沉井基礎

沉井基礎

沉井基礎是一個井筒狀的結構物,它是從井內挖土、依靠自身重力克服井壁摩阻力後下沉到設計標高,然後採用混凝土封底並填塞井孔,使其成為橋樑墩台或其他結構物的基礎。沉井基礎的特點是埋置深度可以很大,整體性強、穩定性好,有較大的承載面積,能承受較大的垂直荷載和水平荷載;沉井既是基礎,又是施工時的擋土和擋水的圍堰結構物,施工工藝並不複雜。

基本介紹

  • 中文名:沉井基礎
  • 外文名:sunk shaft foundation;
  • 上部荷載:傳至地基
  • 組成:由刃腳、井壁、隔牆
  • 封底、填心、:混凝土封底、填心、
  • 學科:土木工程
特點,類型構造,使用材料,井壁,製造,沉井下沉,井壁阻力克服方法,

特點

埋深較大,整體性好,穩定性好,具有較大的承載面積,能承受較大的垂直和水平荷載。此外,沉井既是基礎,又是施工時的擋土和擋水圍堰結構物,其施工工藝簡便,技術穩妥可靠,無需特殊專業設備,並可做成補償性基礎,避免過大沉降,在深基礎或地下結構中套用較為廣泛,如橋樑墩台基礎、地下泵房、水池、油庫、礦用豎井以及大型設備基礎、高層和超高層建築物基礎等。但沉井基礎施工工期較長,對粉砂、細砂類土在井內抽水時易發生流砂現象,造成沉井傾斜;沉井下沉過程中遇到的大孤石、樹幹或井底岩層表面傾斜過大,也將給施工帶來一定的困難。
沉井基礎沉井基礎

類型構造

1 沉井按其截面輪廓分,有圓形、矩形和圓端形等三類。①圓形沉井水流阻力小,在同等面積下,同其他類型相比,周長最小、摩阻力相應減小,便於下沉;井壁只受軸向壓力,且無繞軸線偏移問題。②矩形沉井和等面積的圓形沉井相比,其慣性矩及核心半徑均較大,對基底受力有利;在側壓力作用下,沉井外壁受較大的撓曲應力。③圓端形沉井對支撐建築物的適應性較好,也可充分利用基礎的圬工,井壁受力也較矩形有所改善,但施工較複雜。
2 沉井按豎向剖面形狀分,柱形沉井和階梯性沉井。

使用材料

就沉井的使用材料分,有木沉井,磚、石沉井,混凝土沉井,鋼筋混凝土沉井和鋼沉井等。木沉井用木材較多,現很少採用。磚、石沉井過去多用於中小橋樑。現在常用的是鋼筋混凝土沉井,或底節為鋼筋混凝土,上節為混凝土的沉井。鋼沉井多用於大型工程浮運的沉井。

井壁

沉井的井壁可作成豎直形、台階形或斜坡形。斜坡形雖可減少周圍的摩阻力,但下沉過程中容易傾斜;台階形便於加高井壁。沉井的內部可根據需要作隔牆,劃分成幾個取土井,但取土井必須對稱設定,以利均衡挖土或糾正偏斜;取土井尺寸,須能容納機械挖土斗自由上下。如中國九江長江大橋採用圓沉井,直徑20米,內設9個井孔,中孔直徑5.5米,8個邊孔直徑3.8米;日本本(州)四(國)聯絡橋的南北備贊瀨戶橋7A號墩沉井,橋軸方向長75米,橫跨方向59米,高55米,中間設縱橫向隔牆,是當前世界大型沉井之一。

製造

陸地下沉井均採用就地製造。在淺水中下沉井需先作圍堰,填土築島出水面,再就地製造。在深水處下沉井,一般均採用在岸邊陸地製造,浮運就位下沉。
沉井基礎沉井基礎
就地製造沉井,井壁多為實體,自重較大,而刃腳部分面積小,重心較高,為使其在製造過程中不致因地面下沉引起沉井開裂或傾倒,過去多在地面整平後,先鋪墊木,以增加承壓面積,再立模板製造沉井。下沉前需邊抽墊木,邊以砂將刃腳處填實,然後再挖土下沉。現今則用砂土夯實作成刃腳土模,表面抹層水泥,在土模內製造刃腳部分,既節約木料,又簡化施工工藝。如中國枝城長江橋引橋橋墩基礎的沉井刃腳部分,就是用此法灌築的。
浮運的沉井,在陸地先做底節,以減輕重量,在浮運到位後再接築上部。為增加沉井的浮力便於浮運,常採取以下三種方法:①在鋼沉井內加裝氣筒,浮運到位後,在沉井內部空間填充混凝土並接高沉井,為控制吃水深度,可在氣筒內充壓縮空氣,待沉入河底預定位置後,再除去氣筒頂蓋,挖泥(或吸泥)下沉。此法用鋼量大,製造安裝都較複雜,宜用於深水大型沉井。美國舊金山奧克蘭灣橋,第一次採用此法,該橋最大的沉井為60×28米,內裝55個直徑4.5米的氣筒。中國在南京長江橋也曾使用 18.26×22.42米、底節高11.65米的鋼沉井,內有20個直徑3.2米的氣筒,浮運就位後,以鋼筋混凝土將沉井接高至55米,中間隔牆全部用預製件。②將沉井做成雙壁式使能自浮,到位後在壁內灌水或灌築混凝土下沉。這種沉井可用鋼、木或鋼筋混凝土製造。中國1972年在四川宜賓岷江公路橋,將製造鋼絲網水泥船的經驗用於造雙壁浮運沉井。 沉井外徑12米,高7.5米,雙壁厚1.3米,網壁厚3厘米,中間一層鋼筋網,4~6層鋼絲網,上抹水泥砂漿,重60噸,採用岸邊製造,滑道下水,拉錨定位,灌水下沉。因這種材質的沉井具有較高的彈性和抗裂性,以後在四川南充嘉陵江橋、湖南益陽橋都曾使用。③在沉井底部加臨時底板以增加浮力,待到位沉入河底後,再拆除底板,挖泥下沉。如因風振而破壞的美國塔科馬海峽橋,其水中橋墩基礎為鋼筋混凝土沉井,尺寸是20.1×36.6米,曾用此法施工。

沉井下沉

排水和不排水下沉兩種,在軟弱土層中須採用不排水下沉,以防涌砂和外周邊土坍陷,造成沉井傾斜及位移,必要時採取井內水位略高於井外水位的施工方法。出土機械可使用抓土斗、空氣吸泥機、水力吸泥機等。近代各國發展用錨樁及千斤頂將沉井壓下的方法。此外,還有用大直徑鑽機在井底鑽挖的方法,如日本在圓形沉井內採用臂式旋轉鑽機,在硬粘土層內開挖,直徑可達11米,由沉井外的電視機反映操作情況及下沉速度。
沉井到達設計標高后,一般用水下混凝土封底。井孔是否填充,應根據受力或穩定要求決定,可填砂石或混凝土,但在低於凍結線0.25米以上的部分,套用混凝土或圬工填實。沉井基礎的最後一道工序是灌築頂蓋。

井壁阻力克服方法

沉井外壁和土的摩擦力是沉井下沉的主要阻力。為克服這種阻力,一是加大沉井壁厚或在沉井上部增加壓重,一是設法減少井壁和土之間的摩擦力。減少摩擦力的方法很多,常用的有射水法、泥漿套法及壁後壓氣法。
①射水法。在沉井下部井壁外面,預埋射水管嘴,在下沉過程中射水以減小周邊阻力。
②泥漿套法。在沉井井壁和土層之間灌滿觸變泥漿以減少摩擦力,觸變泥漿是用粘性土、水、化學處理劑等按一定配合比攪拌而成,當靜置時它處於“凝膠”狀態,沉井下沉時它受到攪動,又恢復“溶膠”狀態而大大減少摩擦力,在實驗室測出其靜剪應力約為50~200帕。泥漿套法施工下沉傾斜量小,且易糾正,附近地表幾乎無沉陷。從理論上分析,沉井下得愈深愈容易下沉。中國某煤礦有一豎井,外徑約9.2米,採用此法下沉深度近200米左右。沉井下沉到設計標高后,為了恢復沉井周邊和土層的摩擦力,以增加沉井基礎的承載能力,需要壓入水泥漿,以破壞及代替泥漿套。此外,此法施工要求嚴格,井內外水壓要相近,防止流砂、湧水破壞泥漿套,一旦遭破壞很難修復。因此,它不適於不穩定土層、漏漿土層以及河床易受沖刷的水中沉井。
③壁後壓氣法。習稱“空氣幕法”。在井壁內預埋管路,並沿井壁外側水平方向每隔一定高度設一排氣龕,在下沉過程中,沿管路輸送的壓縮空氣從氣龕內噴出,再沿井壁上升,從而減少摩擦力。中國在1975年於九江長江橋引橋沉井基礎中曾經試用。初步資料表明:在粉細砂層及含水量較大的粘性土層中,可以減少摩擦力30%以上,下沉速度加快(與氣龕數和噴氣量有關),且無泥漿套法的缺點,可在水中施工,不受沖刷的影響。但在卵石層及硬粘土層內效果較差。

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