1、基础工程,第五章 沉井基础的设计计算与施工,基础工程,主要内容,5.1沉井的类型和构造 5.2沉井的施工 5.3沉井的设计与计算,沉井计算,实体基础:进行承载能力及地基变形及稳定性验算,施工期挡土、挡水结构:进行截面配筋计算及抗浮稳定性验算,据埋置深度,按浅基础设计,按深基础设计,不考虑基础侧面土的横向抗力,考虑基础侧面土的横向抗力,5.3沉井的设计与计算,4,沉井的计算包括施工期验算和作为整体基础的计算。,作为整体基础的计算：包含两种情况，当埋深仅有数米时，计算同浅基础；当埋深较大，不能忽略沉井侧壁土体弹性抗力影响时，按刚性桩计算。,沉井（刚性桩）计算假定：1、地基土作为弹性变形介质，水平地
2、基系数随深度成正比增加。2、不考虑基础与土间的粘着力和摩阻力。3、沉井基础刚度与土刚度之比可认为是无限大。,5,当沉井基础埋置深度较大时，需要考虑基础侧面土体弹性抗力的影响。假定沉井基础在横向外力作用下只能发生转动而无挠曲变形。因此，按刚性桩计算内力和土抗力，即相当于“m”法中h2.5的情况。,基础工程,计算假定：,1.地基土为弹性体且C=my,2.不考虑基础与土之间的粘着力与摩阻力,3.沉井基础的刚度可视为无穷大,沉井基础,刚性桩柱,视为,5.3沉井的设计与计算,基础工程,5.3沉井的设计与计算,使用阶段（基础）： 1.承载力验算 竖向承载力验算 水平向承载力验算 2.沉降计算 3.基础结构
3、计算 井壁竖向受压 井壁横向受压 封底受压弯剪 顶板受压弯剪,施工阶段(支挡结构): 自重下沉验算 底节沉井挠曲验算 刃脚受力计算 井壁受力计算,基础工程,5.3.1沉井作为整体基础的设计与计算,沉井受力：水平力H + 竖向偏心力N,水平力H + 竖向中心力N,等效为,（1）荷载简化：,等效后水平力H距基底的高为：,1、非岩石地基上沉井深基础的计算,基础工程,在水平力作用下，沉井将围绕位于地面下深度y0处点A转动角,深度z处沉井水平位移xx = (y0y)tan,侧面：,y =xCy =Cy (y0y),沉井受到的横向抗力y,图5-24 非岩石地基计算示意,基底变形绕中心转动角,沉井底面受到的
4、抗力：,基础工程,土的横向抗力:,基底边缘压应力:,离地面或最大冲刷线以下深度y处基础截面上的弯矩为,基础工程,（2）基底嵌入基岩内的计算方法,基底无水平位移，仅绕基底中心转动，,此时y0=h，基底嵌入处存在一水平阻力P,土的侧向抗力：,基础工程,基底边缘压应力：,其中：,地面或最大冲刷线以下任意深度y处 基础截面上的弯矩为：,嵌入处水平阻力P：,基底应力验算,横向抗力验算,整理得：,（3）深基础的验算,墩台顶面水平位移的计算方法,l,基础发生刚体转动在地面处产生的水平位移,墩台随同基础一起发生刚体转动而产生的水平位移,墩台本身弹性挠曲变形引起的墩台顶水平位移,z0,15,墩台顶面水平位移计算
5、方法,基础在水平力和弯矩作用下，墩台顶面产生水平位移按两种情况分别计算,基础位于非岩石地基,基底嵌入岩层,考虑到沉井基础的实际刚度对地面位移及转角的影响，引入系数K1，K2对其进行修正,对于嵌岩桩， z0=h,K1， K2由h及/h查表得。,基础工程,墩台顶面水平位移的计算方法,17,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为相邻跨中最小跨的跨度(m)，当跨度L30m时，L按30m计算。,基础工程,5.3.2沉井施工过程中的设计,1、沉井自重下沉验算,下沉系数：,沉井自重,土对井壁总摩阻力,（1）不排水下沉时，沉井自重应扣除浮力,（2）,19,克服下
6、沉困难,主要可以从两方面着手：(1) 增加沉井重量：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，抽取井内的水，以减小浮力。 （2) 减小井壁的摩阻力：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。,基础工程,2、底节沉井的竖向挠曲验算,底节沉井在垫木抽除及挖土下沉过程中，在井壁自重作用下将产生挠曲变形,排水挖土下沉,能控制支承点的位置,选择最有利的支点位置，使跨中弯矩=支座弯矩,井壁受力：承受均匀荷载的简支梁,矩形、圆端形沉井：长边，间距0.7L,圆形沉井：圆周四分点,（1）井壁,基础工程,不
7、排水挖土下沉,支承点的位置难控制,选择沉井下沉过程中最不利情况验算,矩形、圆端形沉井：,圆形沉井：两支点位于一直径上,a、支点位于长边中点,b、支点位于四个角点,验算截面：长边跨中附近最小截面,基础工程,隔墙,G1,G2 +G3,最不利情况:,荷载:第一节隔墙自重G1+第二节隔墙重G2 +模板重G3,下部土被挖空,第二节沉井内隔墙已砌筑，但未凝固,验算截面:跨中截面,处理措施:,配置水平钢筋,第二节沉井浇注时，隔墙下填砂石并夯实,3、刃脚受力计算,受力复杂,切土下沉：刃脚外弯,挖空刃脚底部土层：刃脚内弯,5.3.2沉井施工过程中的设计,24,刃脚受力计算,1个三维问题转为2个二维问题求解,刃脚
8、受力,竖向受力（悬臂梁）,横向受力（水平框架）,向外挠曲,向内挠曲,基础工程,3、刃脚受力计算,（1）水平荷载的传递,当内隔墙底面高于刃脚底面不大于0.5m，或大于0.5m但有垂直梗肋时,a,水平荷载,刃脚传至井壁,刃脚组成的水平框架承担,悬臂作用,框架作用,P,P,+,刃脚视为固定在刃脚根部的悬臂梁,基础工程,分配系数,悬臂作用：,框架作用：,hk,(2)当内隔墙底面高于刃脚底面大于0.5m且无垂直梗肋时,全部水平荷载由悬臂作用承担。刃脚不再起水平框架的作用，但仍应按构造要求配置水平钢筋，使其能承受一定的正、负弯矩。,27,（1）向外挠曲,沉井下沉过程中，应根据沉井接高等具体情况，取最不利位
9、置，按刃脚内侧切入土中1.0m，检算刃脚向外挠曲强度。其最不利位置可以这样来分析：刃脚向外的弯矩由刃脚下土的反力所产生，当它比外侧压力产生的向内的最大弯矩大时，就是最不利位置。例如，对于分节浇注一次下沉的沉井一般就是刚开始下沉，刃脚切入土中一定深度（取为1m）为最不利位置。而对于分节浇注逐节下沉的沉井，当整个沉井浇筑完毕时，刃脚下的土的反力无疑达到最大，但这时外侧的土压力和水压力也已很大，两者抵消后，刃脚的向外弯矩不一定是最大。所以，这种情况下产生最大向外弯矩的最不利位置可能是下沉过程中刚浇筑完某一节沉井开始继续下沉时。可根据具体的水文地质情况和施工方法等选择几个情况进行比较分析，以求出刃脚的
10、最大向外弯矩。,基础工程,（2）刃脚竖向受力分析,刃脚向外挠曲的内力计算配内侧钢筋,最不利情况：,刃脚内侧切入土中深度约1. 0m，上节井筒已全部砌筑，露出地面或水面约一节沉井高度,3、刃脚受力计算,基础工程,a、作用在刃脚外侧单位宽度上的土压力及水压力的合力,作用点:距刃脚根部,土压力ei,按朗金主动土压力计算,水压力：,为计算点至水面距离,计算土、水压力的总和不大于静水压力的70%,基础工程,b、作用在刃脚外侧单位宽度上的摩阻力,式中：土与井壁间单位面积上的摩阻力；hk刃脚高度；E刃脚外侧总的主动土压力,取其较小者,x1,3、刃脚受力计算,基础工程,作用点：至刃脚根部中心轴的距离为,c、刃
11、脚（单位宽度）自重g,钢筋混土刃脚的容重，不排 水施工时应扣除浮力,x1,3、刃脚受力计算,基础工程,q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沉井入土部分单位宽度上的摩阻力。,R刃脚下单位宽度的竖向反力，可按下式计算 ：,d、刃脚底部土的抵抗力的计算,3、刃脚受力计算,基础工程,d、刃脚底部土的抵抗力的计算,刃脚底部土的抗力由以下几部分组成：,踏面处土的抗力合力1:,分布：均匀分布。,斜面处土的抗力竖向分力2:,分布：三角形分布,斜面处土的抗力水平分力H:,作用点距刃脚底面1/3m,分布：三角形分布,踏面宽度,刃脚斜面的水平投影,2 土与刃脚斜面间的内摩擦角， 一般取30
12、；,刃脚斜面对水平面的倾角,基础工程,R的作用点距井壁外侧的距离为,各力对刃脚根部中心轴的总弯矩，竖向力及剪力:,注意：各水平力均应按规定考虑分配系数a,刃脚验算及配筋：,据M0,N0,Q验算刃脚根部应力及配置内侧所需钢筋,配筋率0.1%,3、刃脚受力计算,基础工程,刃脚向外挠曲的内力计算配外侧钢筋,最不利情况：,刃脚受力分析：,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,刃脚外侧的土压力、水压力、 阻力及刃脚本身的重力,各力的计算方法同前,3、刃脚受力计算,基础工程,水压力计算规定：,刃脚验算及配筋：,配外侧钢筋,3、刃脚受力计算,37,最不利位置是沉井已下沉至设计标高，刃
13、脚下土体已挖除而尚未浇筑封底混凝土，此时可将刃脚视为固定在井壁上的悬臂梁。,B 向内挠曲,基础工程,（3）刃脚水平钢筋计算,最不利情况：,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,将水平力分配系数作为外载计算框架所受内力，再配置所需水平钢筋,图4.26 刃脚向外挠曲计算简图,3、刃脚受力计算,39,双孔矩形,单孔圆端形,沉井的设计计算,40,单孔圆端形,沉井的设计计算,基础工程,（1）井壁竖向拉应力验算,4、井壁受力计算,假定井壁摩阻力沿井高成倒三角形分布,最危险截面：沉井入土深度的1/2处,最大竖向拉力,离刃脚底x处井壁的拉力为Sx为,Sx,基础工程,2井壁横向受力验算,最
14、不利情况：,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,验算截面：,刃脚根部,向上取高度为壁厚的井壁作为水平框架,作用荷载：,厚度范围内的土、水压力,刃脚传来水平剪力(内弯时的水平外力*),刃脚悬臂梁的固端,注：,阶梯型沉井还应验算各断面变化处最下端单位高度的井壁强度，进行水平钢筋设计，然后布置在全段上。,荷载：该段范围内的土、水压力，不须考虑分配 系数,泥浆套法施工时，若泥浆压力土、水压力，取井壁压力=泥浆压力,基础工程,（五）封底砼及顶盖计算,1封底砼计算,荷载计算：,分两种情况,施工期：承受基底水和地基土向上反力,空心沉井使用期：承受基底反力,底板厚度计算：,受弯：视为支
15、承于凹槽或隔墙底面和刃脚上双向板,一般情况：简支,预留钢筋连接：固定端,受剪要求,Mm最大均布反力作用下的最大计算弯矩,44,混凝土封底及顶盖计算：封底混凝土计算包括受弯和受剪计算。受弯计算时可将封底混凝土视为支撑在凹槽、隔墙地面和刃脚上的板，按周边支撑的双向板或圆板计算。抗剪计算为沿井孔周边的剪断验算。盖板计算：空心或松散回填，盖板支撑全部荷载，需看作双向板进行受弯受剪计算；墩身在井孔内时还需验算井壁受压；在井壁上时可只验算井壁受压。,沉井的设计计算,45,施工问题处理,沉井在下沉过程中可能出现的问题主要有两类:(1) 下沉不均匀发生倾斜和位置偏移；(2) 下沉困难。 发生偏斜的原因大致有这几种： (1) 土质软硬不均匀;(2) 挖土不对称;(3) 刃脚处有障碍物未予清除;(4) 一侧出现流砂而未得到控制等。,46,纠偏的方法是：(1) 在沉井下沉多的一侧回填砂石，以阻止继续下沉，在高的一侧集中挖土;(2) 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。(3) 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，直到沉井中心线到达设计位置后，再行纠偏扶正。,施工问题处理,小节,1、熟悉沉井基础验算的内容和方法。,
