基础工程课件：沉井基础及地下连续墙

沉井基础及地下连续墙沉井基础及地下连续墙 1概述沉井基础及地下连续墙第一节概述沉井的应用己有很长的历史，它是由古老的掘井作业发展而成的一种施工方法，用沉井法修筑的基础叫做沉井基础，参见图1。图1沉井基础示意a)沉井下沉;b)沉井基础 沉井的概念:是井筒状的结构物。它是以井内挖土，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并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。沉井的优点：埋置深度可以很大，整体性强、稳定性好，有较大的承载面积，能承受较大的垂直荷载和水平荷载；沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡土围堰结构物，施工工艺并不复杂。沉井施工时对邻近建筑物尤其是软土中地下建筑物的基础影响小。1概述沉井基础及地下连续墙 沉井的缺点：施工期较长；对粉细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。1概述沉井基础及地下连续墙 沉井1概述沉井基础及地下连续墙 根据经济合理、施工上可能的原则，一般在下列情况，可以采用沉井基础：1.上部荷载较大，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，采用沉井基础与其他深基础相比较，经济上较为合理的；2.在山区河流中，虽然土质较好，但冲刷大，或河中有较大卵石不便桩基础施工时；3.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。1概述沉井基础及地下连续墙 第二节沉井的类型和构造一、沉井的分类按沉井的施工方法分类一般沉井浮运沉井2沉井的类型和构造沉井基础及地下连续墙按沉井的建筑材料分类混凝土沉井钢筋混凝土沉井竹筋混凝土沉井 按沉井形状分类圆形圆端形矩形沉井的平面形状2沉井的类型和构造沉井基础及地下连续墙沉井的立面形状柱形阶梯形锥形 2沉井的类型和构造沉井基础及地下连续墙图3沉井的平面形状a)单孔沉井；b)双孔沉井；c)多孔沉井 2沉井的类型和构造沉井基础及地下连续墙图4沉井剖面图a）直壁柱型；b）外壁单阶型；c）外壁多阶型；d）内壁多阶型 二、沉井基础的构造(一)沉井的轮廓尺寸沉井的平面形状：决定于墩(台)底部的形状。对矩形或圆端形墩，可采用相应形状的沉井，当墩的长宽比较为接近时，可采用方形或圆形沉井。沉井顶面尺寸为墩(台)身底部尺寸加襟边宽度。2沉井的类型和构造沉井基础及地下连续墙沉井的入土深度：根据上部结构、水文地质条件及各土层的承载力等确定。 (二)沉井的一般构造一般沉井构造上主要由井壁、刃脚、隔墙、井孔、凹槽、射水管、封底和盖板等组成。2沉井的类型和构造沉井基础及地下连续墙图5沉井构造图 (三)浮运沉井的构造1.不带气筒的浮运沉井不带气筒的浮式沉井适应于水深较浅、流速不大、河床较平、冲刷较小的自然条件。一般在岸边制造，通过滑道拖拉下水，浮运到墩位，再接高下沉到河床。这种沉井可用钢、木、钢筋混凝土、钢丝网及水泥等材料组合。钢丝网水泥薄壁沉井是由内、外壁组成的空心井壁沉井，这是制造浮运沉井较好的方法，具有施工方便、节省钢材等优点。沉井的内壁、外壁及横隔板都是钢筋钢丝网水泥制成。做法是将若干层钢丝网均匀地铺设在钢筋网的两侧，外面涂抹不低于M5的水泥砂浆，使它充满钢筋网和钢丝网之间的间隙并形成厚1～3mm的保护层。2沉井的类型和构造沉井基础及地下连续墙 2.带钢气筒的浮运沉井2沉井的类型和构造沉井基础及地下连续墙图8带钢气筒的浮运沉井带钢气筒的浮运沉井适用于水深流急的巨型沉井。它主要由双壁的沉井底节、单壁钢壳、钢气筒等组成。 (四)组合式沉井定义：当采用低桩承台而围水挖基浇筑承台有困难时；当沉井刃脚遇到倾斜较大的岩层或在沉井范围内地基土软硬不均而水深较大时可采用上面是沉井下面是桩基的混合式基础，或称组合式沉井。施工时按设计尺寸做成沉井，下沉到预定标高后，进行浇筑封底混凝土和承台，在井内其上预留孔位钻孔灌注成桩。这种混合式沉井既有围水挡土作用，又作为钻孔桩的护筒，还作为桩基的承台2沉井的类型和构造沉井基础及地下连续墙 第三节沉井的施工沉井基础施工一般可分为旱地施工、水中筑岛施工及浮运沉井施工三种。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙一、旱地上沉井的施工桥梁墩台位于旱地时，沉井可就地制造、挖土下沉、封底、充填井孔以及浇筑顶板。a)制作第一节沉井;b)抽垫木、挖土下沉;c)沉井接高下沉;d)封底图9沉井施工顺序示意 1.整平场地如天然地面土质较好，只需将地面杂物清掉整平地面，就可在其上制造沉井，如为了减小沉井的下沉深度也可在基础位置处挖一浅坑，在坑底制造沉井下沉，坑底应高出地下水位0.5～1.0m。如土质松软，应整平夯实或换土夯实。在一般情况下，应在整平场地上铺上不小于0.5m厚的砂或砂砾层。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙 2.制造第一节沉井制造沉井前，应先在刃脚处对称铺满垫木（图10），以支承第一节沉井的重量，并按垫木定位立模板以绑扎钢筋。然后在刃脚位置处放上刃脚角钢，竖立内模（图11），绑扎钢筋，再立外模浇筑第一节沉井。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙图10垫木布置实例图11沉井刃脚立模1-内模；2-外模；3-立柱；4-角钢；垫木；6-砂垫层 3.拆模及抽垫当沉井混凝土强度达设计强度70％时可拆除模板，达设计强度后方可抽撤垫木。抽撤垫木应分区、依次、对称、同步地向沉井外抽出。其顺序为：先内壁下，再短边，再长边，最后定位垫木。长边下垫木隔一根抽一根，以固定垫木为中心，由远而近对称地抽，最后抽除固定垫木，并随抽随用砂土回填捣实，以免沉井开裂、移动或偏斜。原则：分区、依次、对称、同步。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙 4.挖土下沉沉井下沉施工可分为排水下沉和不排水下沉。排水下沉：当沉井穿过的土层较稳定，不会因排水而产生大量流砂时，可采用排水下沉。它适用于土层渗水量不大且排水时不会产生涌土或流砂的情况；人工挖土可使沉井均匀下沉和清除井下障碍物，但应保证施工安全。排水下沉时，有时也用机械除土。不排水下沉：一般都采用机械除土，挖土工具可以是抓土斗或水力吸泥机，如土质较硬，水力吸泥机需配以水枪射水将土冲松。由于吸泥机是将水和土一起吸出井外，故需经常向井内加水维持井内水位高出井外水位1～2m，以免发生涌土或流砂现象。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙 5.接高沉井第一节沉井顶面下沉至距地面还剩1m～2m时，应停止挖土，接筑第二节沉井。接筑前应使第一节沉井位置正直，凿毛顶面，然后立模浇筑混凝土。待混凝土强度达设计要求后，再拆模继续挖土下沉。6.筑井顶围墙如沉井顶面低于地面或水面，应在沉井上接筑围堰，围堰的平面尺寸略小于沉井，其下端与井顶上预埋锚杆相连。围堰是临时性的，待墩台身出水后可拆除。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙 7.地基检验和处理基底检验：检验内容是地基土质是否和设计相符，是否平整，并对地基进行必要的处理。基底处理：砂性土或粘性土地基，一般可在井底铺一层砾石或碎石至刃脚底面以上200mm。未风化岩石地基，应凿除风化岩层，若岩层倾斜，还应凿成阶梯形。要确保井底地基尽量平整，浮土、软土清除干净，以保证封底混凝土、沉井与地基结合紧密。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙 8.封底、充填井孔及浇筑顶盖地基经检验及处理合乎要求后，应立即进行封底。如封底是在不排水情况下进行，则可用导管法灌注水下混凝土(见钻孔灌注桩施工)，若灌注面积大，可用多根导管，以先周围后中间，先低后高的次序进行灌注。待混凝土达设计强度后，再抽干井孔中的水，填筑井内圬土。如井孔中不填料或仅填以砾石，则井顶面应浇筑钢筋混凝土顶盖，以支承墩台，然后砌筑墩身，墩身出土(或水面)后可拆除临时性的井顶围堰。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙 3沉井的施工沉井基础及地下连续墙沉井施工过程动画演示1 3沉井的施工沉井基础及地下连续墙沉井施工过程动画演示2 二、水中沉井的施工（一）筑岛法当水深小于3m，流速≤1.5m/s时，可采用砂或砾石在水中筑岛(图12a），周围用草袋围护；若水深或流速加大，可采用围堤防护筑岛[图12b）]；当水深较大（通常<15m）或流速较大时，宜采用钢板桩围堰筑岛(图12c）。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙图12水中筑岛下沉沉井a)无围堰防护土岛;b)有围堰防护土岛;c)围堰筑岛 2.浮运沉井施工水深较大，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墩位。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙（二）浮运沉井施工图13浮运沉井下水示意 三、泥浆润滑套与壁后压气沉井施工法（一）泥浆润滑套泥浆润滑套是借助泥浆泵和输送管道将特制的泥浆压入沉井外壁与土层之间，在沉井外围形成有一定厚度的泥浆层。主要利用泥浆的润滑减阻，降低沉井下沉中的摩擦阻力。图14射口挡板与压浆管构造a)射口挡板;b)外管法压浆管构造3沉井的施工沉井基础及地下连续墙 （二）壁后压气沉井法它是通过对沿井壁内周围预埋的气管中喷射高压气流，气流沿喷气孔射出，再沿沉井外壁上升，形成一圈压气层(又称空气幕)，使井壁周围土松动，减少井壁摩阻力，促使沉井顺利下沉。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙与泥浆润滑套相比的优点：壁后压气沉井法在停气后即可恢复土对井壁的摩阻力，下沉量易于控制，且所需施工设备简单，可以水下施工，经济效果好。在一般条件下较泥浆润滑套更为方便，它适用于细、粉砂类土和粘性土中。但设计方法和施工措施尚待积累更多的资料。 四、沉井施工新方法简介3沉井的施工沉井基础及地下连续墙20世纪90年代以来，在国外一些发达国家提出了压沉法SS(SpaceSystemCaisson)法SOCS(SuperOpenCaissonSystem)自动化沉井等施工方法。 五、沉井下沉过程中遇到的问题及处理1.偏斜偏斜原因：土岛表面松软，河底土质软硬不匀；井壁与刃脚中线不重合；抽垫方法欠妥，回填不及时；除土不均匀对称；刃脚遇障碍物顶住而未及时发现；排土堆放不合理，或单侧受水流冲击淘空等导致沉井承受不对称外力作用。发生倾斜的纠正方法：在沉井高的一侧集中挖土，在低的一侧回填砂石；在沉井高的一侧加重物或用高压射水冲松土层；在沉井顶面施加水平力扶正。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙 2.沉井下沉困难原因：开挖面深度不够，正面阻力大；偏斜，或刃脚下遇到障碍物、坚硬岩层和土层；井壁摩阻力大于沉井自重；井壁无减阻措施或泥浆套、空气幕等减阻构件遭到破坏。解决下沉困难的措施主要是增加压重和减少井壁摩阻力,增加压重的方法：提前接筑下节沉井；在井顶加压砂袋、钢轨等重物；不排水下沉时，可井内抽水。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙 减小井壁摩阻力的方法：3沉井的施工沉井基础及地下连续墙井壁内埋设高压射水管组，射水辅助下沉；利用泥浆套或空气幕辅助下沉；增大开挖范围和深度；必要时还可采用0.10.2kg炸药起爆助沉。 3.突沉原因：井壁摩阻力较小，当刃脚下土被挖除时，沉井支承削弱；排水过多；挖土太深；出现塑流。防止突沉的措施：控制均匀挖土，减小刃脚处挖土深度；在设计时可采用增大刃脚踏面宽度或增设底梁的措施提高刃脚阻力。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙 4.流砂原因：土中动水压力的水头梯度大于临界值。防止流砂的措施：排水下沉时发生流砂，可采取向井内灌水；不排水除土下沉时，减小水头梯度；采用井点，或深井和深井泵降水。3沉井的施工沉井基础及地下连续墙 第四节沉井的设计与计算沉井的设计与计算内容：包括沉井作为整体深基础计算和施工过程中沉井结构强度计算。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙沉井设计与计算前，必须掌握如下有关资料：上部或下部结构尺寸要求和设计荷载；水文和地质资料拟采用的施工方法。 一、沉井作为整体深基础的设计与计算设计程序：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。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙沉井计算分为两种情况：沉井基础埋置深度在局部冲刷线以下仅数米时：可按浅基础设计计算规定，不考虑沉井周围土体对沉井的约束作用，按浅基础设计计算。当沉井埋置较深时：需要考虑基础井壁外侧土体横向弹性抗力的影响按刚性桩计算内力和土抗力，同时应考虑井壁外侧接触面摩阻力，进行地基基础的承载力、变形和稳定性分析与验算。 4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙沉井基底的地基强度验算应满足：(1)沉井底部地基土总反力Rj等于该处土的承载力容许值fa与支承面积A的乘积，即：(2)沉井侧壁与土接触面提供的抗力，可假定井壁外侧与土的摩阻力沿深度呈梯形分布，距地面5m范围内按三角形分布，5m以下为常数，如图18所示，故总摩阻力为：图18井侧摩阻力分布假定(3) 基本假定条件：1.地基土作为弹性变形介质，水平向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。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙沉井基础作为整体深基础时，沉井深基础可以视为刚性桩柱，即相当于“m”法中刚性桩的条件，计算其内力和井壁外侧土抗力。 沉井基础受到墩台水平力H及偏心竖向力N作用时[图19a）]，为了计算方便，可以将上述外力简化为中心荷载N和水平力H的共同作用，转变后的水平力H距离基底的作用高度[图19b]为：4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙(4)图19荷载作用情况（一）非岩石地基上沉井基础计算 首先，考虑沉井在水平力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z0深度处A点转动一角（图20），地面下深度z处沉井基础产生的水平位移Δx和土的横向抗力pzx分别为：4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙图20水平及竖直荷载作用下的应力分布 将深度z处水平向地基系数代入上式pzx表达式，可以得到：4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙(5)由上式可见，沉井井壁外侧土的横向抗力沿深度为二次抛物线变化。沉井基础底面处的压应力计算，考虑基底水平面上竖向地基系数C0不变，故其压应力图形与基础竖向位移图相似，有：(6) 在上述公式中，有两个未知数z0和ω求解，可建立如下两个平衡方程式。ΣX=0，可以得到：4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙，可以得到：对以上二式联立求解，可得：或 将上述z0和tan表达式代入式（5）和式（6），得到：(7)(8)当有竖向荷载N及水平力H同时作用时，则基底平面边缘处的压力为离地面或局部冲刷线以下深度z处基础截面上的弯矩为：(10)4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙(9) （二）基底嵌入基岩内的计算方法4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙若沉井基底嵌入基岩内，在水平力H和竖直偏心荷载N作用下，可以认为基底不产生水平位移，则基础旋转中心A与基底中心点吻合，即z0=h，为一已知值（图21）。这样，在基底嵌入处便存在一水平阻力P，由于P对基底中心点的力臂很小，一般可忽略P对A点的力矩。图21水平力作用下的应力分布 当基础水平力H作用时，地面下深度z处产生的水平位移Δx，并引起井壁外侧土的横向抗力pzx，分别为：4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙(11)基底边缘处的竖向应力为：(12)上述公式中未知数ω求解，仅需建立一个弯矩平衡方程便可，，可以到： 解上式得：式中，将上述解出的tanω代入表达式（11）和表达式（12），可以得到：4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙(13)(14)同理，可以得到基底边缘处的应力为(15) 根据水平向荷载的平衡关系，可以求出嵌入处未知的水平阻力P地面以下z深度处沉井基础截面上的弯矩为：4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙(16)(17) （三）墩台顶面的水平位移沉井基础在水平力H和力矩M作用下，墩台顶水平位移由地面处水平位移z0tan、地面至墩顶h2范围内水平位移h2tan以及台身（或立柱）h2范围内的弹性挠曲变形引起的墩顶水平位移0三部分所组成：鉴于一般沉井基础转角很小，存在近似关系4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙（18） 此外，考虑沉井基础实际刚度并非无穷大，需考虑刚度对墩顶水平位移的影响，故引入系数k1和k2，反映实际刚度对地面处水平位移及转角的影响，从而得到：同理，对于支承在岩石地基上的墩台顶面水平位移，则可以采用下式计算4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙（19a）（19b） （四）验算1．基底应力验算沉井荷载作用效应分析中，沉井基底计算的最大压应力，不应超过沉井底面处地基土的承载力容许值，即4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙（20） 2．横向抗力验算沉井侧壁地基土的横向抗力pzx，实质上是根据文克尔弹性地基梁假定，得出的横向荷载效应值，应小于井壁周围地基土的极限抗力值。沉井基础在外力作用下，深度z处产生水平位移时，井壁（背离位移）一侧将产生主动土压力，而另一侧将产生被动土压力故其极限抗力可以用土压力表示为：4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙(21） 代入式（21），可以得到：考虑到桥梁结构性质和荷载情况，并根据试验数据可知，沉井侧壁地基土横向抗力最大值，一般出现在和处，代入上式可以得到4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙由朗金土压力理论可知：（22）（23a）（23b） 3．墩台顶面水平位移验算桥梁墩台设计时，除应考虑基础沉降外，还需验算地基变形和墩台身弹性水平变形所引起的墩台顶水平位移是否满足上部结构设计要求。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙 二、沉井施工过程中结构强度计算施工及营运过程的不同阶段，沉井荷载作用不尽相同。沉井结构强度必须满足各阶段最不利情况荷载作用的要求。沉井各部分设计时，必须了解和确定不同阶段最不利荷载作用状态，拟定出相应的计算图式，然后计算截面应力，进行配筋设计，以及结构抗力分析与验算，以保证沉井结构在施工各阶段中的强度和稳定。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙 （一）沉井自重下沉验算为了使沉井能在自重下顺利下沉，沉井重力（不排水下沉时，应扣除浮力）应大于土与井壁间的摩阻力标准值，将两者之比称为下沉系数，要求4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙＞1（24） 当不能满足上式要求时，可选择下列措施直至满足要求：加大井壁厚度或调整取土井尺寸；如为不排水下沉者，则下沉到一定深度后可采用排水下沉；增加附加荷载压沉或射水助沉；采用泥浆润滑套或壁后压气法减阻等措施。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙 （二）第一节（底节）沉井的竖向挠曲验算1．排水挖土下沉排水挖土下沉的整个过程中，沉井支承点相对容易控制。可将沉井视为支承于四个固定支点上的梁，且支点控制在最有利位置处，即支点和跨中所产生的弯矩大致相等。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙图22底节沉井支点布置示意a)排水除土下沉 2．不排水挖土下沉不排水挖土下沉施工中，机械挖土时刃脚下的支点位置很难控制，沉井下沉过程中可能出现最不利支承。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙图22底节沉井支点布置示意b)不排水除土下沉 （三）沉井刃脚受力计算刃脚切入土中时受到向外弯曲应力；挖空刃脚下内侧土体时，刃脚又受到向内弯曲的外部土、水压力作用。为简化起见，一般按竖向和水平向分别计算。竖向分析时，近似地将刃脚结构视为固定于刃脚根部井壁处的悬臂梁（图22），根据刃脚内外侧作用力不同组合，可能向外或向内挠曲。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙 在水平面上，则视刃脚结构为一封闭的框架，在水、土压力作用下使其在水平面内发生弯曲变形。分别可推出刃脚悬臂分配系数α和水平框架分配系数β如下。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙刃脚悬臂作用的分配系数为：（25）刃脚框架作用的分配系数为：（26） 4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙1．刃脚竖向受力分析（1）刃脚向外挠曲的内力计算最不利位置：当沉井下沉过程中刃脚内侧切入土中深约1.0m，同时接筑完上节沉井，且沉井上部露出地面或水面约一节沉井高度时，刃脚斜面上土的抗力最大，且井壁外土、水压力最小，处于刃脚向外挠曲的。图23刃脚向外挠曲受力分析 1)刃脚外侧土压力及水压力的合力或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2）作用在刃脚外侧单元宽度上的摩阻力T1可按下列两式计算，并取其较小者4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙4）刃脚（单位宽度）自重g为 4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙（37）（38）（39）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H、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a。上述各式数值的正负号视具体情况而定。对刃脚根部中心轴的弯矩总和值M0、竖向力N0及剪力Q，其算式为求出以上各力的数值、方向及作用点后，再算出各力 2．刃脚水平钢筋计算最不利的情况：沉井已下沉至设计高程，刃脚下的土已挖空，尚未浇筑封底混凝土的时候，由于刃脚有悬臂作用及水平闭合框架的作用，故当刃脚作为悬臂考虑时，刃脚所受水平力乘以α，而作用于框架的水平力应乘以分配系数后，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。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙 4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙(1)单孔矩形框架（图25）图25单孔矩形框架受力A点处的弯矩B点处的弯矩C点处的弯矩轴向力 4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙(2)单孔圆端形（图26）式中：K——K=L/r，r为圆心至圆端形井壁中心的距离。图26单孔圆形框架受力 4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙(3)双孔矩形（图27）图27双孔矩形框架受力 4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙(4)双孔圆端形[图28a]式中： 式中：NA、MA——A截面上的轴向力（kN）和弯矩（kN·m）；NB、MB——B截面（垂直于A截面）上的轴向力（kN）和弯矩（kN·m）；r——井壁（刃脚）轴线的半径（m）。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙（5）圆形沉井(图28b)图28双孔圆端形沉井内力计算a）双孔圆端形框架受力；b）圆形沉井井壁的土压力 （四）井壁受力计算1．井壁竖向拉应力验算沉井在下沉过程中，上部土层工程性能相对下部土层明显偏优时，当刃脚下土体已被挖空，沉井上部性能良好土层将提供足够侧壁摩擦力（例如大于沉井自重），阻止沉井下沉，则形成下部沉井呈悬挂状态，井壁结构就有在自重作用下被拉断的可能。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙 需要验算井壁的竖向拉应力是否满足井壁抗拉要求。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，可近似假定沿沉井高度成倒三角形分布（图29）。在地面处摩阻力最大，而刃脚底面处为零。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙图29井壁井壁摩阻力分布 2．井壁横向受力计算当沉井沉至设计高程，且刃脚下土已挖空而尚未封底时，井壁承受的土、水合力为最大。此时，应按水平框架分析内力，验算井壁材料强度，其计算方法与刃脚框架计算相同。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙 （五）混凝土封底及顶盖的计算1．封底混凝土计算沉井封底混凝土的厚度应根据基底承受的反力情况而定。作用于封底混凝土的竖向反力可分为两种情况：一种是沉井水下封底后，在施工抽水时封底混凝土需承受基底水和地基土的向上反力；一种是空心沉井在使用阶段，封底混凝土须承受沉井基础全部最不利荷载组合所产生的基底反力，如井孔内填砂或有水时，可扣除其重力。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙封底混凝土厚度，可按弯拉验算和剪切验算两种方法计算并取其控制 2．钢筋混凝土盖板计算空心或井孔内填以砾砂石的沉井，井顶必须浇筑钢筋混凝土盖板，用以支承墩台及其上部全部荷载。盖板厚度一般是预先拟定的，按盖板承受最不利荷载组合，假定为均布荷载的双向板进行内力计算和配筋设计。如墩身全部位于井孔内，还应验算盖板的剪应力和井壁支承压力。如墩身较大，部分支承在井壁上则不需进行盖板的剪力验算，只进行井壁压应力的验算。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙 三、浮运沉井计算要点（一）浮运沉井稳定性验算4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙浮运沉井在浮运过程中和就位接高下沉过程中均为浮体，要有一定的吃水深度，使重心低而不易倾覆，保证浮运时稳定；同时还必须具有足够的高出水面高度，使沉井不因风浪等而沉没。因此，除前述计算外，还应考虑沉井浮运过程中的受力情况，进行浮体稳定性（沉井重心、浮心和定倾半径分析确定与比较）和井壁露出水面高度等的验算。现以带临时性底板的浮运沉井为例，说明浮运沉井稳定性验算。 4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙根据沉井重量等于沉井排开水的重量浮力原理，则沉井吃水深h0（从底板算起，图31）为：图31计算浮心位置示意图（43）计算浮心位置 4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙式中：M1——各排水体积（m3）（沉井底板以上部分排水体积V0、刃脚体积V1、底板下隔墙体积V2）与其中心至刃脚底面距离的乘积。如各部分的乘积分别以M0、M2、M3表示，则浮心的位置，以刃脚底面起算为h3+Y1时，Y1可由下式求得：对圆端形沉井（44） 4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙 4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙2.重心位置计算设重心位置O2离刃脚底面的距离为Y2，则式中:MⅡ——沉井各部分体积与其中心到刃脚底面距离的乘积，并假定沉井各部分圬工的单位重相同。令重心与浮心的高差为Y，则（45）（46） 4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙图32圆端形沉井截面3.定倾半径的计算定倾半径ρ为定倾中心到浮心的距离，由下式计算式中：Ix-x为吃水截面积的惯性矩，对圆端形沉井（图32）而言其值为对带气筒浮运沉井，可根据气筒布置、各阶段气筒使用与连通情况，分别确定定倾半径（47） 4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙（48）4.浮运沉井稳定的必要条件浮运沉井的稳定性应满足重心到浮心的距离小于定倾中心到浮心的距离，即 （二）浮运沉井露出水面最小高度验算沉井浮运过程中受到牵引力、风力等荷载作用，不免产生一定的倾斜，故一般要求沉井顶面高出水面不小于0.5～1.0m为宜，以保证沉井在拖运过程中的安全。4沉井的设计与计算沉井基础及地下连续墙拖引力及风力等对浮心产生弯矩M，因而使沉井旋转（倾斜）角度θ，在一般情况下不允许θ值大于6°，可按下式分析验算：（49）沉井浮运时露出水面的最小高度h按下式计算：（50） 第六节地下连续墙一、地下连续墙的概念、特点及其应用与发展地下连续墙技术起源于欧洲，是根据钻井中膨润土泥浆护壁以及水下浇灌混凝土的施工技术而建立和发展起来的一种方法。这种方法最初应用于意大利和法国，在1950年前后，意大利首先应用了排式地下连续墙,1954年，这一施工技术传入法国、德国，并很快得到广泛应用。1959年传入日本，目前，日本为该技术使用最多的国家。6地下连续墙沉井基础及地下连续墙 在地面上用抓斗式或回转式等成槽机械，沿着开挖工程的周边，在泥浆护壁的情况下开挖一条狭长的深槽，形成一个单元槽段后，在槽内放入预先在地面上制作好的钢筋笼，然后用导管法浇灌混凝土，完成一个单元的墙段，各单元墙段之间以特定的接头方式相互连接，形成一条地下连续墙壁（图42）。6地下连续墙沉井基础及地下连续墙施工方法： 图42地下连续墙施工程序示意图a）成槽；b）放入接头管；c）放入钢筋笼；d）浇筑混凝土6地下连续墙沉井基础及地下连续墙 地下连续墙（简称地下墙）具有以下优点：结构刚度大；整体性、防渗性和耐久性好；施工时基本上无噪声、无振动，施工速度快，建造深度大，能适应较复杂的地质条件；可以作为地下主体结构的一部分，节省挡土结构的造价。6地下连续墙沉井基础及地下连续墙 地下连续墙在工程应用中，主要有以下四种类型：作为地下工程基坑的挡土防渗墙，它是施工用的临时结构；在开挖期作为基坑施工的挡土防渗结构，以后与主体结构侧墙以某种形式结合，作为主体结构侧墙的一部分；在开挖期作为挡土防渗结构，以后单独作为主体结构侧墙使用；作为建筑物的承重基础、地下防渗墙、隔振墙等。6地下连续墙沉井基础及地下连续墙 二、地下连续墙的类型与接头构造（一）地下连续墙的类型6地下连续墙沉井基础及地下连续墙地下连续墙按其填筑材料分类地下连续墙按成墙方式可分为土质墙混凝土墙钢筋混凝土墙现浇预制组合墙桩式壁板式桩壁组合式 现浇钢筋混凝土壁板式地下连续墙按支护结构方式6地下连续墙沉井基础及地下连续墙自立式地下墙挡土结构锚定式地下墙挡土结构支撑式地下墙挡土结构逆筑法地下墙挡土结构 （二）地下连续墙的接头构造6地下连续墙沉井基础及地下连续墙地下连续墙一般分段浇筑，墙段间需设接头，另外地下墙与内部结构也需接头，后者又称墙面接头。1．墙段接头（1）接头管（图44）图44接头管接头的施工程序 （2）接头箱接头6地下连续墙沉井基础及地下连续墙接头箱接头的施工程序a）插入接头箱；b）吊放钢筋笼；c）浇筑混凝土；d）吊出接头管；e）吊放后一槽段的钢筋笼；f）浇筑后一槽段的混凝土形成整体接头1-接头箱；2-接头管；3-焊在钢筋笼上的钢板图45接头箱接头的施工程序 2．墙面接头地下连续墙与内部结构的楼板、柱、梁、底板等连续的墙身接头，既要承受剪力或弯矩又应考虑施工的局限性，目前常用的有预埋连接钢筋、预埋连接钢板、预埋剪力连接构件等方法。可根据接头受力条件选用，并参照钢筋混凝土结构规范对构件接头构造要求布设钢筋（钢板）。6地下连续墙沉井基础及地下连续墙 三、地下连续墙的施工现浇钢筋混凝土壁板式连续墙的主要施工程序有：修筑导墙，泥浆制备与处理，深槽挖掘，钢筋笼制备与吊装，以及浇筑混凝土。（一）修筑导墙在地下连续墙施工以前，必须沿着地下墙的墙面线开挖导沟，修筑导墙。导墙是临时结构，主要作用是：挡土，防止槽口坍陷；作为连续墙施工的基准；作为重物支承；存蓄泥浆等。6地下连续墙沉井基础及地下连续墙 导墙常采用钢筋混凝土制筑（现浇或预制），也有用钢的。常用的钢筋混凝土墙断面如图46所示。图46导墙的几种断面形式6地下连续墙沉井基础及地下连续墙 （二）泥浆护壁地下连续墙施工的基本特点是利用泥浆护壁进行成槽。泥浆的主要作用除护壁外，还有携渣、冷却钻具和润滑作用。泥浆的质量对地下墙施工具有重要意义，控制泥浆性能的指标有密度、黏度、失水量、pH值、稳定性、含砂量等。（三）挖掘深槽是用专用的挖槽机来完成的。挖槽机械应按不同地质条件及现场情况来选用。目前国内外常用的挖槽机械按其工作原理分为抓斗式、冲击式和回转式三大类，我国当前应用最多的是吊索式蚌式抓斗、导杆式蚌式抓斗及回转式多头钻等。6地下连续墙沉井基础及地下连续墙 （四）混凝土墙体浇筑槽段挖至设计高程进行清底后，应尽快进行墙段钢筋混凝土浇筑。它包括下列内容：（1）吊放接头管或其他接头构件；（2）吊放钢筋笼；（3）插入浇筑混凝土的导管，并将混凝土连续浇筑到要求的高程；（4）拔出接头管。6地下连续墙沉井基础及地下连续墙 6地下连续墙沉井基础及地下连续墙地下连续墙施工过程动画演示 四、地下连续墙设计计算简介（一）地下连续墙的破坏类型6地下连续墙沉井基础及地下连续墙地下连续墙的破坏类型稳定性破坏强度破坏整体失稳基坑底隆起管涌流砂支撑强度不足压屈墙体强度 （二）地下连续墙的设计计算地下连续墙的设计首先应考虑地下墙的应用目的和施工方法，然后决定结构的类型和构造，使它具有足够的强度、刚度和稳定性。1．作用在地下墙体上的荷载作用在墙体上的荷载主要是土压力和水压力，砂性土应按水土分算的原则计算；黏性土宜按水土合算的原则计算。当地下墙用作主体结构的一部分或结构物基础时，还必须考虑作用在墙体上的各种其他荷载。6地下连续墙沉井基础及地下连续墙 土压力的计算方法6地下连续墙沉井基础及地下连续墙古典土压力理论静止土压力理论经验图式法作用在地下连续墙上的水压力与土压力不同，它与墙的刚度及位移无关，按静水压力计算。地下连续墙作为结构物基础或主体结构时的荷载，其荷载根据上部结构的种类不同而有差异。在一般情况下，它与作用在桩基础或沉井基础上的荷载大致相同。 2．墙体内力计算6地下连续墙沉井基础及地下连续墙地下墙内力计算理论和方法及适用条件一览表表6类别计算理论及方法方法的基本条件方法名称举例（一）较古典的钢板桩计算理论土压力已知不考虑墙体变形不考虑支撑变形假想梁（等值梁）法二分之一分割法太沙基法（二）横撑轴力、墙体弯矩不变化的方法土压力已知考虑墙体变形不考虑支撑变形山肩邦男法（三）横撑轴力、墙体弯矩随之变化的方法土压力已知考虑墙体变形考虑支撑变形日本的《建筑基础结构设计规范》的弹性法有限单元法（四）共同变形理论（弹性）土压力随墙体变化而变化考虑墙体变形考虑支撑变形森重龙马法有限单元法（包括土体介质）《公路桥涵地基与基础设计规范》法（五）非线性变形理论考虑土体为非线性介质考虑墙体变形考虑支撑变形考虑施工分部开挖考虑分部开挖的非线性有限单元法 3．地下连续墙挡土结构的稳定性验算主要采用下列验算方法。（1）土压力平衡的验算；（2）基坑底面隆起的验算；（3）管涌的验算。确定地下连续墙的插入土深度是非常重要的，若深度太浅将导致挡土结构物的失稳，而过深则不经济，也增加施工困难，应通过上述验算确定。具体验算方法可参阅本书第二章及有关文献。6地下连续墙沉井基础及地下连续墙