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1、沉井计算实例某公路独塔斜拉桥桥塔基础,基础平、立、剖面尺寸见图9-40,采用挖土下沉施工。9.5.1设计资料1.混凝土:底节沉井采用C25;其它各节采用C20;封底采用C25;盖板采用C25。2.混凝土的设计强与参数:混凝土的设计强度与参数见表9-5。3.钢材:A3钢筋: Rg=240MPa;A3钢板:dw=145MPa, t=85MPa 混凝土的设计强度(MPa)与参数 表9-5应力种类符号混凝土标号2025轴心抗压Ra11.014.5抗拉Re1.31.55直接抗剪0.951.2粘结应力C0.91.1弹性模量比N1010 图9-40 沉井外形图及地质剖面9.5.2决定沉井高度及各部分尺寸1.
2、沉井高度根据冲刷计算和最低水位要求,以及按地基土质条件、地基承载力要求沉井底面位于弱风化基岩层一定深度为宜,故定出沉井顶面标高为173.7m,沉井底面标高为162.2m,亦即沉井所需的高度H为H=183.7-162.2=21.5 m考虑到施工期间的水位情况,底节沉井高度不宜太小,所以底节沉井高取为6.0m,第一节顶节高度取决于上部结构的重量,与顶盖高度及牛腿受力要求有关,所以顶节沉井高取为5.5m;其余两节均分剩下的高度,即每节高为5.0m。2.沉井平面尺寸考虑到桥塔墩形式,采用两端半圆形中间为矩形的沉井,圆端的外半径为5.2m,矩形长度为16.0m,宽度为10.0m。井壁厚度顶节取0.6m,
3、第二节厚度为1.4m,第三节厚度为1.5m,底节厚度为1.6m,其它尺寸详见图9-40。刃脚踏 面宽度采用0.1m,刃脚高度为1.99m,刃脚内侧倾角为:,q=525913.7445。9.5.3沉降系数计算1. 沉井自重计算(1).第一节沉井自重砼重度 =25 kN/m3体积 V1=(52-4.42)p+(1610-168.8)3.5+(1+1.5)/20.7+1.32.0(162+23.7p)+20.87.42+0.52/282=129.2+192.0+25.68=346.9 m3自重 Q1=346.925=8673 kN(2).第二节沉井自重砼重度 =25 kN/m3体积 V2=(5.12
4、-3.72)p+1610.2-(3.62+7.2)7.4+85.0=(38.7+57.6) 5.0=481.5 m3自重 Q2=481.525=12037.5 kN(3). 第三节沉井自重砼重度 =25 kN/m3体积 V3=(5.22-3.72)p+(1610.4)-(3.62+7.2)7.4+0.52/285.0=41.9+60.85.0=513.5 m3自重 Q3=513.525=12837.5 kN(4).底节沉井自重砼重度 =25 kN/m3体积 V4=(5.32-3.72)p+(1610.6)-(3.62+7.2)7.4+0.52/286.0=45.2+64.046.0=655.4
5、 m3自重 Q4=655.425=16385.0 kN沉井自重:Q=8673+12037.5+12837.5+16385=49933 kN(5).盖板:砼容重 =25 kN/m3体积 V5=(5-0.6)2p+16(10-1.2)3.5=705.7 m3自重 Q5=705.725=17642.5 kN(6). 封底:砼容重 =24 kN/m3体积 V6=3.72p+(3.62+7.2)7.4-0.52/284.5=148.64.5=668.6 m3自重 Q6=668.624=16046.4 kNQ =8673+12037.5+12837.5+16385.0+17642.5+16046.4=83
6、621.9 kN2.浮力计算(按一半计算)Q=(346.9+481.5+513.5+655.4)/210=9986.5 kN3. 沉降系数计算=(18+30)/2=24,设计取22.5=21.5m=2r+162 =64.7 m=22.521.564.7=31299.0 kN=9.5.4地基应力计算1.垂直力(1).沉井重(包括封底、盖板)Q=83621.9 kN(2). 井内填充=20 kN/m3Q =3.72p+(3.62+7.2)7.412.520=1869.6m320=37392 kN(3).墩身Q=16905 kN(4).上部结构:恒+汽+附 N1=164745.08 kN恒+地 N2
7、=155608.01 kN(5)沉井底总垂直力N1=164745.08+16905+37392.0+83621.9=302663.98 kNN2=155608.01+16905+37392+83621.9=293526.91 kN2.沉井底弯矩总弯矩 M1=130557.99 M2=227271.75 3.地基应力(1).地震力情况A=5.32 p+1610.6=257.8m2(2). 正常组合 (3). 施工阶段9.5.5封底砼计算1.基底应力作为作用封底砼上的竖向反力=1957.5 kPa2. 孔内填充物的重量(包括封底砼重)孔内填充物 2 0 kN/m3=1420+4.524=280+1
8、08=388 kPa3. 封底砼底面所受净竖向反力=1569.5 kPa4. 按周边简支双向板计算:计算跨径8.97.6m(见9-41)图9-41 周边简支双向板图9-42 封底砼按受剪计算 ,当m=0时=0.05061569.57.62=4587.1 kNm=0.03481569.57.62=3154.8 kNm时Mx(m)=Mx+mMy=4587.1+1/63154.8=5112.9 kNmMy(m)=My +mMx=3154.8+1/64587.1=3919.3 kNm5. 封底砼顶面的拉应力6.封底砼按受剪计算(见图9-42)smax=1957.5 kPasmin=319.5kPaP1
9、=P2=388.0 kPa作用在井孔范围内的封底砼的竖向反力:P=P1-P2=1138.5-388=750.5 kPa井孔范围内封底砼底面积A=7.47.2=53.28 井孔内1.99m范围内封底砼底面积A=(7.4+7.2)1.99=28.108 剪应力:9.5.6沉井盖板计算1.顶盖按单向连续板计算(见图9-43)Q盖板=17642.5 kN图9-43顶盖按连续板计算图式 Q上部恒载=164745.08 kN(2). 板内弯矩. 在q1作用下a. 边跨中()当m=0时,Mx=0.0340,My=0.0249,Mxmax=0.0340928.02=200.2 Mymax=0.0249928.
10、02=146.6 =-0.0839928.02= -494.0 当时b. 中间跨()当m=0时Mx=0.0285,My=0.0158,Mxmax=0.02859282=168.0 Mymax=0.01589282=93.0 9282=-411.0 当时168+1/693=184.0 93+1/6168=121.0 支点力矩:Ma=板内拉应力:支点截面:(2)在q2作用下:a.边跨中 当m=0时Mx=0.0644,My=0.0748Mxmax=0.06441681.16.34.0=2728.2Mymax=0.07481681.16.34.0=3168.8当时 板内弯矩组合:Mx=225+2728
11、=2953 My=180+3169=3349 板内应力:支点弯矩:M支x=M支y=(3). 配筋计算(略)3.沉井盖板按深梁计算(1).深梁纵向受拉钢筋:a. 支点: Z=0.2(1.5h+L)=0.2(1.53.5+8.0)=2.65 m选10F28 Ag=61.53cm2选11F28 Ag=67.7cm2b. 跨中选11F22 Ag=41.8cm2选10F25 Ag=49.09cm2(2).剪力计算: =9.5.7底节沉井纵向破裂计算1. 截面特性计算(见图9-44) 截面积:0.11.99+1.51.990.5+1.64.01=0.199+1.493+6.416=8.108m2截面重心轴
12、位置: 图9-44 底节沉井截面特性计算 图9-45底节沉井排水下沉时的计算截面(单位:cm)截面惯性矩I2. 底节沉井井壁沿周长每米宽荷载3. 底节沉井抽除支承垫木或按排水下沉时的计算(见图9-45)所以,两支点间按 0.63L=0.6326.6=16.758m(1). 每对支点反力R刃脚部分:截面重心至外壁的距离:=2p(1.6+3.7-0.535)+1621.69225=61.941.69225=2620.1 kN井壁A2=1.64.01=6.416m2n2=2p(3.7+0.8)+1626.41625=60.276.41625=9667.3kN隔墙:A3=(0.87.4+0.424/2
13、2=12.48m2n3=12.48(6.0-0.5)25=1716.0kN(2). 每对支点截面上的力矩M0a=90-4.1=85.9 或 a=1.499 rad园弧重心至支承点联线的垂直距离支点截面砼的拉应力:(3). 跨中力矩M 跨中截面砼的拉应力: (4).支点截面剪应力: 4. 按不排水下沉时检算(1).支承于短边的两端点(见图9-46)支点反力 R=7001.7 kN跨中弯矩:跨中截面砼拉应力 图9-46 底节沉井不排水下沉时支承于短边的两端点 图9-47 底节沉井不排水下沉时支承于长边的中点(2). 支承于长边的中点(见图9-47) 支点截面砼力矩:支点截面砼的拉应力:=32599
14、.5.8沉井各部分内力计算1. 沉井外力计算(见图9-48)(1). 沉井沉至中途计算(排水)土深hE=13m 水深hW=11.4m 水面上土厚刃脚入土深h1=1.0m 沉井总高度21.5ma. 土压力、水压力计算: =191.6=8.4 kN/m=图9-48 沉井外力计算 (2). 沉井每米宽自重沉井自重 Q=16385+12837.5+12037.5 =4126 kN=684.5 kN/m(3). 单位周长内井壁平均土压力E0=6.72+490.2 =496.9 kN/m(4). 井壁摩擦力计算T0= 取最小值0.5E0=0.5496.9=248.5 kN/m f=(18+30)/2=24
15、KN/m2 fA0=242p(3.7+0.8)+162=2460.27=1446.5KN/m 故 T。=0.5E。=248.5 kN/m(5). 刃脚部分土压力及水压力计算(6). PE+W作用点距刃脚踏面距离y=0.661.45 =0.959 m(7). 刃脚部分摩擦力计算T1=取最小值0.5E=71.2 kN/m故取 (8). 水平力分配系数a=1.861.0 取a=1.0(9). 浮力Q计算Q=1.66.0+1.5(13-6.0-0.5)-1/21.5210 =96+97.5-15 =178.5 kN/m 取H/2的浮力(考虑井内水位为井深的一半计)即:=89.25 (10).刃脚下土的
16、竖向反力R=684.5-89.25-248.5 =346.75 b=0.754m V2=274.1 V1=R-V2 =346.75-274.1 =72.7 (11). R的作用点距井壁外侧距离= =0.288 m(12). 土的水平反力a=() =1.327 =53 b=32.3(13). 刃脚自重:G=(0.11.99+1.51.99/2)25=42.3扣除浮力后G=42.3-(0.11.99+1.51.99/2)10=25.4 2. 刃脚(悬)悬根部断面内力计算 内力计算表水平力kN/m垂直力kN/m力 臂 (m)力 矩(土与水压力aPE+W 145 h-y=1.99-0.959=1.03
17、1149.5土的水平反力H103.6171.7土的竖向反力R 346.75 177.5刃脚部分摩擦力T147.838.24刃脚部分自重g-25.4-6.73合 计248.6369.15530.17注:=0.535 m符号说明: 水平力 垂直力力矩+(内壁受拉)(外壁受拉)3.沉井沉至设计标高(排水)土深 水深 水面上土厚刃脚入土深(刃脚已挖空) 沉井总高度:21.5m(1). 土压力、水压力计算 =(2).每米宽沉井自重: (3).单位周长井壁平均土压力 (4).刃脚部分土压力及水压力计算:(5).作用点距刃脚踏面距离: (6).刃脚部分摩擦力计算:T1=取最小值 (7).水平力分配系数 取1.0=(8)刃脚自重4.刃脚根部内力计算水平力kN/m垂直力kN/m力 臂(m)力 矩土与水压力 PE+W-326.1hy=1.009329.0刃脚部分摩擦力T147.838.24刃脚自重G-42.3-11.21合 计-326.15.5356.03注:符号说明同前5.沉井各部分水平内力计算(沉井沉至设计标高,刃脚下土已挖空):(略)6.沉井各部分配筋计算(略)9.5.9 沉井嵌固深度验算 图9-49 沉井嵌固深度验算1.基础转角 故 2.处基础截面上的弯矩 3.处基础侧面水平压应力 4.基础底的竖直压应力 5.基础嵌固处后侧水平阻力: 6.沉井顶面水平位移 当1.6时, 7.基础底应力验算
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