：水平荷载包括土压力、水压力 按悬臂梁计算时，水平荷载乘以悬臂作用分配系数；按水平框架计算时，水平荷载乘以水平作用分配系数,沉井封底计算,沉井沉至设计标高后，在浇筑底板前，需浇筑封底砼，起到垫层、止水、稳定沉井的作用，其强度等级不低于C20。封底混凝土在基底反力作用下，将其当作支承于刃脚斜面及隔墙上的周边支承板考虑支承情况（简支或嵌固）和计算强度在设计中应视具体情况而定分为排水封底（干封底）和不排水封底（水下封底）,排水封底,当沉井底部
14、有足够厚粘土层时，可采用排水封底。一般情况下，应在底板达到设计强度后停止降水。可能发生流砂现象时，采用井外井点降水或深井降水；其他情况可采用集水井排水，设置排水沟，沟内及集水井周围回填碎石或砾石，使从刃脚下渗入井内的水流汇入集水井，再用水泵抽出井外。底板达到设计强度后，以法兰盘封闭，以砼找平。,水下封底,当井底涌水量很大或出现流沙现象时，沉井应在水下进行封底。以空气吸泥机清除井内锅底浮泥，由潜水工进行水下检查、整平，采用导管法浇筑混凝土。封底混凝土厚度应足够大，以保证混凝土板不出现拉应力。地基反力通过封底混凝土沿与竖向成45的分配线传至井壁或隔墙，若分配线相交，可认为封底混凝土内部不出现拉应力
15、，反之按简支支撑的圆板或双向板计算封底厚度。,周边简支支承的圆板在承受均匀荷载时，可计算板中心的最大弯矩值：周边简支支承的双向板在承受均布荷载时，计算跨中弯矩Mx和My：,封底混凝土抗剪计算,封底砼通常呈锅底状，其边缘厚度比中间小，在水的浮托力作用下易在井壁周边薄弱处发生剪切破坏，需进行抗剪验算，得到边缘处最小厚度要求。将q乘以1.27，计算封底砼边缘每m宽度的最大剪力。圆形沉井可用总剪力除以沉井内壁周长，矩形沉井可按单向或双向板算得边缘最大剪力设计值，然后按下式进行验算：V0.7bhft b计算宽度，取1m h沉井内壁处刃脚范围内的封底砼厚度,沉井底板计算,1）底板荷载计算 底板反力：沉井结
16、构的最大自重除以沉井外围底面积，不计井壁侧面摩阻力。水压力：考虑封底混凝土开裂，造成漏水，假定水压力全部由钢筋混凝土底板承受，计算水头高度从沉井外最高地下水位面算至钢筋混凝土底板底面，同时扣除底板自重。底板荷载取底板反力和水压力中的较大者。2）底板内力计算,沉井施工易出现的问题及对策,倾斜偏转井内流砂沉井周边土体塌陷,产生原因：1）刃脚下土层软硬不均匀；2）未对称抽取垫木；3）未均匀挖土下沉，井壁内土面高差大；4）刃脚下掏空过多，沉井突然下沉，产生倾斜；5）刃脚一角或一侧被障碍物搁住，未及时发现和处理；6）井外堆土或其他原因造成对沉井四周的偏压；7）产生流砂。,纠偏方式1）偏出土纠偏，即在刃脚
17、高的一侧出土，使其下沉；2）井外射水，井内偏出土纠偏；3）增加偏土压、偏心压重纠偏。,产生流砂的主要条件：1地下水位以下的砂质粉土或粉、细砂的厚度大于250；2颗粒级配中不均匀系数Cu=d60/d105（即均粒土）；3含水量w30%40%；4土的孔隙率43%；5土的颗粒组成中，粘粒（d0.005mm）含量10%，粉粒（d=0.0050.05mm）含量75%；6动水压力作用的水力梯度超过临界水力梯度，即可能 产生流砂。,防止流砂现象的措施：1向井内灌水灌水后，H2增加，L加长，水力梯度减小，排除产生流砂的条件；2井外井点降水，从根本上排除流砂产生的条件；3井外通过压密注浆、水泥搅拌桩、旋喷注浆等方法设置止水帷幕，防止井外的水涌入井内。,沉井下沉时，对沉井外四周土体的影响是难免的，因此，土体破坏棱体范围内存在建、构筑物时应加以保护。,本章要点,掌握沉井构造及施工工艺了解沉井下沉系数、下沉稳定系数、抗浮稳定系数、抗滑移稳定系数、抗倾覆稳定系数掌握沉井井壁及刃脚计算方法了解沉井封底和底板计算,
