沉井设计实例

某公路桥墩基础,上部结构为等跨等截面悬链线双曲拱桥,下部结构为重力式墩及圆端形沉井基础.基础平面及剖面尺寸如图5．27所示,浮运法施工(浮运方法及浮运稳定性验算从略).

图5．27 圆端形沉井实例的构造及地质剖面

5．6．1 设计资料

土质及水位情况如图5．26所示,传给沉井的恒载及活载见表5．3.

沉井混凝土强度等级为C20,钢筋采用HRB335级.按《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63—2007)设计计算.

5．6．2 沉井高度及各部分尺寸

(1)沉井高度H.按水文计算,最大冲刷深度hm＝90．40－86．77＝3．63(m),大、中桥基础埋深应≥2．0m,故

H＝(91．7－90．4)＋3．63＋2．0＝6．93(m)

但沉井底较接近于细砂砾石夹淤泥层.

按土质条件,井底应进入密实的砂卵石层,并考虑2．0m的安全度,则

H＝91．7－81．58＝10．12(m)

按地基承载力,沉井底面位于密实的砂卵石层为宜.

据以上分析,拟取沉井高度H＝10m,井顶标高91．700m,井底标高81．700m.因潮水位高,第一节沉井高度不宜太小,故取8．5m,第二节高1．5m,第一节井顶标高90．200m.

(2)沉井平面尺寸.考虑到桥墩形式,采用两端半圆形中间为矩形的沉井.圆端外半径2．9m,矩形长边6．6m,宽5．8m,第一节井壁厚t＝1．1m,第二节厚度为0．55m.隔墙厚度δ＝0．8m.其他尺寸如图5．28所示.

刃脚踏面宽度a＝0．15m,刃脚高hk＝1．0m(图5．28),内侧倾角为

图5．28 刃脚断面尺寸设计

5．6．3 荷载计算

荷载自重计算见表5．2,各力汇总于表5．3.

表5．2 沉井自重计算汇总

表5．3 各力汇总表

5．6．4 基底应力验算

沉井井底埋深为:

h＝86．77－81．7＝5．07(m)

井宽为:

d＝5．8(m)

井底面积为:

A0＝3．1416×(2．9)2＋6．6×5．8＝64．7(m2)

井底抵抗矩为:

竖向荷载为:

N＝∑P＝34857．6(k N)

水平荷载为:

∑H＝890．1(k N)

弯矩为:

∑M＝15954．46(k Nm)

又因h＜10m,故取C0＝10m0

即β＝Ch/C0＝mh/10m0＝0．5,b1＝(1－0．1a/b)(b＋1)＝12．77(m),λ＝M/h＝17．92m,故

井底地基土为中等密实砂、卵石类土层,可取[fa0]＝600k Pa,k1＝4,k2＝6,土重度γ1＝γ2＝12．00k N/m3(考虑浮力后的近似值),考虑地基承受作用短期效应组合,承载力可提高25％,即r R＝1．25,从而有

r R[fa]＝1．25×{[fa0]＋k1γ1(b－2)＋k2γ2(h－3)}

＝1．25{600＋4×12．0×(5．8－2)＋6×12．0×(5．07－3)}

＝1164．30(k Pa)＞764．16k Pa

满足要求.

5．6．5 基础侧向水平压应力验算

井身转动中心A与地面的距离为:

则基础侧向水平压力为:

土体抗剪强度指标φ＝40°,c＝0,系数η1＝0．7,η2＝1．0(因Mg＝0),则土体极限横向抗力计算如下.

当z＝时:

当z＝h时:

均满足要求,因此计算时可以考虑沉井侧面土的弹性抗力.

5．6．6 沉井自重下沉验算

沉井自重:

G＝刃脚重＋底节沉井重＋底节隔墙重＋顶节沉井重

＝454．50＋5652．64＋593．39＋568．40＝7268．93(k N)

沉井浮力:

G′＝(18．18＋230．72＋24．22＋23．22)×10．00＝2963．40(k N)

土与井壁间单位面积摩阻力强度为:

总摩阻力为:

T＝[(π×5．3＋2×6．6)×0．2＋(π×5．8＋2×6．6)×8．5]×17．89

＝4883．44(k N)

排水下沉时G＞T;不排水下沉时,预估井底围堰重(高出潮水位)600k N,则:

沉井自重稍大于摩阻力.当施工中下沉困难时,可以采取排水下沉或压重等措施.

5．6．7 刃脚受力验算

(1)刃脚向外挠曲.经试算分析,最不利位置为刃脚下沉到标高90．400－8．7＋4．35＝86．050(m)处,刃脚切入土中1m,第二节沉井已接上,如图5．29所示,其悬臂作用分配系数为

图5．29 刃脚外挠验算

取α＝1．0.刃脚侧土为砂卵石层,τ＝18．00k Pa,φ＝40°,则:

①作用于刃脚上的力(按低水位取单位宽度计算):

w2＝(91．8－87．05)×10＝47．50(k N/m)

w3＝(91．8－86．05)×10＝57．50(k N/m)

e2＝12．0×(90．4－87．05)×tan2(45°－40°/2)＝8．7(k N/m)

e3＝12．0×(90．4－86．05)×tan2(45°－40°/2)＝11．35(k N/m)

若从安全考虑,刃脚外侧水压力取50％,则

若以静水压力的70％计算,则

0．7γwhh K＝0．7×10．00×5．25×1＝36．75(k N)＞pe＋w

故取pe＋w＝36．28k N.

刃脚摩阻力为:

或

T1＝τh K×1＝18．00k N

因此取刃脚摩阻力为5k N(取小值).

单位宽度沉井自重(不计沉井浮力及隔墙自重)为:

刃脚踏面竖向反力为:

刃脚斜面横向力(取δ2＝φ＝40°)为:

井壁自重q的作用点至刃脚跟部中心轴的距离为:

刃脚踏面下反力合力:

刃脚斜面上反力合力:

RV2＝RV－0．24RV＝0．76RV

RV的作用点与井壁外侧的距离为:

②各力对刃脚根部界面中心的弯矩(图5．30)

水平水压力及土压力引起的弯矩:

图5．30 刃脚外挠弯矩分析

刃脚侧面摩阻力引起的弯矩:

反力RV引起的弯矩:

刃脚斜面水平反力引起的弯矩:

MRH＝19．44×(1－0．33)＝13．02(k Nm)

刃脚自重引起的弯矩:

Mg＝0．625×1×25．00×0．178＝2．78(k Nm)

故总弯矩为:

M0＝∑M

＝13．02＋38．36＋2．75－18．78－2．78

＝32．57(k Nm)

③刃脚根部处的应力验算

刃脚根部轴力:

N0＝225．67－0．625×25．00＝210．05(k N)

面积A＝1．1m2,抵抗矩W＝0．2m3,故:

因压应力远小于fcd＝7820k Pa[由C20混凝土查《公路圬工桥涵设计规范》(JTGD61—2005)得到其轴心抗压强度fcd＝7820k Pa,弯曲抗拉强度ftmd及直接抗剪强度fvd],按受力条件不需设置钢筋,而只需按构造要求配筋即可.至于水平剪力,因其较小,验算时未予考虑.

(2)刃脚向内挠曲(图5．31).

图5．31 刃脚内挠验算

①作用于刃脚的力.目前可求得作用于刃脚外侧的土、水压力(按潮水位计算)为:w2＝138．60k N/m,w3＝148．60k N/m,e2＝20．10k N/m,e3＝22．60k N/m.

故总土、水压力为P＝164．95k N.

Pe＋w对刃脚根部形心轴的弯矩为:

刃脚摩阻力为T＝10．68k N(τh K＝20．00k N＞10．68k N),其产生的弯矩为:

MT＝－10．68×0．55＝－5．87(k Nm)

刃脚自重g＝0．625×25．00＝15．63,所引起的弯矩为:

Mg＝15．63×0．178＝2．78(k Nm)

所有各力对刃脚根部的弯矩M、轴向力N及剪力Q为:

M＝Me＋w＋MT＋Mg＝83．52－5．87＋2．78

＝80．43(k Nm)

N＝T－g＝10．68－15．63＝－4．95(k N)

Q＝P＝164．95(k N)

②刃脚根部截面应力验算.弯曲应力:

剪应力:

计算结果表明,刃脚外侧也仅需按构造要求配筋.

(3)刃脚框架计算.由于α＝1．0,刃脚作为水平框架承受的水平力很小,故不需验算,可按构造布置钢筋.如需验算,则与井壁水平框架计算方法相同.

5．6．8 井壁受力验算

(1)沉井井壁竖向拉力验算.

Smax＝(Q1＋Q2＋Q3＋Q4)＝1817．23(k N)(未考虑浮力)

井壁受拉面积为:

A1＝×[(5．8)2－(3．6)2]＋6．6×5．8－2．9×3．6×2

＝33．64(m2)

混凝土所受到的拉应力为:

井壁内可按构造布置竖向钢筋,实际上根据土质情况井壁不可能产生大的拉应力.

(2)井壁横向受力计算.沉井沉至设计标高时,刃脚根部以上一段井壁承受的外力最大,它不仅承受本身范围内的水平力,还要承受刃脚作为悬臂传来的剪力,故处于最不利状态.

考虑潮水位时,单位宽度井壁上的水压力(图5．32)为w1＝127．60k N/m2,w2＝138．60k N/m2,w3＝148．60k N/m2.

图5．32 井壁横向受力验算

单位宽度井壁上的土压力为:

e1＝17．19k Pa,e2＝20．10k Pa,e3＝22．60k Pa

刃脚及刃脚根部以上1．1m单位宽度井壁范围内的外力:

P＝0．5×(17．19＋22．60×1．0＋127．60＋148．6k Pa×1)×2．1

＝331．79(k N/m)(α＝1)

沉井各部分所受内力可按一般结构力学方法求得(计算从略),井壁最不利受力位置在隔墙处,其弯矩M1＝－744．30k Nm,轴向力N2＝779．71k N.按纯混凝土的应力验算,则

必须配置钢筋,具体计算可套用规范公式进行,受拉钢筋总截面面积为Ag＝3106mm2,若取9B22,Ag＝3421mm2,受压钢筋不需设置,按构造布置7A12,A′g＝791mm2.

底节沉井竖向挠曲、封底混凝土及盖板验算从略.

思考题

1．什么是沉井基础?在什么情况下考虑使用沉井基础?

2．简述沉井基础按立面的分类以及各自的特点.

3．沉井基础的主要构造有哪些?各部分有哪些作用?

4．简述旱地上沉井基础的施工程序.

5．沉井基础设计计算的内容有哪些?

6．简述应用泥浆润滑套和空气幕下沉沉井的特点和作用.