第5章 沉井基础

第5章 沉井基础§5-1 概述5-1-1 沉井的作用及适用条件沉井是一种带刃脚的井筒状构造物（图5-1a ））。

它是利用人工或机械方法清除井内土石，借助自重克服井壁摩阻力逐节下沉至设计标高，再浇筑混凝土封底并填塞井孔，成为结构物的基础（图5-1b ））。

沉井的特点是埋置深度较大（如日本采用壁外喷射高压空气施工，井深超过200m ），整体性强，稳定性好，具有较大的承载面积，能承受较大的垂直和水平荷载。

此外，沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水围堰结构物，施工工艺简便，技术稳妥可靠，无需特殊专业设备，并可做成补偿性基础，避免过大沉降，保证基础稳定性。

因此在深基础或地下结构中应用较为广泛，如桥梁墩台基础，地下泵房、水池、油库，矿用竖井，大型设备基础，高层和超高层建筑物基础等。

但沉井基础施工工期较长，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，也会给施工带来一定的困难。

沉井最适合在不太透水的土层中下沉，其易于控制沉井下沉方向，避免倾斜。

一般下列情况可考虑采用沉井基础：① 上部荷载较大，表层地基土承载力不足，而在一定深度下有较好的持力层，且与其它基础方案相比较为经济合理；② 在山区河流中，虽土质较好，但冲刷大，或河中有较大卵石不便桩基础施工；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。

5-1-2 沉井的分类1. 按施工的方法不同，沉井可分为一般沉井和浮运沉井。

一般沉井指直接在基础设计的位置上制造，然后挖土，依靠沉井自重下沉，若基础位于水中，则先人工筑岛，再在岛上筑井下沉。

浮运沉井指先在岸边制造，再浮运就位下沉的沉井。

通常在深水地区（如水深大于10m ），或水流流速大，有通航要求，人工筑岛困难或不经济时，可采用浮运沉井。

2. 按制造沉井的材料可分为混凝土沉井、钢筋混凝土沉井、竹筋混凝土沉井和钢沉井。

混凝土沉井因抗压强度高，抗拉强度低，多做成圆形，且仅适用于下沉深度不大（4～7m）的松软土层。

钢筋混凝土 图 5-1沉井基础示意a ) 沉井下沉;b ) 沉井基础沉井抗压抗拉强度高，下沉深度大（可达数十米以上），可做成重型或薄壁就地制造下沉的沉井，也可做成薄壁浮运沉井及钢丝网水泥沉井等，在工程中应用最广。

沉井承受拉力主要在下沉阶段，我国南方盛产竹材，因此可就地取材，采用耐久性差但抗拉力好的竹筋代替部分钢筋，做成竹筋混凝土沉井，如南昌赣江大桥、白沙沱长江大桥等。

钢沉井由钢材制作，其强度高、重量轻、易于拼装、适于制造空心浮运沉井，但用钢量大，国内较少采用。

此外，根据工程条件也可选用木沉井和砌石圬工沉井等。

3. 按沉井的平面形状可分为圆形、矩形和圆端形三种基本类型，根据井孔的布置方式，又可分为单孔、双孔及多孔沉井（图 5-2）。

圆形沉井在下沉过程中易于控制方向；当采用抓泥斗挖土时，比其他沉井更能保证其刃脚均匀地支承在土层上，在侧压力作用下，井壁仅受轴向应力作用，即使侧压力分布不均匀，弯曲应力也不大，能充分利用混凝土抗压强度大的特点，多用于斜交桥或水流方向不定的桥墩基础。

矩形沉井制造方便，受力有利，能充分利用地基承载力，与矩形墩台相配合。

沉井四角一般做成圆角，以减少井壁摩阻力和除土清孔的困难。

矩形沉井在侧压力作用下，井壁受较大的挠曲力矩；在流水中阻水系数较大，冲刷较严重。

圆端形沉井控制下沉、受力条件、阻水冲刷均较矩形者有利，但施工较为复杂。

对平面尺寸较大的沉井，可在沉井中设隔墙，构成双 孔或多孔沉井，以改善井壁受力条件及均匀取土下沉。

4. 按沉井的立面形状可分为柱形、阶梯形和锥形沉井（图5-3）。

柱形沉井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，模板可重复利用，但井壁侧阻力较大，当土体密实，下沉深度较大时，易出现下部悬空，造成井壁拉裂，故一般用于入土不深或土质较松软的情况。

阶梯形沉井和锥形沉井可以减小土与井壁的摩阻力，井壁抗侧压力性能较为合理，但施工较复杂，消耗模板多，沉井下沉过程中易发生倾斜。

多用于土质较密实，沉井下沉深度大，且要求沉井自重不太大的情况。

通常锥形沉井井壁坡度为1／20～l ／40，阶梯形井壁的台阶宽约为100～200㎜。

5-1-3 沉井基础的构造1. 沉井的轮廓尺寸沉井的平面形状常取决于结构物底部的形状。

对于矩形沉井，为保证下沉的稳定性，沉井的长短边之比不宜大于3。

若结构物的长宽比较为接近，可采用方形或圆形沉井。

沉井顶面尺寸为结构物底部尺寸加襟边宽度。

襟边宽度不宜小于0.2m ，且大于沉井全高的1/50，浮运沉井不小于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。

结构物边缘应尽可能支承于井壁上或顶板支承面上，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上。

沉井的入土深度须根据上部结构，水文地质条件及各土层的承载力等确定。

入土深度较大的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，将给制模、筑岛时岛面处理、抽除垫木下沉等带来困难。

图5-2 沉井的平面形状a ) 单孔沉井；b ) 双孔沉井；c ) 多孔沉井2. 沉井的一般构造图 5-4 沉井的一般构造图 5-5 刃脚构造示意1—井壁; 2—刃脚; 3—隔墙; 4—井孔; 5—凹槽;6—射水管组; 7—封底混凝土; 8—顶板沉井一般由井壁、刃脚、隔墙、井孔、凹槽、封底和顶板等组成（图5-4）。

有时井壁中还预埋射水管等其他部分。

各组成部分的作用如下：①井壁沉井的外壁，是沉井的主体部分，在沉井下沉过程中起挡土、挡水及利用本身自重克服土与井壁间摩阻力下沉。

当沉井施工完毕后，就成为传递上部荷载的基础或基础的一部分。

因此，井壁必须具有足够的强度和一定的厚度，并根据施工过程中的受力情况配置竖向及水平向钢筋。

一般壁厚为0.80～1.50m。

最薄不宜小于0.4m，混凝土强度等级不低于C15。

②刃脚即井壁下端形如楔状的部分，其作用是利于沉井切土下沉。

刃脚底面（踏面）宽度一般不大于150㎜，软土可适当放宽。

若下沉深度大，土质较硬，刃脚底面应以型钢（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，一般大于1.0m，混凝土强度等级宜大于C20。

③隔墙沉井的内壁，其作用是将沉井空腔分隔成多个井孔，便于控制挖土下沉，防止或纠正倾斜和偏移，并加强沉井刚度，减小井壁挠曲应力。

隔墙厚度一般小于井壁，约0.5～1.0m。

隔墙底面应高出刃脚底面0.5m以上，避免被土搁住而妨碍下沉。

如为人工挖土，还应在隔墙下端设置过人孔，以便工作人员井孔间往来。

④井孔为挖土排土的工作场所和通道。

其尺寸应满足施工要求，最小边长不宜小于3m。

井孔应对称布置，以便对称挖土，保证沉井均匀下沉。

⑤凹槽其位于刃脚内侧上方，用于沉井封底时使井壁与封底混凝土较好地结合，使封底混凝土底面反力更好地传给井壁。

凹槽高约1.0m，深度一般为150～300㎜。

⑥射水管当沉井下沉较深，土阻力较大，估计下沉困难时，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，应有预埋的压射泥浆管路。

⑦封底沉井沉至设计标高进行清基后，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凹槽0.5m，其厚度可由应力验算决定，根据经验也可取不小于井孔最小边长的1.5倍。

混凝土强度等级一般不低于C15，井孔内填充的混凝土强度等级不低于C10。

⑧顶板沉井封底后，若条件允许，为节省圬工量，减轻基础自重，在井孔内可不填充任何东西，做成空心沉井基础，或仅填以砂石，此时须在井顶设置钢筋混凝土顶板。

以承托上部结构的全部荷载。

顶板厚度一般为1.5～2.0m，钢筋配置由计算确定。

沉井井孔是否填充，应根据受力或稳定要求决定。

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。

3. 浮运沉井的构造浮运沉井可分为不带气筒和带气筒的浮运沉井两种。

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。

为增加水中自浮能力，还可做成带临时性井底的浮运沉井，即浮运就位后，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，通常可采用不带气筒的浮运沉井。

如图5-6所示，其主要由双壁的沉井底节、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的模板一部分。

钢气筒为沉井提供所需浮力，同时在悬浮下沉中可通过充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。

4. 组合式沉井当采用低桩承台出现围水挖基浇筑承台困难，而采用沉井则岩层倾斜较大或沉井范围内地基土软硬不均且水深较大时，可采用沉井－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，再在井内预留孔位钻孔灌注成桩。

该混合式沉井结构既可围水挡土，又可作为钻孔桩的护筒和桩基的承台。

§5-2 沉井的施工沉井基础施工一般可分为旱地施工、水中筑岛及浮运沉井三种。

施工前应详细了解场地的地质和水文条件。

水中施工应做好河流汛期、河床冲刷、通航及漂流物等的调查研究，充分利用枯水季节，制订出详细的施工计划及必要的措施，确保施工安全。

5-2-1 旱地沉井施工旱地沉井施工可分为就地制造、除土下沉、封底、充填井孔以及浇筑顶板等（图5-7），其一般工序如下：1. 清整场地要求施工场地平整干净。

若天然地面土质较硬，只需将地表杂物清净并整平，就可在其上制造沉井。

否则应换土或在基坑处铺填一不小于0.5m 厚夯实的砂或砂砾垫层，防止沉井在混凝土浇筑之初因地面沉降不均产生裂缝。

为减小下沉深度，也可挖一浅坑，在坑底制做沉井，但坑底应高出地下水面0.5～1.0m 。

2. 制做第一节沉井制造沉井前，应先在刃脚处对称铺满垫木（图5-8），以支承第一节沉井的重量，并按垫木定位立模板以绑扎钢筋。

垫木数量可按垫木底面压力不大于100kPa 计算，其布置应考虑抽垫方便。

垫木一般为枕木或方木（200×200mm ），其下垫一层厚约0.3m 的砂，垫木间间隙用砂填实（填到半高即可）。

然后在刃脚位置处放上刃脚角钢，竖立内模，绑扎钢筋，再立外模浇筑第一节沉井。