地下建筑结构—沉井式结构

地下建筑结构—沉井式结构

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、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 按纵截面形状分 柱形沉井 阶梯形沉井 锥形沉井 按制做材料分 素混凝土沉井 钢筋混凝土沉井 钢沉井 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 up 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 10～30㎝ 刃脚内侧的倾角一般为 刃脚的高度当沉井湿封底时，取1.5 m 左右，干封底时，取0.6 m 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0.5 m 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0.8×1.2 m～1.1～1.2m 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；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 G~G-B R T 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0～5 m 范围内单位面积摩擦力按三角形分布，5 m 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/㎡ 序 号 构 件 数 量 高 （ m） 宽 （米） 长 （米） 材料比重 重量 1 2   3 井壁 中间底横梁 两端底横梁 中间顶横梁 两端顶横梁 2 3 2 3 2 7.6 1.2 1.2 0.6 0.6 0.8 0.7 0.8 0.7 0.8 28.0 12.2 12.2 12.2 12.2 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 851.0 77.0 58.7 38.7 29.3 沉井自重 例 求下沉系数 总的土对井壁侧面摩擦力 刃脚底面接触面积 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 ①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； ②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65010 t， 井壁土壤间摩擦力 f 0 =2t/m 2 ，5m 内按三角形分布，沉井入土深度为 h 0 =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 三、刃脚计算 沿井壁周边取1.0 m 宽的截条作为计算单元 ①计算井壁自重 不排水挖土时应扣除浸入水中部分的浮力； ② 计算刃脚自重 ③计算刃脚上的水、土压力 —— 主动土压力可按朗金理论计算 ④计算刃脚上的土对井壁的摩擦力 刃脚向外挠曲的计算 ⑤计算刃脚下土的反力， 即踏面上土反力和斜面上土反力 V 1 +V 2 =G+g V 1 =aσ V 2 =bσ/2 U=V 2 tan（α-β） ⑥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2778.6 t， 井壁周长为2（20×32 m）=104m。 井高8.15 m， 一次下沉，试求沉井刚开始下沉时刃脚向外挠曲所需的竖直钢筋的数量 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 ①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 ①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 ②井壁为变厚度 2 井壁垂直受拉计算 —— 井壁竖直钢筋验算 ②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 沉井施 工状态 沉井结构或受其影响建筑物的 安全等级与拉力计算取值 纵向钢筋最小构造配筋率 一级 二级 三级 钢筋混凝土最小配筋率不宜于少 0.1% ；少筋混凝土不宜少于 0.05% 排水下沉 0.50 G 0.30 G 0.25 G 不排水下沉 0.40 G 0.25 G 0.20 G 泥浆套中下沉 0.30 G 0.25 G 0.20 G 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 ①井内设有几道 横隔墙 的沉井结构 ①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 3 井壁水平钢筋计算 ② 不能设横隔墙 的地下建筑沉井 当 层高大于沉井的最长边 l 的1.5倍 ,不考虑纵横梁影响，按 封闭矩形框架 计算 沿沉井高度方向取几个截面分别计算内力和配筋。 当 沉井最短边 l 大于层高 1.5 倍 时 , 按 竖向连续梁 计算 当沉井边长与层高 相差不大 时 ,按 双向板 来计算 3 井壁水平钢筋计算 ② 不能设横隔墙 的地下建筑沉井 （ 横梁 ） 3． 在水土压力作用下的井壁计算 — 井壁水平钢筋计算 ③ 对于不能设横隔墙的地下建筑沉井（连续沉井） 包括 二侧井壁和横梁计算、钢封门计算 三部分。 3 井壁水平钢筋计算 ② 不能设横隔墙 的地下建筑沉井（ 连续沉井， 自学） back 3． 在水土压力作用下的井壁计算 — 井壁水平钢筋计算 ③ 对于不能设横隔墙的地下建筑沉井（连续沉井） 井壁无梁楼盖体系 的计算简化 (四)、施工阶段井壁计算 3． 在水土压力作用下的井壁计算 — 井壁水平钢筋计算 （2） 对于不能设横隔墙的地下建筑沉井（连续沉井） 上下横梁为无梁楼盖体系的柱子，按偏压构件计算 另外还承受上下板带的支座 弯矩、施工荷载等 (四)、施工阶段井壁计算 3． 在水土压力作用下的井壁计算 — 井壁水平钢筋计算 （2） 对于不能设横隔墙的地下建筑沉井（连续沉井） 钢封门计算 简化 垂直简支梁受梯形载荷作用 (四)、施工阶段井壁计算 back back 3. 井壁水平钢筋计算 （3）圆形沉井井壁内力计算 作用在底横梁上的反力 (五）沉井底横梁竖向挠曲计算 例 连续沉井在开始下沉时，对底横梁的拱起作用。 (五）沉井底横梁竖向挠曲计算 序 号 构 件 数 量 高 （ m） 宽 （米） 长 （米） 材料比重 重量 1 2   3 井壁 中间底横梁 两端底横梁 中间顶横梁 两端顶横梁 2 3 2 3 2 7.6 1.2 1.2 0.6 0.6 0.7 0.7 0.8 0.7 0.8 28.0 12.2 12.2 12.2 12.2 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 851.0 77.0 58.7 38.7 29.3 沉井自重 (P109 例 4 ） 求与土壤接触的沉井底面积： (五）沉井底横梁竖向挠曲计算 2块井壁 2根端头底横梁 3根中间底横梁 总接触面积为 据 图 5-21 可求 M、Q back 沉井停在不透水粘土层中，厚度不足以抵抗地下水的 “ 顶破 ” （涌水）作用，采用水下封底的办法 (六）水下封底混凝土厚度计算 干封底的条件？ 水下封底混凝土的厚度，应根据抗浮和强度两个条件确定 （1）按抗浮条件 —— 最不利情况 沉井封底抽水后，在底面最大水浮力的作用下，沉井结构是否会上浮，用抗浮系数来衡量井的稳定性，并进行最小封底混凝土厚度计算 （2）按封底素混凝土的强度条件来决定 承受力浮力产生的弯曲应力， 沿刃脚斜面高度截面上产生的剪应力。 中央锅底挖深可形成 倒拱 。 应加大封底混凝土的 抗剪面积 。 如在井壁和隔墙内设置凹槽等。 (六）水下封底混凝土厚度计算 若出现拉应力，计算方法： 周边简支支承的圆板 周边 简支支承 的单向板或双向板 注意计算跨度； 可参考 附件式结构顶板 计算方法 圆形截面 ①周边简支支承的圆板在承受均匀荷载时，可计算板中心的最大弯矩值： 简支支承双向板计算简图 ②周边 简支支承 的双向板在承受均布荷载时，计算跨中弯矩 M x 和 M y ： ③求出弯矩值后，封底混凝土厚度 — 考虑封底混凝土因与井底泥土掺混需要 增加的厚度 ，宜取 0.3 ～ 0.5m ；若基底采取铺块石或碎石灌浆抹平处理后再封底，可不考虑此增加值。 h t — 封底混凝土的厚度（ m ）。 M m — 在最大均布反力作用下的最大计算变矩（ kN · m ），按支承条件考虑的荷载系数可由结构设计手册查取； — 混凝土弯曲抗拉极限强度； γ si — 荷载安全系数，此处 取 1.1 ； γ m — 材料安全系数，此处 取 2.31 ； b — 计算宽度，此处取 1m 。 back 作用在沉井的底板上荷载 底板的计算图式可根据底板两侧井壁和底横梁上的支承情况而定，按单向板或双向板计算内力并配筋。 back (七）、沉井底板计算 沉井的设计原则 结构 简单对称， 受力 合理， 施工 方便。 沉井的 长短边之比 越小越好，以保证下沉时的稳定性。 一般沉井应 分节制作 ，每节高度不宜大于 5m 。 沉井底节高度 应满足拆除支承时沉井纵向抗弯要求之外，在松软土层中下沉的沉井，底节高度不宜过大 。 最为常用的水域施工技术 南京长江大桥 南京长江大桥位于长江下游，江面宽阔，水深流急，岩床埋在正桥河床 33 ～ 47 米以下， 9 个桥墩基础分别采用 岸边：重型混凝土沉井 江心：钢沉井加管柱 近岸：浮式钢筋混凝土沉井 获 1985 年国家科学技术进步特等奖 最深沉井：地铁 & 矿井 世界最深： 1966 年日本竣工的日铁有明 3 号立井，沉深达 200.3 m 中国最深：山东单家村煤矿立井， 192.75 m 深度，我国煤炭工业使用沉井法已建成 100 多个井筒 中国沉井的世界记录 世界第一水中沉井 ： 08 年 9 月 10 日，泰州长江大桥中塔沉井成功封底。中塔沉井基础长 58 米 × 宽 44 米、总高度为 76 米，为世界上体积最大、入土最深的水中沉井基础。 世界上最大的沉井群 ：向家坝水电站沉井群由 10 个 23 米 ×17 米的矩形沉井组成，顶部高程为 270 米，底部进入岩层，最深入岩 7 米，最深沉井 57 米。 1 ～ 10 号沉井依次沿一期土石围堰成“ L” 型错开布置，相邻沉井间距 2 米。这是国内首次使用目前世界上最大的沉井群。 2007 年 三峡 世界最大沉井 —— 江阴长江公路大桥北锚沉井 两岸锚碇要承担大桥主缆 6 ． 4 万吨 的拉力，为大桥的 控制性 工程 南锚：江南有山，可依山制作重力式嵌岩锚碇结构。 北锚：江北则没有山， 土层为粉细砂土层 亚粘土层（硬土层） 粗砂砾石 北锚沉井工程： 平面长 69 米，宽 51 米，下沉深度为 58 米，体积为 20 ． 4 万立方米，相当于九个半篮球场那么大的 20 层高楼埋进地底下。 世界第一大沉井 —— 江阴长江大桥北锚沉井 江阴长江大桥 本章要点 了解沉井构造； 了解沉井设计的基本内容。