圆形沉井基础设计示例

圆形沉井基础设计示例

一、设计资料

某公路桥为预应力钢筋混凝土剪支梁桥，其2号墩为圆形实体墩，墩底设计高程为13.29m，基础拟采用钢筋混凝土沉井基础。

墩址处河床高程为15.30m，河流最低水位16.10m，施工时的水位17.00m。河床一般冲刷线高程为13.80m，局部冲刷线高程10.60m。墩址处各土层资料见表1.

表3.1 各土层主要参数表

层厚土层名称 细砂 砂土 风化页岩 重度内摩擦土与井壁的摩地基系数m和m0（kN/m4） 20000 40000 80000 承载力基本容许值（kPa） 200 300 350 （m） (kN/m3) 角（度） 阻力（kN/m2） 5.2 6.81 3.50 17.0 20.0 21.0 26.0 30.0 45.0 12.0 14.0 25.0 沉井材料为钢筋混凝土，除底节与顶盖混凝土等级为C20外，其余均为C15.沉井沉至设计高程后，以水下混凝土封底，井孔填以砂石，顶盖为厚1.5m的钢筋混凝土板。按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）、《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61—2004）及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）等设计计算。

二、初步设计 （1）沉井高度

根据墩底高程要求，沉井顶部高程为13.29m。

①按水文条件：局部冲刷深度h15.3010.604.70m，而根据规定大、中桥基础埋深应≥2.0m，故沉井所需高度为：

H4.726.70(m)

然而，若按此深度，沉井底部将位于砂土层内，而该层从其力学性能指标来看，并非理想地基持力层。

②按地质条件：因风化页岩及其底下的页岩力学性能好，故井底最好嵌入岩层中，这里将井底嵌入风化页岩0.5m，则

1

H13.293.290.510.5(m)

③按地基承载力，沉井底面位于风化页岩层为宜。

根据以上分析，拟采用沉井高度H=10.5m，沉井顶面标高13.29m，沉井底面高程为2.79m。按施工与构造要求，将沉井分为二节施工，第一节沉井高度为5.5m，第二节沉井高度为5.0m。

（2）沉井平面尺寸

考虑到桥墩形式，采用圆形沉井。底节直径5.0m，壁厚1.15m，第二节沉井直径4.9m，壁厚为1.10m。具体尺寸如图所示。

刃脚踏面宽度0.15m，刃脚高1.40m，则内侧倾角为：

arctan1.401.00.545

三.荷载计算

（1）上部结构传递的荷载

上部桥梁结构传递给墩底的荷载有多种组合，本算例中以低水位时两孔荷载作为验算对象。其中，双孔上部结构恒载、活载及墩身自重等产生的墩底竖向力

N10099.4kN，水平力H371.k6N，两者在墩底产生的总弯矩为

M7438.6kNm。其余荷载组合从略。

（2）沉井自重

沉井自重力为各组成部分自重力之和，按上述初步拟定的沉井几何尺寸对其各部分的体积和自重力计算如下。

①顶盖重

重度125.0kNm3

G1(3.7/41.5)25.016.1325.0403.3(kN)

2②封底混凝土重

设计封底混凝土厚度为：1.4+1.0+1.0+0.3=3.7m 重度223.0kNm3

G2(2.7422.33.12.72221.01.351.352.352.353221.4)23.0

30.4123.0699.4(kN)2

③填料重

填料高度为：10.5-3.7-1.5=5.3m C15混凝土重度323.0kNm3

G3(42.75.3)23.02

30.3523.0698.1(kN)3④刃脚和井壁重（刃脚与底节井壁重度取25.0kNm，其余两节为

23.0kNm）

3G4[[45.05.515.425.726(5.51.4)1.82]25.02244.95.016.135.726(5.01.5)]23.0

67.2825.058.1223.03018.8(kN)使用阶段沉井总重为：

GG1G2G3G4403.3699.4698.13018.8 4819.6(kN)使用阶段沉井的浮力

G4(5.05.54.95.0)10.02022.8(kN)

22故考虑浮力时沉井的自重力G为

GGG4819.62022.82796.8(kN)

四、沉井基础整体验算

使用阶段沉井已封底，加顶盖板。 沉井自局部冲刷线至井底的埋深

h10.602.797.81m5m

需考虑土的水平抗力作用，又因基底土层为风化页岩层，所以按非岩石类地基土的刚性深基础验算地基强度。

（1）基底应力验算

平行于水平力作用方向沉井宽度：D5.0(m)

3

垂直于水平力作用方向沉井的宽度：d=5m 底面积：A02.5219.(m2) 井底截面抵抗矩：

W0D32312.27(m)

3基础底面处竖向力标准值（包括基础自重）

N10099.42796.8126.2(kN)

局部冲刷线以上水平力总和：H371.6(kN) 局部冲刷线以上所有力对基底形心轴总弯矩

M7438.6371.610.511340.4(kNm)

所以水平力H作用高度λ

MH30.52(m)

沉井基础侧面的地基比例系数按规范规定的地基当量m值计算如下： 刚性深基础取，hmh7.31(m)

在hm范围内有二层土，因h1hm0.57.310.0680.2 故有：5(h1hm)50.0680.0234

22mm1(1)m239532(kNm)4

所以

Chmh395327.81308744.9(kNm)

3因h7.81m10m，故取

C010m08000010800000(kNm)3

故ChC0308744.98000000.39

基础计算宽度b1

4

因d5.0m1.0m，所以b1kkf(d1) 沉井相当于单根桩情况，故k1.0 圆形截面：kf0.9

所以b1kkf(d1)1.00.9(5.01)5.4(m) 所以Ab1h18DW02(3h)332.26m

2考虑轴向N和水平力H的作用，基底边缘处压应力计算如下：

pmaxminNA03DHA1099.6(kPa) 212.6(kPa)19.32.260.39126.23371.65.0井底地基土为风化页岩层，根据规范可按下式计算地基承载力容许值：

[fa][fa0]k11(b2)k22(h43)

由土层资料知：[fa0]350kPa

参照密实的碎石类土查表，得：k14,k26 又基础的最小宽度bD5.0m10m

一般冲刷线至基底的距离h413.802.7911.01m4d45.020.0m 土重度：持力层为透水性土，1、2取浮重度 基底持力层土的浮重度：121.010.011.0(kNm3)

基底以上土层的加权平均浮重度（由基底至一般冲刷线范围内）：

2(17.010.0)3.70(20.010.0)6.81(21.010.0)0.503.706.810.509.04(kNm)3

考虑地基承受作用短期效应组合，承载力可提高25%，即R1.25

R[fa]1.25[fa0]k11(b2)k22(h43) 1.25350411.0(5.02)69.04(11.013) 145.6kPaPmax1099.6kPa满足要求。

（2）土体横向抗力验算

5

沉井转动中心位置为：

Z0b1h(4h)6DW02b1h(3h)25.46(m)

两控制位置z=h/3和z=h处井侧水平压应力

Ph36HAhZ(Z0Z)zh36371.632.267.816371.67.813(5.467.813)66.6(kPa)Ph6HAh

Z(Z0Z)zh32.267.817.81(5.467.81)1.4(kPa)土体极限横向土抗力为：

修正系数11.0(上部结构静定)，21.0(因Mg0)

/3z=h/3时，h

7.00.510.0(7.81/30.5)7.81/3(kNm)，30，C0

3则

[Ph3]121.01.04cosh4cos303(3hh3tanh3C)tan3010.07.81369.4kPa66.6kPa

7.819.9(kNm)，45，C0

z=h时，h7.00.510.06.8111.00.53[Ph]124cosh4htanhC)(h9.97.81tan45

1.01.0cos45437.4kPa1.4kPa均满足要求，因此计算时可以考虑沉井侧面的弹性抗力。

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