第4章 沉井基础.doc

【第16次课】 教学目的通过本次课教学使学生掌握沉井的概念，沉井的结构构造，沉井的施工方法。 教学重点沉井的概念，沉井的结构构造，沉井的施工方法。 教学难点沉井的施工方法。 板书 讲解 第四章 沉井基础及地下连续墙 第一节 沉井的基本概念、作用及适用条件 概念 沉井是井筒状的结构物图4-1。它是以井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁敦台或其它结构物的基础（图4-2）。 优点 埋置深度可以很大，整体性强、稳定性好，有较大的承载面积，能承受较大的垂直荷载和水平荷载;沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水围堰结构物，施工工艺并不复杂 图4-3。同时，沉井施工时对邻近建筑物影响较小且内部空间可资利用，因而常用作为工业建筑物尤其是软土中地下建筑物的基础，也常用作为矿用竖井、地下油库等。 缺点 施工期较长，对粉细砂类土在井内抽水易发生流砂现象，造成沉井倾斜，沉井下沉过程中遇到的大孤石、树干或井底岩层表面倾斜过大，均会给施工请来一定困难。 适用 1．上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力不足，做扩大基础开挖工作量大，以及支撑困难，但在一定深度下有好的持力层，采用沉井基础与其他深基础相比较，经济上较为合理时; 2． 在山区河流中，虽然土质较好，但冲刷大，或河中有较大卵石不便桩基础施工时; 3． 岩层表面较平坦且覆盖层薄，但河水较深;采用扩大基础施工围堰有困难时。 板书 讲解 第二节 沉井的类型和构造 一、沉井的分类 一按沉井施工方法的分类 1． 一般沉井 指就地制造下沉的沉井，这种沉井是在基础设计的位置上制造，然后挖土靠沉井自重下沉。如基础位置在水中，需先在水中筑岛，再在岛上筑井下沉。 2． 浮运沉井 在深水地区筑岛有困难或不经济，或有碍通航，当河流流速不大时，可采用岸边浇筑浮运就位下沉的方法，这类沉井称为浮运沉井或浮式沉井。 二按沉井的形状的分类 1．按沉井的平面形状 圆形沉井 矩形沉井 圆端形沉井 2．按沉井的立面形状 竖直式 倾斜式 台阶式等图4-5。 三按沉井的建筑材科的分类 1． 混凝土沉井 2． 钢筋混凝士沉井 3． 竹简混凝土沉井 赣江大桥 4． 钢沉井 板书 讲解 二、沉井基础的构造 一沉井的轮廓尺寸 平面形状 ← 墩台底部的形状。 矩形沉井 ← 矩形或圆端形墩（沉井的长边与短边之比不宜大于3） 方形或圆形沉井 ← 墩的长宽比较为接近 沉井顶面尺寸为墩台身底部尺寸加襟边宽度。襟边宽度不宜小于0.2m，也不宜小于沉井全高的1/50，浮运沉井不小于0.4m。 沉井的高度须根据上部结构，水文地质条件及各土层的承载力等定出墩底标高相沉井基础底面的埋置深度后确定。 高的沉井应分节制造和下沉，每节高度不宜大于5m，对底节沉井若是在松软土层中下沉时，还不应大于沉井宽度的0.8倍。若底节沉井高度过高，沉井过重，会给制模、 板书 讲解 筑岛时岛面处理、抽除垫木下沉等带来困难。 二沉井的一般构造 1．井壁 井壁是沉井的主体部分。它在沉井下沉过程中起挡土、挡水及利用本身重量克服土与井壁之间的摩阻力的作用。当沉井施工完毕后，它就成为基础或基础的一部分而将上部荷载传到地基。因此，井壁必须具有足够的强度和一定的厚度。根据井壁在施工中的受力情况，可以在井壁内配置竖向及水平向钢筋，以增加井壁强度。井壁厚度按下沉需要的自重，本身强度以及便于取土和清基等因素而定，一般为0.80一1.20m。钢筋混凝土薄壁沉井可不受此限制。井壁的混凝土标号不低于15号。 2．刃脚 井壁下端形如楔状的部分称为刃脚。其作用是在沉井白重作用下易于切土下沉。刃脚底面踏面宽度一般为0.1一0.2m，对软土可适当放宽。下沉深度大，且土质较硬，刃脚底面应以型钢角钢或槽钢加强图4-7，以防刃脚损坏。刃脚内侧斜面与水平面的夹角应大于45。刃脚高度视井壁厚度、便于抽除垫木而定，一般在1.Om以上。由于刃脚在沉井下沉过程中受力较 板书 讲解 集中，故刃脚宜采用20号以上的钢筋混凝土制成。 3．隔墙 沉井长宽尺寸较大，应在沉井内设置隔墙，以加强沉井的刚度，使井壁的挠曲应力减小，其厚度一般小于井壁。隔墙底面应高出刃脚底面0.5m以上，避免隔墙下的土顶住沉井而妨碍下沉。也可在刃脚与隔墙联结处设置埂肋加强刃脚与隔墙的连结。如为人工挖土，在隔墙下端应设置过人孔，便于工作人员井孔间往来。 4．井孔 井孔是挖土排士的工作场所和通道。井孔尺寸应满足施工要求，宽度直径不宜小于3m。井孔布置应对称于沉井中心轴，便于对称挖土使沉井均匀下沉。 5．凹槽 凹槽设在井孔下端近刃脚处，其作用是便封底混凝土与井壁有较好的接合，封底混凝土底面的反力更好的传给井壁如井孔全部填妥的实心沉井也可不设凹槽。凹槽深度约0.150.25m，高约1.0m。 6．射水管 当沉井下沉深度大，穿过的土质又较好，估计下沉会产生困难时，可在井壁中预埋射水管组。射水管应均匀布置，以利于控制水压和水量来调整下沉方向。一般水压不小于600kPa。如使用泥浆润滑套施工方法时，应有预理的压射泥浆管路。 7．封底和盖板 沉井沉至设计标高进行清基后，便浇筑封底混凝土。混凝土达到设计强度后，可从井孔中抽干水并填满混凝土或其它圬工材料。如井孔中不填料或仅填以砂砾则须在沉井顶面宽钢筋混凝土盖板。封底混凝土底面承受地基土和水的反力，这就要求封底混凝土有一定的厚度可由应力验算决定，其厚度根据经验也可取不小于井孔最小边长的L5倍。封底混凝土顶面应高出刃脚根部不小于0.5m，并浇灌到凹槽上端。封底混凝土标号对岩石地基用15号;一般地基用20号。盖板厚度一般为L52.0m。井孔中充填的混凝土，其标号不应低于10号。 板书 讲解 三浮运沉井的构造 1．不带气筒的浮运沉井 适用 水下太深、流速不大、河床较平、冲刷较小的自然条件。 施工 一般在岸边制造，通过滑道拖拉下水，浮运到墩位，再接高下沉到河床。这种沉井可用钢、木、钢筋混凝土、钢丝网及水泥等材料组合。 钢丝网水泥薄壁沉井 是由内、外壁组成的空心井壁沉井，这是制造浮运沉井较好的方法，具有施工方便、节省钢材等优点。沉井的内壁、外壁及横隔板都是钢筋钢丝网水泥制成。做法是将若干层钢丝网均匀地铺设在钢筋网的两侧，外面涂抹不低于40号的水泥砂浆，使它充满钢筋网和钢丝网之间的间隙并形成厚1一3mm的保护层。图4-8是钢丝网水泥薄壁浮运沉井的一种形式。 板书 讲解 带临时底板的浮运沉井 底板一般是在底节的井孔下端刃脚处设置的木质底板及其支撑，底板的结构应保证其水密性、能承受工作水压并便于拆除。带底板的浮运沉井就位后，即可接高井壁使其逐渐下沉，沉到河床后向井孔充水到与外面水面齐平，即可拆除临时底板。这种带底板的浮运沉井与筑马法、围堰法施工相比，可以节省大量工程量，施工速度也较快。 2．带钢气筒的浮运沉井 适用 水深流急的巨型沉井。 图4-9为一带钢气筒的圆形浮运沉井构造图。它主要由权壁的沉井底节、单壁钢壳、钢气筒等组成。双壁钢沉井底节是一个可以自浮于水中的壳体结构;底节以上的井壁采用单壁钢壳，它一般由6mm厚的钢板及若干竖向肋骨角钢构成，并以水平圆环作承受壁外水压时的支撑，钢壳沿高度可分为几节，在接高时拼焊，单壁钢壳既是防水结构，又是接高时灌注沉井外圈混凝土的模板一部分;钢气筒是沉井内部的防水结构，它依据压缩空气排开气筒内的水提供浮式沉井在接高过程中所需的浮力。同时在悬浮下沉中可以通过在气筒充气或放气及不同气筒内的气压调节使沉井可以上浮、下沉及调正偏斜，落入河床后如偏移过大还可将气筒全部充气，使沉井重新浮起，定位下沉。 当采用低桩承合而围水挖基浇筑承含有困难时;当沉井刃脚遇到倾斜较大的岩层或在沉井范围内地基土软硬不均而水深较大时可采用上面是沉井下面是桩基的混合式基础，或称组合式沉井。施工时按设计尺寸做成沉井，下沉到预定标高后，进行浇筑封底混凝土和承台，在井内其上预留孔位钻孔灌注成桩。这种混合式沉井既有围水挡土作用，又作为钻孔惦的护筒，还作为桩基的承台请参阅第三章桩基础关于沉井结合法的内容， 板书 讲解 第三节 沉井的施工 一、旱地上沉井的施工图4-10 1．整平场地 2．制造第一节沉井 3．拆模及抽垫 4．挖土下沉 5．接高沉井 6．筑井顶围堰 7．地基检验和处理 8．封底、充填井孔及浇筑顶盖 二、水中沉井的施工 1．筑岛法 水流速不大，水深在3或4m以内，可用水中筑岛的方法图4-12。筑岛材料为砂或砾石，周围用草袋围护，如水深较大可作围堰防护。岛面应比沉井周围宽出2m以上，作为护道，并应高出施工最高水位0.5m以上。砂岛地基强度应符合要求，然后在岛上浇筑沉井。如筑岛压缩水面较大，可采用钢板桩围堰筑岛。 水深较大，如超过10m时，筑岛法很不经济，且施工也困难，可改用浮运法施工。沉井在岸边做成，利用在岸边铺成的滑道滑入水中图4-13，然后用绳索引到设计墩位。沉井井壁可做成空体形式或采用其它措施（如带木底或装上钢气筒使沉井浮于水上，也可以在船坞内制成用浮船定位和吊放下沉或利用潮汐，水位上涨浮起，再浮运至设计位置。 沉井就位后，用水或混凝土灌入空怀、徐徐下沉直至河底。或依靠在悬浮状态下接长沉井及填充混凝土使它逐步下沉，这时每个步骤均需保证沉井本身足够的稳定性。沉井刃脚切入河床一定深度后，可按前述下沉方法施工。 三、沉井下沉过程中遇到的问题及处理 1．沉井发生倾斜和偏移 偏斜原因 土岛表面松软，使沉井下沉不均，河底土质软硬不匀;挖土 板书 讲解 不对称;井内发生流砂，沉井突然下沉，刃脚遇到障碍物顶住而禾及时发现;井内挖除的土堆压在沉井外一侧，沉井受压偏移或水流将沉井一侧土冲空等。沉井偏斜大多数发生在沉井下沉不深的时候，下沉较深时，只要控制得好，发生倾斜较少。 纠正方法 在沉井高的一侧集中挖土;在低的一侧回填砂石;在沉井高的一侧加重物或用高压射水冲松土层;必要时可在沉井顶面施加水平力扶正。纠正沉井中心位置发生偏移的方法是先使沉井倾斜，然后均匀除土，使沉井底中心线下沉至设计中心线后，再进行纠偏。 在刃脚遇到障碍物的情况，必须予以清除后再下沉。清除方法可以是人工排除，如遇树根或钢材可锯断或烧断，遇大孤石宜用少量炸药炸碎，以免损坏刃脚。在不能排水的情况下，由潜水工进行水下切割或水下爆破。 2．沉井下沉困难 原因 沉井自身重力克服不了井壁摩阻力，或刃脚下遇到大的障碍物所致。 解决方法 （1）增加沉井自重 可提前浇筑上一节沉井，以增加沉井自重，或在沉井顶上压重物如钢轨、铁块或砂袋等，迫使沉井下沉。对不排水下沉的沉井，可以抽出井内的水以增加沉井自重，用这种方法要保证土不会产生流砂现象。 2减小沉井外壁的摩阻力。减小沉井外壁摩阻力的方法是可以将沉井设计成阶梯形、钟形，或在施工中尽量使外壁光滑;亦可在井壁内理设高压射水管组，利用高压水流冲松井壁附近的土，且水流沿井壁上升而润滑井壁，便沉井摩阻力减小;以上几项措施在设计时就应考虑。在刃脚下挖空的情况，可采用炸药，利用炮震使沉井下沉，这种方法对沉井快沉至设计标高时效果较好，但要避免震坏沉井，放用药量要少，次数不宜太多。 【思考题】 1．沉井基础与桩基础的荷载传递有何区别 2．沉井基础有什么特点 3．沉井在施工中会出现哪些问题，应如何处理 4．泥浆润滑套的特点和作用是什么 【第17次课】 教学目的通过本次课教学使学生掌握沉井的概念，沉井的结构构造，沉井的施工方法。 教学重点沉井的概念，沉井的结构构造，沉井的施工方法。 教学难点沉井的施工方法。 板书 讲解 四、泥浆润滑套与壁后压气沉井施工法 l．泥浆润滑套 泥浆润滑套 把配置的泥浆灌注在沉井井壁周围，形成井壁与泥浆接触。 作用 对沉井壁起润滑作用，它与井壁间摩阻力仅35KPa大大降低了井壁摩阻力一般粘性土对井壁摩阻力为2550KPa，砂性土为1225Kpa。 优点 提高沉井下沉的施工效率，减少井壁的圬土数量，加大了沉井的下沉深度，施工中沉井稳定性好。 泥浆配合比 应使泥浆性能具有良好的固壁性、触变性和胶体稳定性。一般采用的泥浆配合比重量比为粘土3545，水5565，另加分散剂碳酸钠0.40.6，其中粘土或粉质粘土要求塑性指数不小于15，含砂率小于6泥浆的性能指标以及检测方法可参见有关施工技术手册。。 泥浆润滑套的构造 射口挡板 用角钢或钢板弯制，置于每个泥浆射出口处固定在井壁台阶上见图4-14，它的作用是防止泥浆管射出的泥浆百冲土壁而起缓冲作用，防止士壁局部坍落堵塞射浆口。 地表围圈 埋设在沉井周围保护泥浆的围壁图4-15。它的作用是沉井下沉时防止土壁坍落;保持一定数量的泥浆储存量以保证在沉井下沉过程中泥浆补充到新造成的空隙内;通过泥浆在围圈内的流动，调整各压浆管出浆的不均衡。地表围圈的宽度即沉井台阶的宽度，其高度一般在1.52.0m左右，顶面高出地面或岛面约 板书 讲解 0.5m，圈顶面宜加盖。可用木板或钢板制做。 压浆管 根据井壁的厚度有内营法和外管法两种。厚壁沉井多采用内营法图4-14，薄壁沉井宜采用外管法图4-16。 2．壁后压气沉井法 壁后压气沉井法也是减少下沉时井壁摩阻力的有效方法。它是通过对沿井壁内周围预埋的气管中喷射高压气流，气流沿喷气孔射出再沿沉井外壁上升，形成一圈压气层又称空气幕式井壁周围土松动。减少井壁摩阻力，使沉井顺利下沉。 施工时压气管分层分布设置，竖管可用塑料管或钢管，水平环管刚采用直径25mm的硬质聚氯乙烯管，沿井壁外缘埋设。每层水平环管可按四角分为四个区，以便分别压气调整沉井倾斜，压气沉井所需的气压可取静水压力的2.5倍。 与泥浆润滑套相比，壁后压气沉井法在停气后即可恢复土对井壁的摩阻的，下沉量易于控制，且所需施工设备简单，可以水下施工，经济效果好。现认为在一般条件下较泥浆润滑套更为方便，它适用于细、粉砂类土和粘性土中。但设计方法和施工措施尚待积累更多的资料。 第四节 沉井的设计与计算 沉井 施工完毕后 是结构物的基础 按基础的要求进行各项验算 施工过程中 是挡土、挡水 沉井本身进行结构设计和计算 一、沉井作为整体深基础的设计与计算 设计根据 上部结构特点、荷载大小以及水文、地质情况，结合沉井的构造要求及施工方法。 设计内容 拟定出沉井的平面尺寸，埋置深度，然后进行沉井基础的计算。 计算方法 1）按浅基础设计计算规定，分别验算地基强度、沉井基础的稳定性和沉降，使它符合容许值的要求。 2）当沉井基础埋置深度较大时，由于埋置在上体内较深，不可忽略沉井周围土体对沉井的约束作用，因此在验算地 板书 讲解 基应力。变形及沉井的稳定性时，需要考虑基础侧面土体弹性抗力的影响。 计算基本假定 1． 地基上作为弹性变形介质，水平向地基系数随深度成正比例增加; 2． 不考虑基础与上之间的粘着力和摩阻力; 3． 沉井基础的刚度与土的刚度之比可认为是无限大。 一非岩石地基上沉井基础的计算 沉井基础受到水平力H及偏心竖向力N作用时图4-17a，为了讨论方便，可以把这些外力转变为中心荷载和水平力的共同作用，转变后的水平力H距离基底的作用高度从（图4-17b））为 （4-1） 先讨论沉井在水平力H作用下的情况。由于水平力的作用，沉井将围绕位于地面下Z。深度处的A点转动角图4-18，地面下深度Z处沉井基础产生的水平位移曲和土的横向抗力分别为 （4-2） 板书 讲解 （4-3a） 式中Z.0 转动中心A离地面的距离; Cz 深度Z处水平向的地基系数，CzmZ0 kN/m3，m为地基比例系数kN/m。 将G值代大武4-3a得 （4-3b） 从式4-3b可见，土的横向抗力沿深度为二次抛物线变化。 基础底面处的压应力，考虑到该水平面上的竖向地基系数G不变，故其压应力图形与基础竖向位移图相似。故 （4-4） 式中C0见表3-16注不得小于10m0，d为基底宽度或直径。 在上述三个公式中，有两个未知数Z。和w，要求解其值，可建立两个平衡方程式 ΣX0 （4-5） ΣM0 （4-6） 式中b1为基础计算宽度，按第三章中“m法”计算，w为基底的截面模量。对上二式进行联立解，可得 （4-7） （4-8） 板书 讲解 或 式中 β为深度h处沉井侧面的水平向地基系数与沉井底面的竖向地基系数的比值，其中m、m。按第三章有关规定采用 将式（4-7）4-8代入式（4-3）及式（4-4）得 （4-9） （4-10） 当有竖向荷载N及水平力H同时作用时图4-18则基底边缘处的压应力为 （4-11） 式中A。为基础底面积。 离地面或最大冲刷线以下Z深度处基础截面上的弯矩图4-18，为 （4-12） 板书 讲解 二基底嵌入基岩内的计算方法 若基底嵌入基岩内，在水平力和竖直偏心荷载作用下，可认为基底不产生水平位移，则基础的旋转中心A与基底中心相吻合，即Z0h，为一已知值图4-19。这样，在基底嵌人处便存在一水平阻力P，由于P力对基底中心轴的力臂很小，一般可忽略P对A点的力矩。当基础有水平力H作用时，地面下Z深度处产生的水平位移M和土的横向抗力σzx分别为 （4-13） （4-14） 基底边缘处的竖向应力为 （4-15） 岩石的C0值可按表3-17查用。 上述公式中只有一个末知数ω，故只需建立一个弯矩平衡方程便可解出ω值。 板书 讲解 ΣMA0 （4-16） 解上式得 （4-17） 式中 将tgω代入式（4-14）（4-15）得 （4-18） （4-19） 基底边缘处的应力为 （4-20） 根据ΣX0可以求出嵌人处未知的水平阻力P 板书 讲解 （4-21） 地面以下Z深度处基础截面上的弯矩为 （4-22） 三 墩台顶面的水平位移 基础在水平力和力矩作用下，墩台顶面会产生水平位移δ，它由地面处的水平位移Z0tgω，地面到墩台顶范围机h2的水平移h2tgω，在h2范围内墩合身弹性挠曲变形引起的墩台顶水平位移δ0，三部分组成。 （4-23） 考虑到转角一般均很小，令tgωω不会产生多大的误差。另一方面，由于基础的实际刚度并非无穷大，而刚度对墩台顶的水平位移是有影响的。故需考虑实际刚度对地面处水平位移的影响及对地面处转角的影响，用系数K1及K2表示。K1、K2是αh，λ/h的函数，其值可按表4-1查用。因此，式4-23可写成 （4-24） 或对支承在岩石地基上的墩台顶面水平位移为 （4-25） 四验算 1．基底应力验算 式4-11及式（4-20）所计算出的最大压应力不应超过沉井底面处土的容许压应力。 板书 讲解 （4-26） 2．横向抗力验算 由式4-9，4-18计算出的σzx，值应小于沉井周围土的极限抗力值，否则不能考虑基础侧向上的弹性抗力，其计算方法如下 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上压力强度Pa而被挤压一侧土就受到被动土压力强度Pp，故其极限抗力，以土压力表达为 （4-27） 由朗金土压力理论可知 （4-28） 代入式（4-27）整理后 （4-29） 式中γ为土的容重，φ和c分别为土的内摩擦角和粘聚力。考虑到桥梁结构性质和荷载情况，并根据试验知道出现最大的横向抗力大致在Zh/3和Zh处，将考虑的这些值代入式4-29，便有下列不等式 （4-30） 板书 讲解 （4-31） 式中σ（h/3）x相应于Zh/3深度处的土横向抗力; σhx 相应于Zh深度处的土横向抗力，h为基础的理量深度; η1 取决于上部结构形式的系数，一般取η11，对于拱桥 η10.7; η2 考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η21-0.8Mg/M 3．墩台顶面水平位移验算 桥梁墩台设计时，除应考虑基础沉降外，往往还需要检验由于地基变形和墩合身的弹性水平变形所产生的墩台顶面的弹性水平位移。现行规范规定墩台顶面的水平位移δ应符合下列要求δ≤0.5√Lcm，式中L为相邻跨中最小跨的跨度m，当跨度上25m时，按25m计算。 【第18次课】 教学目的通过本次课教学使学生掌握沉井的概念，沉井的结构构造，沉井的施工方法。 教学重点沉井的概念，沉井的结构构造，沉井的施工方法。 教学难点沉井的施工方法。 板书 讲解 二、沉井施工过程中的结构强度计算 从底节沉井拆除垫木，直至上部结构修筑完成开始使用，以及营运过程中沉井均受到不同外力的作用。因此，沉井的结构强度必须满足各阶段最不利受力情况的要求。根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTJ023-85，钢筋混凝土受弯构件施工阶段应力验算可采用容许应力法。因此在下列有关钢筋混凝土结构强度验算中除沉井封底与顶盖一部分计算外，均采用容许应力法。针对沉井各部分在施工过程中的最不利受力情况，首先拟出相应的计算图式，然后计算截面应力，进行必要的配筋，保证井体结构在施工各阶段中的强度和稳定。 一沉井自重下沉验算 为了便沉井能在自重下顺利下沉，沉井重力不排水下沉者应扣除浮力应大于土对井壁的摩阻力，将两者之比称为下沉系数，要求 （4-32） 式中K 下沉系数，应根据土类别及施工条件取大于l的数值; Q 沉井自重（KN）; T 土对井壁的总摩阻力 当不能满足式4-32要求时，可选择下列措施直至满足要求加大井壁厚度或调整取土井尺寸；如为不排水下沉者，则下沉者到一定深度后可采用排水下沉；增加附加荷载或射 板书 讲解 水助沉;采用泥浆润滑套或壁后压气法等措施。 二第一节底节沉井的竖向挠曲验算 第一节沉井在抽除垫木及挖土下沉过程中，沉井可按承受自重的梁计算井壁产生的竖向挠曲应力。如挠曲应力超过了沉井材料的容许限值，就应增加第一节沉井高度或在井壁内设置横向钢筋，以防止沉井竖向开裂。 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，现分别叙还如下 1．排水挖土下沉 由于沉井是排水挖土下沉，所以不论在抽除刃脚下垫木以及在整个挖土下沉过程中，都能很好地控制沉井的支承点。为了使井体挠曲应力尽可能小些，支点距离可以控制在最有利的位置处。对矩形及圆端形沉井而言，是使其支点和跨中点的弯矩大致相等。如沉井长宽比大于支点设在长边上，支点间距可采用0.7L，L为沉井长度如图4-20a，以此验算沉井井壁顶部和下部弯曲抗拉的强度，防止开裂。圆形沉井四个支点可布置在两个相互垂直线上的端点处。 2．不排水挖土下沉 由于井孔中有水，挖土可能不均匀，支点设置也难控制，沉井下沉过程中可能会出现最不利的支承情况。对矩形及圆端形沉井，支点在长边的中点上，如图4-20b，另一种情况支点在四个角上，如图4-20c;对于圆形沉井，两个支点位于一直径上。图4-20a和b情况使沉井成为一悬臂梁，在支点处，沉井顶部可能产生竖向开裂;而图4-20c使沉井成为一简支梁，跨中弯矩最大，可能沉井下部竖向开裂。两种情况均应对长边跨中附近最小截面上下缘进行验算。 若底节沉井内隔墙的跨度较大，还需验算内隔墙的抗拉强度。内隔墙最不利的受力情况是下部土已挖空，第二节沉井的内墙已浇筑，但未凝固，这时，内隔墙成为两端支承在井壁上的梁，承受了本身重量以及上部第二节沉井内隔墙如模板等重量。如验算结果可能使内隔墙下部产生竖向开裂，应采取措施，或布置水平向钢筋，或在浇筑第二节沉 板书 讲解 井时内隔墙底部回填砂石并夯实，使荷载传至填土上。 三 沉井刃脚受力计算 沉井在下沉过程中，刃脚受力较为复杂，刃脚切入土中时受到向外弯曲应力，挖空刃脚下的土时，刃脚又受到外部土、水压力作用而向内弯曲。从结构上来分析，可认为刃脚把一部分力通过本身作为悬壁梁的作田传到刃脚根部，另一部分由本身作为一个水平的闭合框架作用所负担，因此，可以把刃脚看成在平面上是一个水平闭合框架，在竖向是一个固定在井壁上的悬臂梁。水平外力的分配系数，如根据悬臂及水平框架两者的变位关系及其他一些假定得到 刃脚悬臂作用的分配系数为 （4-33） 刃脚框架作用的分配系数为 （4-34） 式中L1 支承于隔墙间的井壁最大计算跨度; L2 支承于隔墙间的井壁最小计算跨度; hk 刃脚斜面部分的高度。 水平外力按上面两个分配系数数分配，只适用于内隔墙底面高出刃脚底面不超过0.5m，或大于0.5m而垂直埂肋的情况。否则，全部水平力应由悬臂作用承担，即α1.0。刃脚不再起水平框架作用，但仍应按构造要求布置水平钢筋，便能承受一定的正、负弯矩。 外力经过上面的分配以后，就可以将刃脚受力情况按竖、横两个方向来计算。 1．刃脚竖向受力分析 1 刃脚向外挠曲的内力计算 最不利情况 刃脚斜面上土的抵抗力最大，而井壁外的土压力及水压力最小 一般近似认为在沉井下沉施工过程中，刃脚内侧切入土中深度约1.0m，上节沉井均已接上，且沉井上部露出地面或水面约板书 讲解 板书 讲解 一节沉井高度时较符合需要条件，为最不利情况，以此来计算刃脚的向外挠曲弯矩。 刃脚高度范围内的外力 刃脚外侧的主动土压力及水压力，沉井自重，土对刃脚外侧的摩阻力，以及刃脚下土的抵抗力。其计算图式如图4-21。 1作用在刃脚外侧单位宽度上的土压力及水压力的合力为 （4-35） 式中pe2w2 作用在刃脚根部处的土压力及水压力强度之和; pe3w3 刃脚底面处的土压力及水压力强度之和; hk 刃脚高度。 pew力的作用点离刃脚根部的距离为 （4-36） 地面下深度hi处刃脚承受的土压力ei可按朗金主动土压力公式计算 （4-37） 式中γi为hi高度范围内土的平均容重，在水位以下应考虑浮力, hi为计算位置至地面的距离。 水压力ωi的计算为ωiγwhwi，其中γw为水的容重，hwi为计算位置至水面的距离。水压力是应根据施工情况和土质条件计算的可参考刃脚向内挠曲验算时有关说明，为了避免计算所得土、水压力值偏大而使验算方法偏于不安全，一般设计规范均规定了由式4-35算得的刃脚外侧土、水压力值不得大于静水压力的70，否则按静水压力的70。 2作用在刃脚外侧单位宽度上的摩阻力Ti可按下列二式计算，并取其较小者 （4-38） 板书 讲解 （4-39） 式中τ 土与井壁间单位面积上的摩阻力，由表4-2查用; hk 刃脚高度; E 刃脚外侧总的主动土压力 3刃脚下抵抗力的计算。 刃脚下竖向反力R取单位宽度可按下式计算 （4-40） 式中q 为沿井壁周长单位宽度上沉井的自重，在水下部分应考虑水的浮力; T’ 为沉井入土部分单位宽度上的摩阻力。 为求R的作用点，可将R分为v1及v2两部分，然后根据图4-21求得。图中刃脚踏面宽度为a1，踏面下的反力假定为均匀分布，其合力用v1表示。假定刃脚斜面与水平面成θ角，斜面与土间的摩擦角为况。故作用在斜面上土反力的合力与斜面的垂直方向成δ角，斜面上反力成三角形分布，在地面处为o，将合力分解成竖直力v2及水平力H时，它们的应力图形也是呈三角形分布。因此， （4-41） R的作用点距井壁外侧的距离为 （4-42） 式中b2为刃脚内侧入土斜面在水平面上的投影长度。 根据力的平衡条件，从图4-21可知 （4-43） （4-44） （4-45） 其中δ2为土与刃脚斜面间的外摩擦角，一般定为300，刃脚斜面上水平反力H 作用点离刃脚底面1/3m。 4刃脚单位宽度自重g为4-43 （4-46） 式中λ 井壁厚度i γ 钢筋混凝土刃脚的容重，不排水施工时应扣除浮力。 刃脚自重g的作用点至刃脚根部中心轴的距离 （4-47） 求出以上各力的数值、方向及作用点后，再算出各力对刃脚根部中心轴的弯矩总和值M0竖向力N0及剪力Q，其算式为 （4-48） （4-49） （4-50） 式中MR、MH、Mew、MT、Mg分别为反力R、土压力及水压力pew、横向力H、刃脚底部的外侧摩阻力T1以及刃脚自重g对刃脚根部中心轴的弯矩，其中作用在刃脚部分的各水平力均应接规定考虑分配系数α上述各式数值的正负号视具体情况而定。 根据M0、N0及Q值就可验算刃脚根部应力并计算出刃脚内侧所需的竖向钢筋用量。一般刃脚钢筋截面积不宜少于刃脚跟部截面积的0.1，刃脚的竖直钢筋应伸入根部以上0.5L1L1为支承于隔墙间的井 最大计算跨跨度。 2刃脚向内挠曲的内力计算 最不利情况 沉井已下沉至设计标高，刃脚下的土已挖空而尚未浇筑封底混凝土图4-22，这时，将刃脚作为根部固定在井壁的悬 板书 讲解 臂梁，计算最大的向内弯矩。 作用在刃脚上的力 刃脚外侧的土压力、水压力、摩阻力以及刃脚本身的重力。 计算方法 同前。但计算水压力应注意根据施工实际情况，现行的设计规范考虑到一般的情况及从安全出发要求不排水下沉沉井，井壁外侧水压力值以内水压力值以50计算，或按施工可能出现的水头差计算。若为排水下沉沉井，对不透水土，可按静水压力70计算，在透水性土中，可按静水压力的100计算。计算所得各水平外力均应接规定考虑分配系数α。 根据外力值计算出对刃脚根部中心轴的弯矩、竖向力及剪力后，并以此求出刃脚外壁的钢筋用量。同样，刃脚钢筋截面积不宜少于刃脚恨部截面积的0.1。刃脚的竖直钢筋应伸入刃脚恨部以上0.5L1。 2．刃脚水平钢筋的计算 最不利的情况 沉井已下沉至设计标高，刃脚下的土已挖空，尚未浇筑封底混凝土的时候。 计算方法 由于刃脚有悬臂作用及水平闭合框架的作用，故当刃脚作为悬臂考虑时，刃脚所受水平力乘以α而作用于框架的水平力应乘以分配系数β式（4-34后，其值作为水平框架上的外力，由此求出框架的弯矩及轴向力值。再计算框架所需的水平钢筋用量。 根据常用沉井水平框架的平面形式，现列出其内力计算式，以供设计时参考。 1单孔矩形框架图4-23 A点处的弯矩 B点处的弯矩 C点处的弯矩 轴向力 板书 讲解 式中Ka/b，a为短边长度，b为长边长度。 2单孔圆端形图4-24 式中KL/r，r为圆心至圆端形井壁中心轴的距离。 3双孔矩形图4-25 板书 讲解 式中Ka/b。 4双孔圆端形图4-26a 板书 讲解 5圆形沉井图4-26b 圆形沉井，如在均匀土中平稳下沉，