《基础工程第二版沉井.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基础工程第二版沉井.ppt(56页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、2019/6/2,1,第一节 概 述 第二节 沉井的构造及施工工艺 第三节 沉井的设计与计算,第五章 沉井基础,2019/6/2,2,第五章 沉井基础,第一节、概 述,1. 工作原理 沉井基础是井筒状的结构物,它是从井内挖土、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孔,使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。,2. 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。,如:南京长江大桥9个桥墩中的6个,江阴长江大桥悬索桥主缆的北锚碇均采用了沉井基础方案。,2019/6/2,3,2019/6/2,4,江阴长江大桥(1999
2、年)北锚沉井工程在大桥建设中属A标段工程,是整个大桥工程中的重中之重。沉井平面长69米,宽51米,下沉深度为58米,相当于九个半篮球场那么大的20层高楼埋进地底下,比美国纽约费雷泽诺桥(Verrazano,1964年)的锚碇沉井还要大。费雷泽诺桥的沉井体积为15万立方米,而江阴长江公路大桥北锚沉井体积为20.4万立方米,堪称世界最大沉井。按设计要求,这样的沉井要穿过粉细沙土层、粉质粘土层(硬土层)、粗沙砾石层,其难度可想而知。此锚碇要承担大桥主缆6.4万吨的拉力。如果锚碇向前位移一厘米,高达192米的塔墩就要偏移6厘米,重达1.8万吨的桥面就要下降12厘 米。如果发生左右位移,整个设计方案就会
3、前功尽弃。,2019/6/2,5,2019/6/2,6,2019/6/2,7,2019/6/2,8,3. 沉井基础的特点,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水围堰结构物,施工时对邻近建筑物影响较小且内部空间可资利用。,4. 沉井的缺点,施工期较长; 对粉细砂类土在沉井内抽水时易发生流砂现象,造成沉井倾斜; 沉井下沉过程中遇到的大块石、树干或井底岩层表面倾斜过大,均会给施工带来一定困难。,2019/6/2,9,第二节 沉井的构造及施工工艺,一、沉井的组成构造,沉井按平面形状可分圆形、矩形、圆端形等,根据井孔
4、的布置方式又有单孔、双孔、多孔的。,2019/6/2,10,1. 井壁 在下沉过程中,沉井井壁必须承受水土压力所引起的弯曲应力,以及要有足够的自重,克服井壁摩阻力而顺利下沉到达设计标高。 设计时通常先假定井壁厚度,再进行强度验算。井壁厚度一般为0.41.2m。 井壁可有等厚度的直壁式和阶梯式(图5-5)两种。 2. 刃脚 井壁刃脚底部应做成水平踏面和刀刃(图5-6)。 刃脚作用是冲切硬土,以减小下沉时的端部阻力。 踏面宽度一般为1020cm,内侧倾角一般为4560,刃脚高度当沉井湿封底取1.5m左右,干封底取0.6m左右。,2019/6/2,11,2019/6/2,12,2019/6/2,13
5、,3. 内隔墙 内隔墙的主要功能是增加下沉时的沉井刚度、减小井壁跨径以改善井壁受力条件、使沉井分隔成多个取土井后挖土和下沉可较为均衡,以便于纠偏。 内隔墙的底面一般比井壁刃脚踏面高出0.51m,以免土顶住内墙妨碍下沉。隔墙的厚度一般为0.5m左右,隔墙下部应设0.81.2m的过人孔,以便于人与施工机具的转移。 4. 井孔 井孔是挖土排土的工作场所和通道。 井孔尺寸应满足挖土机具能自由升降,宽度(直径)不宜小于3m。井孔布置应对称于沉井中心轴,便于对称挖土使沉井均匀下沉。,2019/6/2,14,5. 封底及浇筑底板 当沉井下沉到设计标高,经检验和坑底清理后即可进行封底。 封底可分干封和湿封(水
6、下浇灌混凝土),有时需在井底设有集水井后才进行封底。待封底素混凝土达到设计强度后,抽干积水,再在其上浇筑钢筋混凝土底板。 为了使封底混凝土和底板与井壁间更好联结和传递地基反力,于刃脚上方的井壁设置凹槽。 6. 底梁和框架 在较大型的沉井中,由于使用要求而不能设置内隔墙时,则可在沉井底部增设底梁,构成框架以增加沉井的整体刚度。沉井高度过大,常在井壁不同高度处设置若干道由纵横大梁组成的水平框架,以减少井壁的跨度,使沉井结构受力合理。,2019/6/2,15,旱地沉井:就地制造、挖土下沉、封底、充填井孔以及浇注顶板。主要施工工序如下 : 1. 整平场地 天然土质较好,整平地面就可在其上制造沉井。 为
7、减小沉井下沉深度,也可在基础位置处挖一浅坑,在坑底制造沉井下沉,坑底应高出地下水面0.51.0m。 2. 制造第一节沉井 先在刃脚踏面位置处对称地铺满一层垫木(可用200200mm的方木,使压应力不大于100kPa)。然后在刃脚位置处放上刃脚角钢,竖立内模,绑扎钢筋,立外模,最后浇灌第一节沉井混凝土。,二、旱地沉井的施工,2019/6/2,16,3. 拆模及抽垫 沉井混凝土达到设计强度70%时可拆除模板,强度达设计强度后才能抽撤垫木。 抽撤垫木应按一定顺序进行,以免引起沉井开裂、移动或倾斜。其顺序是:撤除内隔墙下的垫木,再撤沉井短边下的垫木,最后撤长边下的垫木。拆长边下的垫木时,以定位垫木(最
8、后抽撤的垫木)为中心,对称地由远到近拆除,最后拆除定位垫木。在抽垫木过程中,抽除一根垫木应立即用砂回填进去并捣实。,4. 挖土下沉 分为排水下沉和不排水下沉。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(常用人工挖土)。不排水下沉 (维持井内水位高出井外水位12m) 一般采用机械除土,如土质较硬,还需配以水枪将土冲松。,2019/6/2,17,5. 接高沉井 第一节沉井顶面下沉至距地面还剩12m时,应停止挖土,接筑第二节沉井。待第二节混凝土强度达设计要求后再拆模继续挖土下沉。 6. 地基检验和处理 沉井沉至设计标高后,应进行基底检验。检验内容是地基土质、平整情况,以决定是否对地基进行
9、处理。 如果是排水下沉的沉井,可以直接进行检查,不排水下沉的沉井由潜水工进行检查或钻取土样鉴定。 7. 封底、充填井孔及浇筑井盖 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,则可用导管法浇注水下混凝土,待混凝土达设计强度后,再抽干井孔中的水。,2019/6/2,18,2019/6/2,19,三、水上沉井的施工,水上施工沉井有两种方法,如果水的流速不大,水深在3或4m以内,可用水中筑岛的方法;如果水深较大,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。,如果预计沉井下沉困难,应采取措施尽量降低井壁
10、侧面摩阻力,方法有:将沉井井壁设计成阶梯形;在井壁内埋设高压射水管组,利用高压水流冲松井壁附近的土,且水流沿井壁上升而润滑井壁,使沉井摩阻力减小;也可采用壁外喷射高压空气或触变泥浆,这也需要在井壁中预埋管道。,2019/6/2,20,2019/6/2,21,第三节 沉井的设计与计算,如果沉井被用作结构物的基础,就应按基础的使用要求进行各项验算;如果沉井被用作工作井,也应按工作井的使用要求进行各项验算。但在施工过程中,沉井是挡土、挡水的结构物,因而还要对沉井本身进行结构设计和计算。本节着重介绍作为深基础的沉井计算。,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
11、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。 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,2019/6/2,22,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,而按浅基础设计计算规定,分别验算地基强度、沉井基础的稳定性和沉降,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
12、桩计算内力和土抗力,即相当于“m”法中h2.5的情况。 下面具体讨论这种计算方法。,2019/6/2,23,(一)非岩石地基上沉井基础的计算,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)tg zx = 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。,2019/6/2,24,2019/6/2,25,
13、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。 X0 M0,在上述三个公式中,有两个未知数z0和,要求解其值,可建立两个平衡方程式,即,式中:W为基底的截面模量。,2019/6/2,26,求得z0、tg,代入式(5-3)和式(5-4),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,2019/6/2,27,若沉井基底嵌入基岩内,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
14、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)tg zxmzx mz(hz)tg 基底边缘处的竖向应力为,(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。,2019/6/2,28,2019/6/2,29,由MA0便可解出tg,代入式(5-13)和式(5-14),可进一步求得: 式中 基底边缘处的应力为 再根据X0,可求出嵌入处未知的水平阻力P,2019/6/2,30,(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容许承载力fh。即 max f 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
15、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 zx pp - pa,2. 横向抗力验算,2019/6/2,31,由朗金土压力理论可知 式中 为土的重度,和c分别为内摩擦角和粘聚力。 桥梁结构中,根据试验可知出现最大的横向抗力大致在深度 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为基础的埋置深度;,2019/6/2,32,基础在水平力和力矩作用下,墩台顶面会产生水平位移。由三部分组成: (1) 地面处的水平位移z0 tg ;
16、(2) 地面到墩台顶范围h2内的水平位移h2 tg ; (3) 在h2范围内墩台本身弹性挠曲变形引起的墩台顶水平位移0。,1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,2019/6/2,33,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。,=(z0+h2)tg+0,因此,墩台顶面会产生水平位移为:,2019/6/2,34,2019
17、/6/2,35,2019/6/2,36,2019/6/2,37,2019/6/2,38,2019/6/2,39,2019/6/2,40,2019/6/2,41,2019/6/2,42,作业:习题5-1,2019/6/2,43,在确定沉井主体尺寸后,即可算出沉井自重,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; Gw 沉井结构在下沉过程中所受的总浮力; 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
18、程中应主要进行下列验算。,二、沉井的结构设计,(一)下沉系数K1,下沉稳定系数K1和抗浮安全系数K2,2019/6/2,44,在下沉过程中,沉井重量和井壁摩阻力在不断变化,因此应跟踪整个下沉过程中下沉系数的变化规律,而不仅仅是最终状态的情况。如:沉井在软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。,2019/6/2,45,当沉井沉到设计标高,在进行封底并抽除
19、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。,F 封底后沉井所受的总浮力,kN;,2019/6/2,46,(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,为简化计算一方面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;另一方面,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。 悬臂作用: 框架作用:,2019/6/2,47,1. 竖向挠
20、曲计算(沉井抽承垫木时计算),(三)井壁计算,(1) 排水挖土下沉,(2) 不排水挖土下沉,图5-16 第一节沉井支承点布置示意,2019/6/2,48,2. 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),沉井下沉过程中,上部可能被四周坚硬土体夹住,而刃脚下的土已被挖除,此时最危险截面在沉井入土深度一半处,其竖向拉力Smax为:Smax=0.25G 因此,井壁应有足够的竖直钢筋承受拉力。,作用在井壁上的水、土压力沿沉井深度是变化的,井壁水平应力应沿沉井高度分段计算。对于刃脚根部以上,高度等于该处井壁厚度的一段井壁框架是刃脚悬臂梁的固端,除承受框架本身
21、高度范围内的水、土压力外,尚需承受由刃脚部分水、土压力传来的剪力Q1。,2019/6/2,49,作用于圆形沉井井壁任一标高上的水平侧压力,在理论上是各处相等的,此时圆环应当只承受轴向压力,而井壁内弯矩等于零。,但实际土质是不均匀的,沉井下沉过程中也可能发生倾斜,因而井壁外侧土压力也是不均匀分布的。为简化计算,假定井圈上互成90的两点处,土的内摩擦角的差值为510。作用于A、B截面上的轴向力和弯矩可查阅有关专著。,2019/6/2,50,(四)封底混凝土的厚度计算,为保证封底混凝土的质量,应力争采用干封底,根据以往经验一般可取0.61.2m;当地质条件极为不利时则应采用水下混凝土封底(又称湿封底)。,沉井底板可按均布荷载作用下的板设计,沉井底板及封底混凝土与井壁间的连接,宜按铰支承考虑。 作用在沉井底板上荷载q为: q = pg (5-35) 式中 p 底板下最大的静水压力,kPa; g 封底板自重,kPa 。 水下封底混凝土仅作为一种临时性的施工措施。设计钢筋混凝土底板时不考虑与水下封底混凝土的共同作用,仍应按底板标高以下的最大静水压力考虑,再按单向板或双向板计算底板的配筋。,2019/6/2,51,2019/6/2,52,2019/6/2,53,2019/6/2,54,2019/6/2,55,2019/6/2,56,
链接地址:https://www.31doc.com/p-2890014.html