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1、第四节 沉井基础的设计与计算,一、沉井基础的尺寸拟定 1、根据墩台身尺寸拟定 沉井结构的襟边要求不小于沉井全高的1/50，且不小于200mm，浮式沉井另加200mm。2、根据地基土容许承载力确定 按地基容许承载力推算出的基底平面尺寸，一般要比墩台身底截面尺寸大的多，要求墩台身边缘尽可能支承在井壁上或顶盖板的支承面上，一般空心沉井不允许墩台身边缘全部坐落在取土井孔内。,3、沉井高度确定 沉井高度为基顶标高与基底标高之差。沉井井顶标高与扩大基础顶面标高确定要求相同；基底标高按持力层确定。4、沉井各结构细部尺寸拟定 沉井各结构部分的细部尺寸，按前面构造要求初拟尺寸，经验算调整确定。,二、沉井作为刚性
2、深基础的整体验算 1、当h5.0m，按刚性扩大基础验算。2、当ah2.5；h5.0m，作为刚性深基础的整体验算。基本假设主要是：(1)认为基础的刚度无穷大，本身不产生挠曲变形，只产生转动；(2)在考虑土的横向抗力固着作用计算地基压力时，一般不考虑作用在基础侧面的摩阻力；(3)对土弹性抗力的假设按第五章“m”法考虑。,（一）非岩石类地基上刚性深基础的计算 1、基本原理,2、水平力H作用高度的计算 H为原地面线或局部冲刷线以上的水平力合力，。Mi为地面线或局部冲刷线以上所有水平力、弯矩、偏心竖向力对基础底面重心的总弯矩。当仅有竖向力作用时，。,3、水平力H作用下地基应力计算 地面下任意深度Z处基础
3、产生的水平位移XZ 土的水平土抗力ZX 基础底面竖向土抗力（压应力）D/2,求解未知数Z0和tanw，建立两个平衡方程，即,整理后可解得,式中 深度h处基础侧面土的地基系数与基础底面地基系数比，计算式为,最后求得土的水平土抗力ZX和基础底面竖向土抗力（压应力）D/2,4、应力验算 基底应力验算,基础侧面水平压应力验算,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Pb，故其极限抗力，以土压力表达为,1取决于上部结构形式的系数，对于静定结构1=1，超静定结构1=0.7；2考
4、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,根据测试得知出现最大水平压应力的位置大致在Z=h/3和Z=h处，代入整理得,基础截面弯矩计算 地面或局部冲刷线以下深度Z处基础截面上的弯矩MZ为,5、墩台顶水平位移验算,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；(2)地面到墩台顶范围h0内的水平位移h0 tg；(3)在h0范围内墩台本身弹性挠曲变形引起的墩台顶水平位移0。,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
5、，可令tg=。考虑基础和墩身实际并非刚度无穷大，考虑实际刚度影响，用系数K1、K2表示得,=(z0+h0)tg+0,因此，墩台顶面会产生水平位移为：,（二）基底嵌入基岩中的刚性深基础的计算,1、计算要点 因基底嵌入基岩内，基底不产生水平位移，基础转动中心与基底中心重合，即,Z0=h,2、水平力H作用下地基应力计算XZ=（h-Z）tanzx=mZ（h-Z）tan,建立平衡方程求解未知数，对A点取矩：MA=0解上式得,最后解得,3、应力验算 基底应力验算,基础侧面水平压应力验算 出现最大水平压应力位置在h/2处,基础截面弯矩计算 嵌固处水平阻力P计算 由X=0求得基底嵌固处水平阻力P为,深,三、沉
6、井施工过程结构验算（一）沉井下沉的自重验算,（二）第一节（底节）沉井竖向挠曲的抗裂验算 验算时应采用的第一节沉井的支承点位置与沉井的施工方法有关，分别叙述如下：,式中：K下沉系数，可取1.151.25；G沉井自重，如为不排水下沉，应扣除水的浮力；R沉井底端地基总反力Rr与沉井侧面总摩阻力Rf之和。,1、排水下沉 由于排水下沉挖土可人为控制，沉井最后支承点始终可控制在最有利位置上，同抽垫木时一样，支承点在长边0.7L处。圆形沉井支承在相互垂直直径的4个支点上。2、不排水下沉 由于水下挖土无法控制，可按最不利情况确定支承点，即为支承在短边角点处（产生最大正弯矩）；支承在长边中点处（产生最大负弯矩）
7、（图6.23（b）。圆形沉井支承在直径上两个支点上，按圆形梁计算弯矩验算其抗裂性。,（三）沉井刃脚的竖向和水平向强度验算 1、刃脚计算中的水平力分配 刃脚悬臂作用的分配系数为 刃脚框架作用的分配系数为,适用范围：内隔墙底面高出刃脚底面不超过0.5m，或大于0.5m而有垂直埂肋的情况，否则，全部水平力应由悬臂,作用承担，即a1.0。但应按构造要求布置水平钢筋，使能承受一定的正、负弯矩。2、刃脚竖向内力计算（1）刃脚向外挠曲计算 此种情况刃脚下沉的最不利状态为内斜面：沉井下沉途中，刃脚内侧切入土中约1.0m，在地面（或岛面）已接高一节沉井，此时，刃脚因受井孔内土体的侧向土压力而在根部产生向外弯曲的
8、最大弯矩。刃脚所受各力：刃脚外侧的主动土压力及水压力、土对刃脚外侧摩阻力、刃脚下土的反力及刃脚自重等（图6.24）。,土压力按朗金主动土压力公式计算,水压力的计算式为,公桥基规规定:作用于井壁外侧的计算土压力和水压力的总和不大于静水压力的70%。,刃脚下土的反力，取单宽井壁计算（图6.24（a），竖向反力R为,T0-作用于单宽井壁上的总摩阻力，由以下二式计算，取其小值，即,刃脚底反力在斜面上的水平分力H,H的作用点距刃脚底面1/3处。,作用在刃脚外侧单位宽度上的摩阻力T1,也按下面二式计算，但取其大者。,单位宽度刃脚自重g为,根据以上各力对刃脚根部中点求出弯矩M、剪力Q、及轴向力N，然后进行强
9、度验算和配筋设计。一般刃脚钢筋配筋率不宜小于0.1，悬臂部分的竖直钢筋应伸入悬臂根部以上0.5L1的高度，并在悬臂全高按剪力和构造设置箍筋。,（2）刃脚向内挠曲计算 此种情况刃脚下沉的最不利状态为：沉井已沉至接近设计标高，刃脚踏面下土已挖空，尚为浇注封底混凝土，此时刃脚外侧作用最大的土压力和水压力，产生向内弯曲的最大弯矩。刃脚所受各力：刃脚外侧的主动土压力和水压力、土对刃脚外侧摩阻力、刃脚自重等（图6.25）。,计算的外侧土压力和水压力应按规定考虑悬臂分配系数a。水压力按下列情况计算：不排水下沉时，井壁外侧水压力值按100计算，内侧水压力值按50%计算，也可按施工中可能出现的水头差计算；排水下
10、沉时，在不透水的土中，可按静水压力的70%计算，在透水性土中，可按静水压力的100计算。作用在刃脚外侧单位宽度上的摩阻力，仍按和计算，但应取其小者。最后强度验算和配筋计算与向外挠曲相同。,3、刃脚的水平内力计算 刃脚在水平面内产生最大内力的沉井下沉最不利状况为：沉井已沉至设计标高，刃脚踏面下的土已挖空，尚来浇注封底混凝土。这时刃脚是作为一个封闭的水平框架计算，受有最大的均布水平力（图6.26）。当刃脚作为单宽悬臂梁计算已考虑水平力悬臂折减系数a时，作用与水平框架上的水平力应乘以折减系数。,（四）井壁计算,1、井壁竖向拉力验算（1）根据地质条件可明确判断软硬土层位置时 此时，土层土较坚硬，摩阻力
11、也大，沉井最大拉力Smax发生在硬土层与软土层的界面处（图6.27），即,（2）当沉井周围土质较均匀时,取单宽井壁计算，单宽井壁自重为q，由井底算起x处截面拉力为,由于沉井呈悬吊状态，摩阻力大于沉井自重，即,按 代入得,求最大拉力，可令，得,求得,得,根据计得的Smax就可以计算井壁是否需设竖向受拉钢筋。对不排水下沉，由于浮力作用使井壁受到的竖向拉力很小，可不进行此项验算。,2、井壁水平内力计算 计算的最不利下沉状况是：沉井已沉至设计标高，刃脚下土已挖空尚未封底时。井壁上的土压力和水压力计算时，不考虑折减系数（图629）。井壁水平受力计算，其水平框架首先选取刃脚根部以上，高度取刃脚根部厚度的框
12、架，它受有井壁外侧作用的最大土压力和水压力，同时在该框架的均布荷载中，还要考虑刃脚作为悬臂作用（向内挠曲），通过刃脚固端传来的水平剪力。,当分节浇注且各节井壁厚度不同时，在各变断面处，取高1.0m的框架计算，控制该厚度井壁受力。采用泥浆润滑套下沉的沉井，泥浆压力要大于土压力和水压力，所以井壁压力应按泥浆压力（即泥浆容重乘以泥浆高度）计算。采用空气幕下沉的沉井，井壁压力与普通沉井的计算相同。,（五）内隔墙的验算 主要验算底节沉井内隔墙。当t2小于t1很多，两者的抗弯刚度（）相差很大时，可将隔墙视为两端铰支于井壁上的梁来计算。当两者抗弯刚度相差不大时，隔墙与井壁可视为固结梁来计算（图6.30）。,
13、底节沉井隔墙最不利状态是隔墙下的土已挖空，其作用的荷载除底节隔墙自重外，尚应考虑灌注第二节沉井时内隔墙混凝土的重力作用。排水下沉的沉井一般隔墙挖有过人孔，减弱了隔墙截面抗弯能力，此时隔墙还可能受有由于刃脚悬臂作用（向外挠曲）而传来的附加弯矩，致使隔墙下缘产生很大的拉力而极易产生裂缝拉环。,（六）混凝土封底层及顶盖板的计算 1、混凝土封底层验算 封底混凝土的厚度，主要由板的中心弯矩控制。一般按支承于凹槽或隔墙底面和刃脚斜面上的周边支承双向板计算，荷载按均布考虑。周边支承的双向板承受均布荷载最大弯矩计算，可参考表6.4计算。最后计算弯矩按下式计算，即,周边支承的圆板在均布荷载作用下，板中心点弯矩为
14、,除按上面板中心点弯矩确定板厚外，尚应考虑在井孔范围内封底混凝土沿刃脚斜面高度截面上的剪力验算（图6.31）。如不满足要求，应增加封底混凝土厚度以加大抗剪面积。,2、沉井顶盖板计算 计算分两种情况：（1）当墩身底面积有相当大的部分支承在井壁上时，顶盖板按只承受浇注墩身混凝土的均布荷载来计算板的内力；同时，还应验算墩身承受全部最不利作用的作用下支承墩身的井壁和隔墙的抗压强度。（2）当墩身底面全部位于井孔之内时，除按前面第一种情况的规定计算外，还应按最不利作用组合验算墩身边缘处（图6.32（b）中aa截面）的抗剪强度。,四、浮运沉井浮运时的稳定性验算,（一）正浮状态稳定性验算 正浮状态就是要求浮体
15、处于一个正常稳定的浮运状态，其表现在稳定方面的必要条件是-y0,（1）y的计算 从底板算起的吃水深度为,以y1来表示浮心位置距隔墙底的距离，则浮心位置距刃脚底为h3y1，应用各排水体积重心对刃脚底的体积矩（各排水体积与体积重心至刃脚底距离的乘积）来求得浮心位置。有,M1分别为各排水体积（沉井底板以上部分排水体积V0、刃脚体积V1、底板下隔墙体积V2）对其中心到刃脚底距离的乘积（体积矩），计算如下,重心的位置引用上面同样的方法求得。重心位置距刃脚踏面为Y2,则有,（2）的计算定倾半径为定倾中心到浮心的距离，可由下式计算,（二）倾斜角度验算（三）井壁出水高度验算,水下有一直径为7m的圆形沉井基础，基底上作用竖直荷载为18503KN(已扣除浮力3848KN),水平力为503KN，弯矩为7360KNm（均为考虑附加组合荷载）。1=2=1.0。沉井埋深10m，土质为中等密实的砂砾层，容重为21kN/m3，内摩擦角350,内聚力C=0，请验算该沉井基础的地基承载力及横向土抗力。,
