土木工程本科生專業(yè)課程-第五章沉井基礎(chǔ)

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1、第 五 章 沉 井 基 礎(chǔ) 土 木 工 程 本 科 生 專 業(yè) 課 程 基 礎(chǔ) 工 程 主 要 內(nèi) 容5.1 天 然 地 基 上 深 基 礎(chǔ) 的 修 筑 方 法5.2 沉 井 的 類 型 和 構(gòu) 造5.3 沉 井 的 施 工 方 法5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 5.1 天 然 地 基 上 深 基 礎(chǔ) 的 修 筑 方 法概 述基 礎(chǔ) 埋 深 施 工 難 度 施 工 安 全 系 數(shù)水 中 施 工 需 采 用 特 殊的 處 理 方 式 需 更 多 更 強(qiáng)的 支 撐 結(jié) 構(gòu)施 工 困 難造 價 上 升 沉 井 基 礎(chǔ)沉 箱 基 礎(chǔ)新 方 法 施 工 方 法制 作井 筒 挖 土下 沉 到 達(dá) 設(shè)計(jì)

2、 標(biāo) 高 封 底 填充 制 蓋 修 筑 上部 結(jié) 構(gòu)5.1 天 然 地 基 上 深 基 礎(chǔ) 的 修 筑 方 法 特 點(diǎn) 施 工 過 程 ： 沉 井 擋 土 、 擋 水 ， 起 臨 時 圍 堰 作 用運(yùn) 營 階 段 ： 深 埋 的 實(shí) 體 基 礎(chǔ)優(yōu) 點(diǎn) 剛 度 大 、 橫 向 抗 力 大 、 抗 震 性 能 較 好機(jī) 具 簡 單 、 施 工 方 便5.1 天 然 地 基 上 深 基 礎(chǔ) 的 修 筑 方 法 5.1 天 然 地 基 上 深 基 礎(chǔ) 的 修 筑 方 法5.2 沉 井 的 類 型 和 構(gòu) 造5.3 沉 井 的 施 工 方 法5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算主 要 內(nèi) 容 5.2 沉

3、井 的 類 型 及 構(gòu) 造5.2.1 沉 井 類 型按 下 沉 方 法 一 般 沉 井浮 運(yùn) 沉 井按 沉 井 材 料 混 凝 土 沉 井鋼 筋 混 凝 土 沉 井鋼 沉 井其 他 沉 井 1 井 壁2 刃 腳3 隔 墻4 井 孔5 凹 槽6 射 水 管7 封 底8 頂 蓋5.2 沉 井 的 類 型 及 構(gòu) 造5.2.2 沉 井 構(gòu) 造 1 平 面 形 狀平 面形 狀 圓 形 沉 井矩 形 沉 井圓 端 形 沉 井 受 力 性 能 好 ， 充 分 發(fā) 揮 混 凝 土 抗 壓 強(qiáng) 度 挖 土 方 便 ， 下 沉 均 勻 ， 易 于 控 制 方 向 基 底 max同 面 積 的 矩 形 制 造 方

4、 便 ， 下 沉 方 向 不 易 控 制 能 充 分 利 用 地 基 承 載 力 介 于 前 兩 者 之 間5.2 沉 井 的 類 型 及 構(gòu) 造 5.2 沉 井 的 類 型 及 構(gòu) 造2 平 面 尺 寸 頂 面 尺 寸 ： 大 于 墩 底 尺 寸 底 面 尺 寸 ： 由 地 基 承 載 力 確 定3 沉 井 高 度 頂 面 標(biāo) 高 H 1： 低 于 最 低 水 位 或 低 于 地 面 底 面 標(biāo) 高 H 2： 由 最 小 埋 深 和 地 基 承 載 力 確 定 沉 井 高 度 H : H =H 1-H 2 高 沉 井 可 分 節(jié) 制 造 ： 每 節(jié) 高 不 大 于 56m， 首 節(jié) 不 大

5、于 46m 第 二 節(jié) 沉 井 過 高 ， 會 導(dǎo) 致 沉 井 下 沉 發(fā) 生 傾 斜 以 及 使 下 沉 不 深 的 首 節(jié) 沉 井 發(fā) 生 問 題 5.2 沉 井 的 類 型 及 構(gòu) 造4 井 孔 設(shè) 置 及 大 小 設(shè) 置 目 的 ： 排 土 平 面 尺 寸 ： 挖 土 機(jī) 具 能 順 利 通 過 ， 對 稱 布 置 設(shè) 置 方 式 : 單 孔 、 雙 孔 及 多 孔 5 井 壁 應(yīng) 有 足 夠 的 強(qiáng) 度 和 重 量豎直形 臺階形 斜坡形易 于 控 制方 向 ， 但阻 力 大 ，不 易 下 沉 臺 階 寬 度1020mm多 設(shè) 在 沉井 分 節(jié) 處 有 利 下 沉但 易 偏 斜100：

6、 1至50： 15.2 沉 井 的 類 型 及 構(gòu) 造 6 隔 墻 作 用 ： 減 小 受 彎 跨 度 ， 提 高 沉 井 剛 度 ， 降 低 沉 井 應(yīng) 力 均 勻 挖 土 ， 控 制 下 沉 方 向 ， 不 致 傾 斜 特 點(diǎn) ： 厚 0.81.2m， 底 面 高 出 刃 腳 踏 面 不 小 于 0.5m h較 大 時 ， 設(shè) 梗 肋 于 隔 墻 底 部 與 刃 腳 連 接 處 排 水 下 沉 ， 隔 墻 底 留 1.0-1.2m2過 人 通 道 設(shè) 置 透 水 孔 ， 一 般 20-20cm 2， 設(shè) 置 在 隔 墻 上 部 離 頂 部 23m 5.2 沉 井 的 類 型 及 構(gòu) 造 7

7、 射 水 管 組 作 用 ： 利 用 高 壓 水 流 沖 松 井 壁 四 周 的 土 ， 降 低 側(cè) 阻 力 端 阻 力 控 制 水 量 、 水 壓 大 小 ， 調(diào) 整 下 沉 方 向5.2 沉 井 的 類 型 及 構(gòu) 造8 探 測 管 組 作 用 ： 探 測 刃 腳 和 隔 墻 底 面 下 的 泥 面 標(biāo) 高 清 基 射 水 或 破 壞 沉 井 正 面 土 層 以 利 下 沉 沉 井 水 下 封 底 后 ， 可 作 為 刃 腳 或 隔 墻 下 封 底 混 凝 土 的 質(zhì) 量 檢 查 孔 使 用 條 件 ： 平 面 尺 寸 大 ， 不 排 水 下 沉 較 深 的 沉 井 5.2 沉 井 的 類

8、 型 及 構(gòu) 造9 凹 槽 作 用 ： 使 封 底 混 凝 土 更 好 的 與 井 壁 聯(lián) 結(jié) 如 將 沉 井 改 為 沉 箱 ， 凹 槽 處 可 制 作 箱 頂10 井 頂 圍 堰 作 用 ： 防 止 井 頂 以 上 的 土 ， 水 落 入 井 內(nèi)11 封 底 混 凝 土12 頂 蓋受 力 和 穩(wěn) 定 條 件 確 定 是 否 填 充厚 度 由 計(jì) 算 確 定 5.1 天 然 地 基 上 深 基 礎(chǔ) 的 修 筑 方 法5.2 沉 井 的 類 型 和 構(gòu) 造5.3 沉 井 的 施 工 方 法5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算主 要 內(nèi) 容 江 陰 長 江 公 路 大 橋 北 錨 碇 采 用 大

9、型 深 沉 井基 礎(chǔ) ， 平 面 尺 寸 為 69米 51米 ， 下 沉 58米 ， 為 世 界 第 一大 沉 井 (面 積 近 個 半 籃 球 場 ，高 度 相 當(dāng) 于 層 樓 )。世 界 第 一 大 沉 井 南 岸 重 力 嵌 巖 錨 北 岸 南 岸 5.3 沉 井 的 施 工5.3.1 陸 地 沉 井 的 施 工 場 地 準(zhǔn) 備 立 模 、 綁 扎 鋼 筋 墊 木 法 無 墊 木 法 土 模 法 方 法 填 土 內(nèi) 模 挖 土 內(nèi) 模 5.3 沉 井 的 施 工墊 木 布 置 示 意 圖 挖 土 內(nèi) 模5.3 沉 井 的 施 工 澆 筑 混 凝 土 對 稱 均 勻 地 進(jìn) 行 ， 防 止

10、 不 均 勻 沉 降 引 起 沉井 開 裂 ， 且 盡 量 一 次 性 澆 筑 拆 除 模 板 和 墊 木 模 板 拆 除 時 間 ： 側(cè) 面 直 立 模 板 設(shè) 計(jì) 強(qiáng) 度 25% 刃 腳 斜 面 、 隔 墻 底 面 設(shè) 計(jì) 強(qiáng) 度 75% 墊 木 =設(shè) 計(jì) 強(qiáng) 度 墊 木 拆 除 順 序 ： 先 內(nèi) 壁 ， 后 外 壁 ； 先 短 邊 ， 后 長 邊長 邊 下 的 墊 木 是 隔 一 根 撤 一 根 ， 以 定位 墊 木 為 中 心 ， 由 遠(yuǎn) 而 近 地 對 稱 拆 除5.3 沉 井 的 施 工 挖 土 下 沉 接 筑 沉 井 地 基 檢 驗(yàn) 和 處 理 井 底 填 充 制 作 頂 蓋

11、排 水 挖 土 下 沉 ： 無 地 下 水 或 土 層 滲 水 量 較 小 且 穩(wěn) 定 不 排 水 挖 土 下 沉 ： 與 上 述 情 況 相 反為 避 免 沉 井 發(fā) 生 傾 斜 ， 挖 土 應(yīng) 分 層 均 勻 進(jìn) 行先 挖 井 孔 中 心 ， 再 挖 隔 墻 下 ， 后 挖 刃 腳 下 土5.3 沉 井 的 施 工 5.3.2 水 中 沉 井 的 施 工 筑 島 法 在 河 流 淺 灘 或 水 位 不 深水 流 速 度 不 大 時 采 用5.3 沉 井 的 施 工 浮 運(yùn) 法 浮 運(yùn) 沉 井 下 水 雙 壁 浮 運(yùn) 沉 井帶 氣 筒 浮 運(yùn) 沉井帶 臨 時 性 井 底浮 運(yùn) 沉 井在 深

12、水 河 道 中 ， 水 流 速 度較 大 ， 人 工 筑 島 有 困 難 時5.3 沉 井 的 施 工 沉 井 傾 斜 偏 挖 土 ： 在 下 沉 少 的 一 側(cè) 多 挖 土 ， 下 沉 多 的 一 側(cè) 少 挖 土 或 不 挖 土 偏 壓 重 ： 在 井 頂 不 對 稱 加 重 ， 不 對 稱 射 水 ， 或 在 井 頂 施 加 水 平 力 將 沉 井 扶 正 在 沉 的 少 的 一 側(cè) 挖 土 ， 底 面 灌 注 膨 潤 土 泥 漿 ， 以 減 小 井 壁 與 土 之 間 的 摩 擦 力5.3 沉 井 的 施 工5.3.3 沉 井 下 沉 問 題 及 處 理 方 法 沉 井 偏 移 先 偏

13、挖 土 使 之 傾 斜 ， 再 均 勻 挖 土 至 井 底 中 心 接 近 設(shè) 計(jì) 標(biāo) 高 時 ， 再 糾 傾 斜5.3 沉 井 的 施 工 難 沉 問 題井 底 有 障 礙 物井 壁 阻 力 過 大 突 沉 問 題高 壓 射 水 法 泥 漿 套 法空 氣 幕 法 炮 震 法主 要 發(fā) 生 在 軟 土 地 區(qū) ， 可 加 寬 刃 腳 踏 面 解 決 清 除 障 礙 物 加 重 法 減 小 井 壁 摩 阻 力5.3 沉 井 的 施 工 5.1 天 然 地 基 上 深 基 礎(chǔ) 的 修 筑 方 法5.2 沉 井 的 類 型 和 構(gòu) 造5.3 沉 井 的 施 工 方 法5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì)

14、算主 要 內(nèi) 容 5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算5.4.1 集 資 料設(shè) 計(jì) 資 料 ： 上 部 結(jié) 構(gòu) 、 墩 臺 類 型 及 尺 寸 、 沉 井 基 礎(chǔ) 的 設(shè) 計(jì) 荷 載 水 文 、 地 質(zhì) 資 料 等設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容 ： 作 為 基 礎(chǔ) 本 身 的 檢 算 ， 深 埋 剛 性 基 礎(chǔ) 沉 井 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算施 工 過 程 中 沉 井 所 受 到 的外 力 及 其 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 5.4.2 沉 井 各 部 尺 寸 的 擬 定包括 沉 井 高 度 及 分 節(jié)平 面 形 狀 及 尺 寸井 孔 布 置 及 大 小刃 腳 形 狀 及 尺 寸封 底 及 頂 蓋 厚 度

15、上 部 結(jié) 構(gòu) 的 特 點(diǎn)設(shè) 計(jì) 荷 載 的 大 小水 文 、 地 質(zhì) 情 況沉 井 構(gòu) 造 及 施 工 方 法 依據(jù)5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 5.4.3 沉 井 的 檢 算作 為 整 體 深 基 礎(chǔ) 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算埋 深 較 小 ， 不 考 慮 基 礎(chǔ) 側(cè) 面 土 的 橫 向 抗 力 ，按 淺 基 礎(chǔ) 進(jìn) 行 計(jì) 算埋 深 較 大 ， 需 要 考 慮 基 礎(chǔ) 側(cè) 面 土 的 橫 向 抗 力 ，按 剛 性 樁 進(jìn) 行 計(jì) 算5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 非 巖 石 地 基 上 沉 井 基 礎(chǔ) 的 計(jì) 算 如 右 圖 所 示 ， 在 橫 向

16、 力 H和 M的 作 用 下 ， 基 礎(chǔ) 將 沿 軸 線 上 的 a點(diǎn) 發(fā) 生 轉(zhuǎn) 動 ， 轉(zhuǎn) 動 角 度 為 則 在 z深 度 處 基 礎(chǔ) 的 橫 向 位 移 為 )(tan)( 00 zzzzxz 0z a點(diǎn) 的 深 度 則 在 z深 度 處 基 礎(chǔ) 側(cè) 面 土 的 橫 向 抗 力 為基 礎(chǔ) 轉(zhuǎn) 動 引 起 基 礎(chǔ) 底 面 邊 緣 的 豎 向 位 移 為 )( 0 zzmzxC zzzz ds 5.05.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算相 應(yīng) 的 基 底 反 力 為 05.0 dC 對 a 點(diǎn) 取 矩 有 0)(0 000 WdzbzzHzM l z 05.0 dC )( 0 zzmzxC

17、zzzz 忽 略 基 礎(chǔ) 側(cè) 面 和 底 面 的 摩 擦 力 ， 由 水 平 方 向 的 力 平 衡方 程 有 0)(0 0 l z bdzH 5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 0)(0 00 l zdzzzmbH 02)( 00 2000 WCdzdzzzmbHzM l dWClmb MHl 040 18 )32(12 )23(2 6)34( 20 0300 HlMmlb dWHCHlMmlbz 5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 則 在 z深 度 處 基 礎(chǔ) 的 彎 矩 為 )2(12 020 zzmzbHzMMz 5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算同 時 考 慮 豎 向 力 N時 ，

18、基 礎(chǔ) 底 面 的 豎 向 應(yīng) 力 為 00minmax 21 dCAN 嵌 入 巖 層 的 沉 井 基 礎(chǔ) 的 計(jì) 算 基 礎(chǔ) 繞 底 面 中 心 點(diǎn) a轉(zhuǎn) 動 ， 并 假 設(shè) a點(diǎn) 的 坐 標(biāo) 為 z0= l 忽 略 巖 面 以 下 基 礎(chǔ) 側(cè) 面 的 橫 向 抗 力 P引 起 的 彎 矩則 基 礎(chǔ) 側(cè) 面 土 的 橫 向 抗 力 為 )( zlmz z 5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 對 a點(diǎn) 取 矩 可 以 得 到 基 礎(chǔ) 的 轉(zhuǎn) 角 為則 在 z深 度 處 基 礎(chǔ) 的 彎 矩 為由 水 平 方 向 的 力 平 衡 條 件 可 得若 P為 負(fù) ， 則 說 明 其 作 用 方 向 與

19、 圖 示 方 向 相 反dWClmb MHl 040 6 )(12 )2(12 20 zlmzbHzMMz HmlbP 6 30 5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 作 為 圍 護(hù) 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 沉 井 自 重 的 計(jì) 算 下 沉 系 數(shù) K1G沉 井 自 重B水 的 浮 力R f井 壁 摩 阻 力 fR BGK 1 5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 下 沉 穩(wěn) 定 系 數(shù)R1刃 腳 下 土 的 支 持 力R2隔 墻 下 土 的 支 持 力 抗 浮 安 全 系 數(shù) K2B 1封 底 后 水 的 浮 力21 1 RRR BGK f 12 BRGK f 1K5.4 沉 井 的 設(shè)

20、計(jì) 計(jì) 算 刃 腳 計(jì) 算 刃 腳 向 外 撓 曲 的 計(jì) 算 計(jì) 算 刃 腳 外 側(cè) 的 土 壓 力 E 和 水 壓 力 W 計(jì) 算 井 壁 自 重 G 計(jì) 算 刃 腳 自 重 g 計(jì) 算 土 對 刃 腳 外 側(cè) 的 摩 擦 力 T 計(jì) 算 刃 腳 下 土 的 抗 力 計(jì) 算 刃 腳 根 部 的 截 面 內(nèi) 力 根 據(jù) 截 面 內(nèi) 力 進(jìn) 行 鋼 筋 計(jì) 算5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 刃 腳 向 內(nèi) 撓 曲 的 計(jì) 算 沉 井 下 沉 到 設(shè) 計(jì) 標(biāo) 高 刃 腳 下 的 土 掏 空 且 未 澆 筑 混 凝 土 井 壁 外 側(cè) 作 用 最 大 的 水 、 土 壓 力 忽 略 刃 腳 自

21、 重 和 土 的 摩 阻 力 影 響 各 水 平 外 力 應(yīng) 乘 以 分 配 系 數(shù) 5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算計(jì) 算 要 點(diǎn) 刃 腳 水 平 受 力 分 析計(jì) 算 要 點(diǎn) 計(jì) 算 圖 式 為 一 閉 合 的 水 平 框 架 沉 井 下 沉 到 設(shè) 計(jì) 標(biāo) 高 刃 腳 下 的 土 掏 空 且 未 澆 筑 混 凝 土 框 架 上 的 力 等 于 作 用 在 刃 腳 上 的水 平 力 乘 以 分 配 系 數(shù) 5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 井 壁 計(jì) 算 豎 向 撓 曲 計(jì) 算5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算排水挖土下沉 5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 不排水挖土下沉 5.4 沉

22、 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 井 壁 豎 向 拉 力 計(jì) 算由 豎 向 力 平 衡 方 程 有 假 設(shè) 該 等 截 面 沉 井 自 重 為 G， 沉 井 入 土 深 度 為 h, U為 井 壁周 長 ， 為 地 面 處 井 壁 單 位 摩 阻 力 ， 為 距 刃 腳 底 x處 的 摩 阻 力 xhUG 21 hUG2 距 離 刃 腳 底 x處 的 拉 力 為 222 hGxhGxxUhGxS xx 0dxdSx 02 2 hGxhG 4/2/ max GS hx 5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 井 壁 水 平 受 力 分 析5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 封 底 混 凝 土 厚 度 計(jì) 算

23、 封 底 混 凝 土 看 作 支 撐 在 凹 槽 ，按 周 邊 支 撐 的 雙 向 板 或 圓 板計(jì) 算 封 底 混 凝 土 按 受 剪 計(jì) 算 ： 封底 混 凝 土 在 井 孔 范 圍 內(nèi) 荷 載作 用 下 ， 有 沿 刃 腳 斜 面 高 度截 面 剪 斷 的 可 能 封 底 混 凝 土 剪 應(yīng) 力 計(jì) 算 圖5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 頂 蓋 內(nèi) 力 計(jì) 算5.4 沉 井 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 u地 下 連 續(xù) 墻 的 概 念u地 下 連 續(xù) 墻 優(yōu) 點(diǎn)地 下 連 續(xù) 墻http:/ 施 工 過 程 ： 利 用 專 用 的 挖 槽 機(jī) 械 在 泥 漿護(hù) 壁 下 開 挖 一 定 長 度 （ 一 個 單 元 槽 段 ）挖 至 設(shè) 計(jì) 深 度 并 清 除 沉 渣 插 入接 頭 管 吊 入 鋼 筋 籠 導(dǎo) 管 澆 注 混凝 土 待 混 凝 土 初 凝 后 拔 出 接 頭 管 逐 段 施 工 。 分段施工連接圖 環(huán) 球 金 融 中 心 工 程 效 果 圖 上 海 市 環(huán)球 金 融 中心 地 下 連續(xù) 墻 施 工