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1、第五章 沉井式结构,第一节 沉井的类型和构造 第二节 沉井结构设计计算 小结,第一节 沉井的类型和构造,一、概述 概念和适用条件、特点、分类 二、沉井的构造 三、沉井图例 隧道连续沉井、人防工事沉井,up,概念 一个地面预制的上无盖下无底的井筒状结构物，利用结构自重作用而下沉入土，在地下完成结构物施工。 应用范围 沉井一般沉到较坚实的土层上，充分利用深层土承载能力。 桥梁墩台基础、通风井、取水构筑物、污水泵站、地下工业厂房、基础、地下仓库、盾构拼装井、矿井、地下其他构筑物 荷载大、集中； 为满足建筑物使用，要求基础深埋 施工原因： 场地狭小或有临近建筑物影响 桩基施工不便,1. 沉井的概念,一
2、、概述,一、概述,一、概述,back,2. 沉井特点,优点：预制，质量可靠、造价低 1）作为结构物：，稳定性强、整体性好，强度大，承载力高，抗震性能较强； 2）作为施工围护结构：挡土、挡水优异 3）技术上比较稳妥可靠，挖土量少，对邻近建筑物的影响比较小，沉井基础埋置较深，稳定性好，能支承较大的荷载 缺点： 工期长，对地质条件有一定要求（岩面倾斜、流砂、障碍物）,back,沉井的分类,按横截面形状分,单孔沉井,单排孔沉井,多排孔沉井,back,圆形:制作简单、易于控制下沉、受力性能好、 周长小，侧面摩擦力小、对周围的土体扰动小 建筑面积不能充分利用 方形、矩形：制作方便、水平压力产生弯矩，使用方
3、便 受力情况不好、对周围土体扰动大、土压力和摩擦力不均匀 两孔、多孔：孔间有隔墙或横梁，改变井壁和底板的受力状况 施工易于控制、多适用于平面尺寸大的沉井 椭圆形：对水流阻力小，多用于桥梁墩台基础、江心泵站 多边形、多孔井字形,沉井分类按平面形状分,圆柱形：多用于入土不深、土质松散情况 不易发生倾斜、对周围土体扰动小；侧向摩擦力大、井壁易拉裂 锥形：外壁为斜坡，减小侧向摩擦力 下沉不稳定、不易井壁制作 阶梯形： 外壁阶梯形：减小摩擦力、扰动大、节省材料 内壁阶梯形：节省材料、减小扰动、避免下沉过快,沉井分类按竖向剖面形状分,back,二、沉井的构造,井壁 刃脚 内隔墙 封底和顶板 底梁和框架,u
4、p,井壁：主要承担井外水土压力和自重的部分 沉井的主要部分，满足强度和厚度要求 井壁厚度决定沉井大小、下沉深度以及土壤的力学性质以及沉井能在足够的自重下顺利下沉 井壁断面形式的选择 土质松软、摩擦力小、下沉深度小 直墙式 土质松软、下沉深度深 井壁外侧直线形内侧阶梯形 土质密实、下沉深度大 外壁做成阶梯形井壁 减小摩擦力的措施 触变泥浆润滑、壁外喷射高压空气,二、沉井的构造,back,刃脚 （P91图5-4） 井壁最下端一般都做成刀刃状的“刃脚”。 刃脚的主要功用是减少下沉阻力。 刃脚还应具有一定的强度，以免下沉过程中损坏。 刃脚形式的选择 踏面宽度 1030 刃脚内侧的倾角一般为 刃脚的高度
5、当沉井湿封底时，取1.5m左右，干封底时，取0.6m左右。,二、沉井的构造,back,内隔墙 沉井在下沉过程中增加刚度并减小井壁跨径 把整个沉井分成多个施工井孔（取土井），使挖土和下沉可较均衡地进行，也便于沉井偏斜时的纠偏。 隔墙的厚度一般为0.5m左右。 隔墙下部应设过人孔，供施工人员于各取土井间往来之用。人孔的尺寸一般为0.81.2m1.11.2m左右。,二、沉井的构造,back,封底及顶盖 当沉井下沉到设计标高，经过技术检验并对坑底清理后，即可封底，以防止地下水渗入井内。 封底可分湿封底（即水下灌筑混凝土）和干封封底两种。 封底完毕，俟混凝土结硬后在上方浇筑钢筋混凝土底板。 当沉井作为地
6、下结构物时多采用钢筋混凝土顶板。,二、沉井的构造,back,底梁和框架 在比较大型的沉井中，由于使用要求，不能设置内隔墙，则可在沉井底部增设底梁，并构成框架以增加沉井在施工下沉阶段和使用阶段的整体刚度。 在松软地层中沉井，底梁的设置还可以防止沉井“突沉”和“超沉”，便于纠偏和分格封底，以争取采用干封底。 纵横底梁不宜过多，以免增加结构造价，施工费时，甚至增大阻力，影响下沉。 沉井高度较大，常于井壁不同高度设置若干道由纵横大梁组成的水平框架，减少井壁（于顶、底板之间）的跨度，使整个沉井结构布置合理、经济。,二、沉井的构造,back,隧道连续沉井 在松软的土层中浅埋地铁或水底隧道的岸边段，除可用大
7、开挖、地连墙外，还可用隧道连续沉井,三、沉井图例,隧道连续沉井,三、沉井图例,up,平战结合用的人防工事沉井,三、沉井图例,up,沉井结构设计计算主要环节 （一）下沉系数的计算 （二）抗浮系数的计算 （三）刃脚计算 （四）施工阶段的强度计算 （五）沉井底横梁竖向挠度计算 （六）封底混凝土厚度 （七）沉井底板计算,第二节 沉井结构设计计算,沉井结构设计计算主要环节,（一）沉井建筑平面布置的确定； （二）沉井主要尺寸的确定和下沉系数的验算。 1.参考已建类似的沉井结构，初定沉井的几个主要尺寸 2.下沉系数的验算；3.估算沉井的抗浮系数，以控制底板的厚度等。 （三）施工阶段强度计算 1井壁内力计算；
8、2刃脚的挠曲计算； 3底横梁、顶横梁的内力计算；4其它，沉井抽承垫木。 （四）使用阶段的强度计算（包括承受动载） 1按封闭框架或圆池结构来计算井壁并配筋； 2顶板及底板的内力计算及配筋。 3. 地基强度和变形验算。,back,下沉系数,GG-B RT底梁下是否掏空 土的承载力,一、沉井下沉系数的确定,在深度05m范围内单位面积摩擦力按三角形分布，5m以下为常数,取入土全深范围内为常数的假定,摩擦力不仅与土的种类有关，还与土的埋藏深度有关,井壁摩擦力的假定（P96图5-7）,井壁自重计算数据表,井壁平均极限摩擦力为1.5/ 刃脚极限正面阻力 10/,例 求下沉系数,总的土对井壁侧面摩擦力,刃脚底
9、面接触面积,刃脚土极限阻力,例题：沉井下沉系数的确定,下沉中的问题与对策,偏斜：井筒倾斜、井底中心偏移设计中心 原因：受力不对称、土层不均匀 处理：除土、压重、施加纠偏力矩、单侧压气 难沉 原因：正面阻力大，侧面阻力大 处理：增压，减阻。增自重、抽水、利用泥浆套、气幕、井壁设计成阶梯形、钟形、锥形等、增大开挖深度 突沉 原因：阻力过小 控制除土深度、增加刃脚踏面宽度、增设底梁。,back,抗浮系数,抗浮系数的大小由底板厚度来调整 沉井上浮时土的极限摩擦力很大，而一般设计估用的数值往往偏小，因此在验算上浮稳定时以计入井壁摩擦力较为合理； 在粘性土中，因它的渗透系数很小，地下水补结非常缓慢，沉井的
10、浮升也必然极为缓慢，在发生明显浮升之前，内部结构、设备、顶盖等重量已经作用上去，故不再存在浮升问题。,二、沉井施工期间的抗浮稳定验算,例 验算大型圆形沉井的“抗浮系数”。,沉井施工期间的抗浮稳定验算,已知沉井直径D=68m，底板浇毕后的沉井自重为65010t，井壁土壤间摩擦力f0=2t/m2，5m内按三角形分布，沉井入土深度为h0=25m，封底时的地下水静水头H=24m。,井壁侧面摩擦力,浮力,施工阶段（底板浇毕后）之抗浮稳定验算,需采取措施!,back,例 验算大型圆形沉井的“抗浮系数”。,下沉的初始阶段 刃脚向外挠曲的计算，配置内侧竖直钢筋 下沉到位后 刃脚向内挠曲，配置外侧竖直钢筋,up
11、,三、刃脚计算,沿井壁周边取1.0m宽的截条作为计算单元 计算井壁自重 不排水挖土时应扣除浸入水中部分的浮力； 计算刃脚自重,计算刃脚上的水、土压力主动土压力可按朗金理论计算,计算刃脚上的土对井壁的摩擦力,刃脚向外挠曲的计算,计算刃脚下土的反力， 即踏面上土反力和斜面上土反力 V1+V2=G+g V1=a V2=b/2 U=V2tan（-） 确定刃脚内侧竖直钢筋 轴向力N、剪力Q、力矩M。 根据内力计算刃脚内侧的竖直钢筋,刃脚向外挠曲的计算,最不利的阶段,设某矩形沉井封底前井自重2778.6t，井壁周长为2（2032m）=104m。井高8.15m，一次下沉，试求沉井刚开始下沉时刃脚向外挠曲所需
12、的竖直钢筋的数量 踏面宽a=35，b=45，刃脚高80。,例题：刃脚向外挠曲的计算,求单位周长上沉井自重,斜面下土的竖直反力,作用在斜面上的水平反力,例题求解：刃脚向外挠曲的计算,对截面m-n中点0的弯矩M为,由于弯矩甚小，仅需按构造配筋即可，选用,back,例题求解：刃脚向外挠曲的计算,刃脚向内挠曲计算，起决定性作用是刃脚外侧水土压力W及E。 水压力可按下列情况计算 （1）不排水下沉，井壁外侧水压力值按100%计算，内侧水压力值一般按50%计算，但也可按施工中可能出现的水头差计算； （2）排水下沉，在不透水的土中，可按静水压力的70%计算；在透水土中，可按静水压力的100%计算。 水土压力求
13、出后即可求得根部截面m-n处的弯矩M和剪力Q、轴力N。,2.刃脚向内挠曲计算,back,1 在竖直平面内的受弯计算沉井抽承垫木计算 （1）沉井支承在两点“定位垫木”上时 （2）沉井支承在三支点上时 （3）圆形沉井：一般按支承于相互垂直的直径方向的四个支点 2 井壁垂直受拉计算 （1）井壁为等厚度 （2）井壁为变厚度 3 在水土压力作用下的井壁计算井壁水平钢筋计算 （1）有横隔墙沉井，按水平框架分析 （2）对于不能设横隔墙的地下建筑沉井 （3）对于圆形沉井井壁内力计算（自学）,back,四、施工阶段井壁计算,定位垫木放置的原则是： 井壁在自重的作用下，产生的内力最小 由于井壁的高度和长度比较，相
14、差不多，故按梁理论计算，近似处理,（1）沉井支承在两点“定位垫木”上时,back,井壁垂直受拉计算,吊空沉井下沉将要达到设计标高时，上部井壁被土夹住，而刃脚下的土被全部掏空。土壤与井壁的摩擦力夹住井壁 按此“吊空”现象来验算井壁的抗裂性或受拉强度。,back,沉井偏斜之后，必须及时纠偏，此时产生了纵向弯曲并使井壁受到垂直方向拉力。,在水土压力作用下的井壁计算井壁水平钢筋计算,作用在井壁上的水土压力，沿沉井的深度是变化的，因此井壁计算也应沿井的高度方向分段计算。 水土压力的计算 水土合算：粘土 水土分算：砂土 水土压力求得后，分段进行井壁计算,back,（2）沉井支承在三支点上时,中间回填的沙子
15、起到支撑作用。,back,计算内力可以直接查表。,（3）圆形沉井 一般按支承于相互垂直的直径方向的四个支点,back,井壁垂直受拉计算井壁竖直钢筋验算 井壁为等厚度,X处井壁的拉力：,考虑井壁处于极限平衡状态， 设摩擦力假设为倒三角形变化,最大井壁的拉力 上海地基规范和公路桥涵设计规范均采用此数值。 国外略有不同！,求最大拉力点的位置,井壁垂直受拉计算井壁竖直钢筋验算 井壁为等厚度,back,X处井壁的拉力,井壁垂直受拉计算井壁竖直钢筋验算 井壁为变厚度,2 井壁垂直受拉计算井壁竖直钢筋验算 井壁为变厚度,验算建议值,沉井竖向拉力计算及其最小配筋率,back,井壁的受力情况可按水平框架分析。 底端井壁 q=E+W+Q 其余井壁分段计算 q=E+W,3 井壁水平钢筋计算 井内设有几道横隔墙的沉井结构,井内设有几道横隔墙的沉井结构,横隔墙计算： 节点按铰接或者固端计算 隔墙抗弯刚度井壁刚度：铰接撑杆 隔墙抗弯刚度井壁刚度：固结的空腹框架,back,侧向井壁在施工下沉过程中仅靠上下纵横梁来支持，因此只能用近似方法，根据沉井结构的形成及长、宽、高的相对尺寸大小，将井壁简化为“框架+平板”的形式计算,
