沉井类型及基本构造

5．2．1 沉井类型

5．2．1．1 按沉井施工方法分类

(1)一般沉井.其为在工程基础设计位置上直接现浇制作的沉井.当强度达到设计要求时,在井孔内挖土使其下沉.当基础位于浅水中时,可先在水中筑岛,后在岛上筑井下沉.

(2)浮运沉井.其为先在岸边制成可以漂浮于水上的底节空壁沉井,待浮运就位后,上面接高井壁,灌水下沉的沉井.当水深较深、水流速度较大或有碍通航、人工筑岛有困难时可采用浮运沉井.

5．2．1．2 按沉井平面形状分类

沉井常用的平面形状有圆形、矩形和圆端形等.对于平面尺寸较大的沉井,为改善结构受力条件,便于均匀取土下沉,可在沉井中设置纵向或横向隔墙,使沉井由单孔变成双孔或多孔(图5．2).

图5．2 沉井平面形状

(a)单孔沉井;(b)双孔沉井;(c)多孔沉井

(1)圆形沉井.圆形沉井在下沉过程中易控制方向.其在使用抓泥斗挖土时要比其他类型的沉井更能使刃脚均匀地支承在土层上.在均匀侧压力的作用下,井壁只受轴向力作用.当侧压力不均匀时,弯曲应力较小.其与上部结构连接难度大,与水流方向正交或斜交均有利.

(2)矩形沉井.矩形沉井制造简单,基础受力有利,能配合墩台(或其他结构物)底面的平面形状,可充分利用地基承载力,便于与上部结构连接.其四角一般做成圆角,以减小井壁摩阻力和取土清孔的困难.矩形沉井在侧压力的作用下井壁会受到较大的挠曲力矩;在流水中阻水系数较大,冲刷较严重.

(3)圆端形沉井.圆端形沉井控制下沉、受力条件、阻水冲刷情况均较矩形沉井有利,但制造较复杂.

5．2．1．3 按沉井立面形状分类

按沉井立面形状(图5．3)有竖直式、倾斜式、台阶式等.

(1)竖直式沉井.竖直式沉井又称为柱形沉井,在下沉过程中,井壁受周围土体约束较均衡,下沉过程中不易发生倾斜,井壁接长较简单,施工方便,模板重复利用率高,但井壁侧阻力较大,当土体密实、下沉深度较大时,下部易出现悬空现象,从而造成井壁拉裂,故一般用于入土不深、土质较松软或自重较大的情况.

(2)倾斜式及台阶式沉井.沉井外壁做成倾斜式或台阶式,可以减小土与井壁的摩阻力,抵抗侧压力性能好,但下沉时易发生倾斜,施工较复杂,消耗模板多,多用于沉井下沉深度大、土质较密实且要求沉井自重不太大的情况.通常,倾斜式沉井井壁坡度为1/50~1/20,台阶式沉井井壁的台阶宽度为100~200mm.

图5．3 沉井立面形状

(a)竖直式;(b)、(c)台阶式;(d)倾斜式

5．2．1．4 按沉井制作材料分类

(1)混凝土沉井.混凝土抗压强度高而抗拉强度低,宜做成小尺寸的圆形沉井,井壁厚度足够时也可制作成圆端形或矩形沉井.其适用于覆盖层较松软的地质条件,下沉深度不大(4~7m)的软土层.

(2)钢筋混凝土沉井.钢筋混凝土沉井的抗压强度高,抗拉强度较高,可以制作大型沉井.其下沉深度可以很大(达数十米以上),当下沉深度不大时,可将底节沉井或刃脚部分做成钢筋混凝土结构,上部井壁用混凝土.浮运沉井用钢筋混凝土制作时,采用薄壁结构.这些都在桥梁工程中得到了广泛的应用.

(3)竹筋混凝土沉井.沉井在下沉过程中受力较大因而需配置钢筋,一旦完工后就不会承受太大的拉力.因此,在我国南方产竹地区可以采用耐久性差但抗拉性能好的竹筋代替部分钢筋.我国南昌赣江大桥等曾采用这种沉井,在沉井分节接头处及刃脚内仍用钢筋.

(4)钢沉井.钢沉井具有强度高、刚度大、质量轻、易拼装、施工速度快等优点,一般用于制作浮运沉井,但用钢量大,成本高,国内较少采用.

5．2．2 沉井基本构造

5．2．2．1 沉井的轮廓尺寸

沉井的平面形状及尺寸常取决于墩(台)底面尺寸、地基土的承载力及施工要求.采用矩形沉井时,为保证下沉的稳定性,沉井的长宽比不宜大于3.若上部结构的长宽比较为接近,可采用方形或圆形沉井.沉井棱角处宜做成圆角或钝角;顶面襟边宽度应根据沉井施工容许偏差而定,不应小于沉井全高的1/50,且不应小于0．2m,浮运沉井不应小于0．4m.如沉井顶面需设置围堰,其襟边宽度根据围堰构造还需加大,以满足安装墩台身模板的需要.建筑物边缘应尽可能支承于井壁或顶板支承面上.对井孔内不以混凝土填实的空心沉井,不允许结构物边缘全部置于井孔位置.

沉井的高度必须根据上部结构、水文地质条件及各土层的承载力等定出墩底标高和沉井基础底面的埋置深度后确定.高沉井应分节制造和下沉,每节高度不宜大于5m.当底节沉井在松软土层中下沉,每节高度还不应大于沉井宽度的80％.若底节沉井高度过高,沉井过重,将会给制模、筑岛时的岛面处理、抽除垫木下沉带来困难.

5．2．2．2 沉井的一般构造

沉井一般由井壁、刃脚、隔墙、井孔、凹槽、封底混凝土和顶盖板等部分组成(图5．4).如采用助沉措施,还应在井壁中预埋一些助沉所需的管组.

(1)井壁.井壁是沉井的主要结构,形成沉井的外形尺寸,在下沉过程中,起挡土、挡水及利用自重克服土与井壁间摩阻力下沉的作用.当沉井施工完毕后,井壁就成为传递上部荷载的基础或基础的一部分.沉井接高时,可根据沉井整体构造和施工要求分节预制下沉,节高一般不宜大于5m,底节沉井可适当加长.

井壁厚度根据强度,下沉需要的重力和便于取土、清基而定,一般为800~1500mm,最薄不宜小于400mm.钢筋混凝土薄壁沉井及钢制薄壁浮运沉井的井壁厚度不受此限制.井壁的混凝土等级不应低于C20.

图5．4 沉井的一般构造

(2)刃脚.刃脚是井壁下端形如楔状的部分,其作用是利于沉井自重切土下沉.刃脚受力复杂、集中,要有足够的强度和刚度,混凝土强度等级不应低于C25.当地质构造简单、下沉过程中无障碍物时,采用普通刃脚;当下沉深度较大,需穿过坚硬的土层或岩层时,用型钢制成刃脚钢尖;当沉井穿过密实土层时,可采用钢筋加固并包以型钢的刃脚.

刃脚底面(踏面)的宽度一般不大于200mm,软土可适当放宽.若下沉深度大,土质较硬,刃脚底面应用型钢(角钢或槽钢)加强(图5．5),以防刃脚损坏.刃脚内侧斜面与水平面夹角不宜小于45°.刃脚高度视井壁厚度、便于抽除垫木而定,一般不小于1．0m.当沉井需要下沉至稍有倾斜的岩石上时,在掌握岩层高低差的情况下,可将刃脚制成与岩石倾斜度相适应的高低刃脚.

图5．5 刃脚构造示意图

(3)隔墙.沉井平面尺寸较大时,应在沉井内设置隔墙.其作用是加强沉井的刚度,缩小井壁跨度,减小井壁的挠曲应力,同时,可把沉井分成若干个取土井,便于掌握挖图位置和速度,以控制下沉的方向.隔墙间距一般要求不大于5m,厚度一般比井壁小200~400mm.

为增强隔墙与刃脚的连接,一般在隔墙与刃脚连接处设置垂直埂肋.隔墙底面距离刃脚踏面的高度既应考虑支承刃脚悬臂,使其与水平方向上的封闭框架共同起作用,又不会使隔墙底面下的土搁住沉井,妨碍下沉.此高度一般不小于0．5m.对于排水下沉的沉井,为方便施工,宜在隔墙下部设过人孔.

(4)井孔.井孔是挖土、取土的工作场所和通道,其平面尺寸的大小应根据取土方法、施工要求而定.采用抓泥斗挖土时,井孔最小直径(或边长)不宜小于3m.井孔在布置上必须对称于沉井轴线,以便对称均匀挖土和取土,保证沉井的安全下沉.

(5)凹槽.一般在沉井外壁内侧距离刃脚踏面一定高度(一般为2m)处做一水平槽状结构,称为凹槽.其深度为150~250mm,高度约为1．0m.其作用是使封底混凝土与井壁较好地结合,将封底混凝土底面反力更好地传递给井壁.当井孔准备用混凝土或圬工填实时,也可不设凹槽.

(6)封底混凝土.当沉井下沉到设计标高清基后,便在刃脚踏面以上至凹槽处浇筑混凝土形成封底.封底可防止地下水涌入井内,其底面承受地基土和水的反力.封底混凝土顶面应高出刃脚根部不小于0．5m,并浇筑到凹槽上端,其厚度可由应力验算确定,根据经验也可取为不小于井孔最小边长的1．5倍.封底混凝土强度等级不宜低于C25,对于岩石地基可降为C20.

(7)顶盖板.沉井井孔内是否需要填实、填什么材料应根据沉井受力和稳定性的要求来确定.在严寒地区,低于冻结线0．25m以上部分必须用混凝土或圬工填实.有时为节省混凝土、圬工数量或为减轻基础自重,在井孔内可不填充任何材料,做成空心沉井,或仅填以砂砾,并在井顶设置钢筋混凝土顶盖板.其上修筑墩台身,用以承托上部结构传递下来的荷载.顶盖板厚度一般为1．5~2．0m.钢筋配置由计算确定.

(8)预埋管组.当预估沉井下沉阻力较大无法正常下沉时,可采用如泥浆润滑套、射水法和空气幕法等助力下沉措施.此时应按助沉设计要求在井壁内预埋管组,并在井壁外侧设置射水嘴或气龛.

5．2．2．3 浮运沉井的构造

浮运沉井可分为不带气筒和带气筒两种.不带气筒的浮运沉井多用钢、木、钢丝网水泥等材料制作,薄壁空心,具有构造简单、施工方便、节省钢材等优点,适用于水不太深、流速不大、河床较平、冲刷较小的自然条件.为增加在水中的自浮能力,还可做成带临时性井底的浮运沉井,浮运就位后灌水下沉,同时接筑井壁,当到达河床后打开临时性井底,再按一般沉井施工.

当水深流急、沉井较大时,通常可采用带气筒的浮运沉井.其主要由双壁钢沉井底节、单壁钢壳、钢气筒等组成.双壁钢沉井底节是一个可自浮于水中的壳体结构,底节以上的井壁采用单壁钢壳,既可防水,又可作为接高时灌注沉井外圈混凝土模板的一部分.钢气筒为沉井提供所需浮力,同时,在悬浮过程中可通过充气、放气调节使沉井上浮、下沉或校正偏斜等.当沉井落至河床后,切除气筒即为取土井孔.

5．2．3 组合式沉井

当采用低桩承台时围水挖基浇筑承台困难,而采用沉井又因岩层倾斜较大、沉井范围内地基土软硬不均且水深较大不能实现时,可采用沉井G桩基的混合式基础,即组合式沉井.施工时,先将沉井下沉至预定标高,浇筑封底混凝土和承台,再在井内预留孔位处钻孔灌注成桩.该组合式沉井结构即可围水挡土,又可作为钻孔桩的护筒和桩基的承台.