lecture4沉井基础.ppt
地 下 工 程 设 计 原 理,第4讲 沉井基础,主讲教师：胡敏云,主要内容,什么是沉井沉井施工工艺沉井的构造沉井结构的设计计算,一、什么是沉井(Sunk Shaft Foundation，Sunk well Foundation),沉井基础是以沉井法施工的地下结构物和深基础的一种型式。特点：将位于地下一定深度的建筑物或建筑物基础，先在地表制作成一个井筒状的结构物(沉井)，然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构。适用于：建筑物和构筑物的深基础、地下室、蓄水池、设备深基础、桥墩等工程。,沉井制作,沉井安装和下沉,沉井施工,沉井的分类,沉井平面尺寸及其形状与高度，应根据墩台的底面尺寸、地基承载力及施工要求确定。力求结构简单对称，受力合理，施工方便。,（a）圆形单孔,（b）方形单孔,（c）矩形单孔,（d）矩形双孔,（e）椭圆形双孔,（f）矩形多孔,沉井平面图,沉井剖面图,（a）圆柱形（b）外壁单阶形（c）内壁多阶形（d）外壁多阶形,主要内容,什么是沉井沉井施工工艺沉井的构造沉井结构的设计计算,沉井施工工艺,场地平整，铺垫木、制作底节沉井拆模，刃脚下一边填塞砂、一边对称抽拔出垫木均匀开挖下沉沉井，底节沉井下沉完毕建筑第二节沉井，继续开挖下沉并接筑下一节井壁下沉至设计标高，清基沉井封底处理施工井内设计和封顶等,不淹水沉井,不淹水沉井，是指在沉井施工时，井筒内不充水，与普通法一样的挖土和出土，只是井壁结构和减阻方法的不同，如普通沉井、多级沉井、振动沉井、壁后河卵石沉井、壁后触变泥浆沉井、冻结沉井等。大多采用人工挖掘，吊桶提升，自重（或加载）下沉。除普通沉井与多级沉井外，其它形式的沉井壁后均置放减阻介质。不淹水沉井工艺较简单，易于操作，需用设备少，工期较短，成本低。通常井筒涌水量在30m3/h左右、无承压水，流砂层厚度小于1.0m又无细粉砂层，而且下沉较浅的沉井，可以因地制宜地采用不淹水沉井法施工。,（a）多级沉井（b）振动沉井（c）卵石沉井 不淹水沉井的部分类型,淹水沉井,淹水沉井比较通用的是壁后泥浆和壁后压气沉井。壁后压气沉井也叫气囊沉井，效果良好，但工艺技术复杂，压气消耗量很大，成本较高，故基本不用。壁后充填泥浆法简单、方便，最为常用。壁后充填泥浆法基本原理：在沉井井筒内灌满水，保持井内外的水压平衡，防止从刃脚处涌砂冒泥及地表塌陷；以预先做好的套井为支撑圈来防止和纠正沉井过程中的偏斜；在井筒外壁的环形空间内灌注触变泥浆，以隔离井壁与土层，减少沉井侧面阻力；靠井壁自重，使刃脚插入土中，经水下破土、排矸克服正面阻力使井壁下沉；边下沉，边纠偏，边在井口接长井壁，直至井筒全部穿过冲积层，使沉井刃脚坐落于基岩上；在封底、固井之后，转入基岩段普通方法施工。,抓斗掘进。靠抓斗自重向下的冲击力来破坏土层结构，靠抓斗的提升闭合抓取泥土并将土提出井外。抓斗既是掘进设备又是出土设备。抓斗掘进工艺简单，耗电小，在30m左右的浅井中可作为主要的掘提设备。钻机掘进。常用的钻机有冲击钻和旋转钻。冲击钻是靠钻头自重往复冲击破坏岩土而完成掘进工作。钻头的大小可为局部冲击或全断面冲击，冲击后用水枪冲刷工作面，与压气结合排矸。旋转钻机是靠钻头上的刀齿作圆周运动将土层挤切成泥沙或碎块，用压气排液器将其排出井外。旋转钻机连续破土，效率高，适用于各种地层，是淹水沉井中使用较好、较广的破土机具。水枪破土。水枪掘进是目前我国沉井掘进的主要方式。它是利用高压水射流冲刷切割工作面的土层，将其搅动成泥浆后，由压气排液器排出地面而完成掘进工作。这种掘进方式设备少，工艺简单、易于制作、操作和维护方便。水枪掘进系统包括高压水泵、供水管路、和水枪三部分。水枪喷嘴、直管、弯管和稳流器组成。,淹水沉井掘进出矸方法,泥浆淹水沉井示意图,旋转式钻机掘进,沉井法是适用于不稳定含水地层中建造竖井的一种特殊施工方法。其实质是：在设计的井筒位置上，地面预制好底部带有刃脚的一段井筒，并在其掩护下，然后在井内不断挖土，借助筒体自重而逐步下沉，随着井筒的下沉，在地面相应接长井壁，下沉到预定设计标高后，进行封底。沉井法具有工艺简单，需用设备少，易于操作，成本较低和劳动条件好等优点，因而在地下工业厂房、大型设备基础、地下仓(油)库、人防掩蔽所、盾构拼装井、船坞坞首、桥梁墩台基础、取水构筑物、污水泵站、矿用竖井、地下车道与车站、地下建(构)筑物的围壁、大型深埋基础等等广泛应用。,讨 论,思考：沉井的关键技术是什么？施工中要解决的关键问题有哪些?,（1）防偏措施：设置导向装置：在套井与沉井之间的环形空间内要安设沉井的导向装置。均匀掘进：根据不同的表土性质和工作面的高低状况，采用不同的掘进深度与顺序。防止突沉：（2）纠偏措施：是借助于作用在沉井井筒偏低一侧的外力来扶正井筒的工作。“动中纠偏”顶柱法：用木材或钢管柱子以一定角度顶住沉井偏低一侧，在下沉过程中给井筒施加一水平推力。液压千斤顶法：利用液压千斤顶推动活塞顶住沉井偏低一侧进行纠偏。偏挖掘法：利用改装后的特殊掘进设备挖除保留在沉井底部高侧的偏土台，有利于纠正沉井的偏斜。不同方位喷气：利用预留在井壁内的环形管，在下沉慢的一侧喷气，另一侧不喷气，造成沉井井筒高低两侧阻力不对称，有助于沉井偏斜纠正。,井壁防偏与纠偏,木导向装置,滚轮导向装置,木顶柱,钢管顶柱,沉井下沉工艺,吸泥不排水沉井法 适用于穿过较厚的亚砂土和粉砂土地层，且含水量大(30%40%)，或附近水源补给丰富，沉井下面的土层不稳定，容易出现流砂或涌土的土层地段。排水下沉沉井法 适用于场地面积较大，土质好，地下水位较低的情况。泥浆润滑套沉井法空气幕助沉法新工艺方法,主要内容,什么是沉井沉井施工工艺沉井的构造沉井结构的设计计算,沉井主要由刃角、井壁、内隔墙、取土井、凹槽、封底、顶板等部分组成。,沉井结构,刃角位于沉井井筒的最下端，可为沉井井筒定向。刃角用锋利的刀尖切入土层，破坏原状土的结构，有利于克服沉井的正面阻力。一般情况下，刃角外壁的直径略大于井筒直径，下沉后在井筒外形成一个环形空间，便于放置减少侧面摩阻力的介质，以达到加大沉井下沉深度的目的。沉井刃脚的结构具有足够的强度，准确的尺寸和光滑的表面，以保证沉井在整个下沉过程中不致遭到破坏或者阻力增加。,刃角：,刃角的形状：,（a）刃脚基本形状,（b）锐角式,（c）踏面式,（d）钝角式,图中为台阶的宽度，一般为200300mm，为刃脚的角度，一般为2535，H为刃脚的高度，一般为3.0m左右，过高则阻力增大，过低则易流失泥浆，而且也不够稳定。刃脚尖形式常用的有锐尖、踏面和钝尖三种。锐尖其夹角一般小于25，刃尖锋利易切入土层，下沉阻力较小，但其强度有限，不适用于砾卵石等地层，通常采用的较少；踏面刀脚稳定性好，但是下沉时阻力较大，适用于松散且无坚硬障碍物的冲积层；钝尖刀脚结构较合理，强度较大，适用于各种冲积地层，其夹角通常为30。,刃角的构造：,国内沉井常用的刃脚主要有钢结构刃脚和钢靴刃脚。钢靴刃脚是在刃脚钢筋骨架下部，焊接上由钢板与钢轨组装而成的钢靴刃尖，然后浇灌混凝土而成。这种刃脚有一定强度，可节省钢材。缺点是浇灌混凝土时立模较困难，且容易变位，影响刃脚的规格质量。钢结构刃脚的骨架用两排角钢或者轻型钢轨焊接组成，骨架内外均用1012mm厚的钢板围包焊牢，浇灌混凝土后即成。钢结构刃脚强度大，整体性能好，组装安放不易变形，便于浇灌混凝土不需要安设模板，施工规格与质量能够得到保证，缺点是耗费钢材较多。,钢结构刃脚,圆钢尖钢靴刃脚,钢轨尖钢靴刃脚,沉井井壁是设计井筒的永久井壁，其结构型式应该根据具体工程的需要来确定。沉井井壁按材料一般有现浇钢筋混凝土井壁、预制钢筋混凝土井壁、大型砌块、钢和铸铁井壁等结构。后两种井壁规格质量好，强度大，便于施工，但消耗钢材多，价格昂贵。我国目前多使用整体现浇钢筋混凝土井壁，井壁内布置双层钢筋。沉井井壁与一般井壁不同，其受力状况较复杂。沉井井壁厚度应该根据下沉能力和强度核算综合来定。,井壁：,钢筋混凝土沉井井壁图1-钢靴；2-刃脚；3-竖向钢筋；4-环向钢筋；5-径向联系筋；6-触变泥浆竖向输浆管；7、9-第2、1层出浆管；8、10-第2、1层环向配液管；11-刃脚台阶；12-预埋吊挂钢筋,（1）水下浇注封底止水垫：目的是为了防止在排除井内淹水时发生涌砂冒泥事故，同时也为工作面预注浆、继续下掘井筒创造有利的条件。抛石注浆法：垂直导管法：（2）联结套井与沉井上部井壁：（3）井筒壁后注浆：为了加强土层和井壁的固结，隔离含水层的水力联系，需要充填井壁与井帮之间的间隙。（4）砌筑沉井刃角基座：就是按照井筒直径补平、加固刃角，使沉井与下部井壁联结成为整体井筒结构，以增强井筒稳固性。刃脚基座有单锥和双锥两种形式。,封底与固井,沉井井筒下沉至设计深度后，虽停止了掘进和下沉的工作，但就整个沉井施工来说并未结束，还需要进行封底与固井工作。,抛石注浆法,垂直导管法,沉井结构,在沉井施工之前，为了定位、组装沉井的刃脚与一段井壁，预先要在沉井位置的四周，做好一个有一定深度、直径略大于沉井的井筒，通常称之为套井。套井的作用在于防止沉井在下沉过程中井壁外围土层的坍塌，为井架与井口建筑物保持一个完整的地基基础，利用套井作为安设沉井导向设施、纠正偏斜或者加压下沉没施的基础。套井与沉井间的环形空间，可以作为触变泥浆的储浆槽，或者壁后压气的出气口。为此，要求套井要有一定的深度和强度以及较大的稳定性。套井较浅，其结构强度一般较沉井井壁小，因此，在安装导向装置与纠偏机具的套井部位，应适当加强，一般均布置双层钢筋或适当加大壁厚，以便为井壁下沉创造一个可靠的防偏与纠偏基础。,沉井的结构除了刃角、井壁结构等，有时还包括套井。,套井：,主要内容,什么是沉井沉井施工工艺沉井的构造沉井结构的设计计算（沉井在施工过程中的有关计算）下沉系数计算沉井底节验算沉井井壁计算沉井刃角计算沉井封底计算沉井抗浮稳定验算沉井下沉对周围环境的影响,下沉系数计算,稳定系数保证沉井首次接高期间的稳定性,G：沉井自重；G：施工荷载，按沉井表面0.2t/m2进行计算；Nw：水的浮力；R1：接高期间，沉井刃脚踏面及斜面下土的支承力；R2：接高期间，沉井隔墙下土的支承力。,沉井底节验算,按施工中的情况确定受力计算简图，采用钢筋混凝土结构设计方法验算截面和配筋。,沉井井壁计算,竖直方向水平方向,沉井刃角计算,竖向挠曲（悬臂构件）水平向挠曲（水平框架）,沉井封底计算,干封底,水下封底,沉井下沉对周围环境的影响,增大沉井的下沉系数，在软土中下沉沉井时，可使沉井刃脚插入土中0.53.0 m，以阻止土体从井外向井内涌人。在粉细砂土层中下沉沉井时，应事先在周围采用压浆固结。如邻近没有一、二级建筑物时，可先采用喷射井点或深井降水使粉细砂土固结后，再下沉沉井避免产生因管涌和流砂导致地面下沉。在井外流砂层未固结的情况下，应避免采用从井内明排水施工。如沉井外流砂层固结困难时，也可采用不排水下沉沉井。必要时，还可提高井内的水头，使井外的流砂无法涌入井内。不排水下沉沉井最好由潜水员配合，使其开挖、下沉均匀。沉井周围塌陷较严重时，应及时进行回填，以防因沉井四周土压力不均匀，引起沉井发生过大倾斜等。在沉井等地下工程施工前应做好充分准备，施工速度要快，沉井沉至设计标高后应尽快浇筑底板，以防土体暴露面因地基较差而产生蠕动和失稳，使土体破坏范围扩大等。沉井下沉影响范围内的重要建筑物应采取桩基或地下连续墙等加固措施，即使沉井四周的土体破坏向建筑物方向延伸也可确保建筑物的安全。,主要内容小结,什么是沉井沉井的类型和用途沉井施工工艺注意减阻、下沉和控制方向的方法沉井的构造注意各项构造的功能和特点沉井结构的设计计算注意施工、使用中最不利工况的分析和相应计算简图,The End,
