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1、1 课程设计计算书 一、方案比选 本工程是某公路桥墩， 上部结构及桥墩的自重较大，埋置深度深， 采用沉井 基础，整体性强、稳定性好，有较大的承载面积，能承受较大的垂直荷载和水平 荷载。而且与其它的深基础相比，更加经济，故必选好，采用沉井基础作为该工 程的基础的方案。 二、持力层选择 1、根据工程地质资料选择持力层 由资料可知：沉井结构高H=10.5m，沉井高出地面 500mm ，故沉井埋置深 度为 10m。由工程地质条件资料知，持力层为灰色粘土，刃脚底部深入灰色粘 土层深度为 5.5m。 2、确定沉井基础的尺寸和埋置深度 2 3 沉井高度 H=10.5m,埋置深度 h=10m。沉井内径 d=6
2、.0m，外径1 6.6Dm， 井壁厚 t=300mm ，刃脚踏面宽度 a=150mm，底板厚度 1 400tmm；刃脚部分井 壁厚度为2500tmm，增厚处井壁高度为11756Hmm，增厚处井壁外径 2 7.0Dm,刃脚高度400hmm 刃脚内侧面倾角 1400 tan48.845 500150 三、荷载计算 1、上部结构荷载 上部结构恒载及墩身自重15000kN ，对沉井底面形心轴的力臂为0.5m； 水平活荷载 510kN ，制动力 75kN ，对沉井地面形心轴的力臂为18.5m。 4 2、沉井自重 （1）刃脚 钢筋混凝土重度 : 3 25/KNm 刃脚截面面积 : 2 1 1 0.150.
3、50.40.13 2 Am 形心到井壁外侧的距离为： 1 1111 0.15 0.40.150.35 0.40.350.15 2230.13 x 5 0.178m 刃脚体积： 3 1 23.5 0.1780.132.71Vm 刃脚自重力： 1 2.71 2567.75GkN （2）增厚沉井井壁 体积： 223 2 761.7560.413.84 4 Vm 自重力： 2 13.84 25346GkN （3）未增厚处沉井井壁： 体积： 2222 3 6.6610.51.7560.41.56.66.30.41.5 44 V 3 4 6 . 4 1m 自重力：3 46.41 251160.25GkN
4、（4）封底混凝土： 体积： 2222 4 0.43.353.3533626.30.4 344 V 3 8 1 . 7 0m 自重力：4 81.7252042.5GkN （5）盖板： 体积： 23 5 6.31.546.76 4 Vm 自重：5 46.76 251169GkN 6 （6）井孔填土 体积： 23 6 610.50.40.421.5175.30 4 Vm 自重： 6 175.3 183155.41GkN 则沉井自重： 123456 7940.91GGGGGGGkN （7）枯水期沉井浮力 体积： 223 7 71.7566.610.50.54.51.756195.67 44 Vm 自重
5、： 7 195.67 101956.7GkN 沉井自重计算汇总 沉井部位重度 /kNm 体积 3 m 自重 kN 形心到井外壁距离 m 刃脚 1 G 25 2.71 67.75 0.13 增厚沉井井壁 2 G 25 13.84 346 未增厚沉井井壁 3 G 25 46.41 1160.25 封底混凝土 4 G 25 81.70 2042.5 盖板 5 G 25 46.76 1169 井孔填土 6 G 18 175.30 3155.41 7 枯水期浮力 7 G 10 195.67 -1956.7 沉井自重 i G (不包括浮力 )7940.91 各力汇总 力的名称 大小/ kN 对沉井地面形心
6、轴 的力臂 /m 弯矩/ kN m 上部结构恒载及墩 身 1 15000P 0.5 7500 沉井自重 沉井浮力 7940.91G 1956.7G 竖向荷载合计 20984.21P 7500 水平荷载 510 g H 18.5 9435 制动力 75 T H 18.5 1387.5 水平荷载合计 585H 10822.5 总计18322.5 四、沉井基础承载力计算 根据上部结构荷载及地基条件，进行基底承载力验算、横向抗力验算 1、基底承载力验算 沉井自最高水位至井底的埋置深度为: 100.59.5hm 基底宽度： 7.0dm 基础底面积： 22 0 738.48 4 Am 8 基底的截面模量：
7、 33 733.67 32 Wm 竖向总荷载： 150007940.911956.720984.21NkN 水平总荷载：51075585HkN 总的弯矩：150000.5585 18.518322.5MkN m 基础的计算宽度：已知11fbkkd，1.0d，且1k， 0.9 f k 故1 0.97.0 17.2bm ),5 .9,10,10(95.0 000 0 mmmhmhCmCmh C C h h 取 1 8 3 2 2 . 5 / 5 8 53 1 . 3 2 M m H 2 33 1 98.62 )5. 932.313(95.02 0.767.33185. 995.02. 7 )3(2
8、 18 m h Wdhb A 当有竖向荷载 N 及水平力 H 同时作用时，基底边缘处的压应力为： max min 0 320984.2135857.0 545.33205.328 38.4862.980.95 NHd AA 750.66 340.00 kPa kPa 计算地基容许承载力： 01122 (2)(3) aa ffkbkh 由地质资料知：基底土为灰色粘土， 0 360 a fkPa，5 .2,0 21 kk 若持力层在水面以下，粘土不透水，一律采取饱和重度 3 2 18.00.518.82.517.51.5+16.85.5 =17.47/ 10 kNm 9 地基容许承载力的抵抗系数
9、1.25 R 1122 1.2523 Raa ffkbkh 1 . 2 53 6 02 . 51 7 . 4 71 03 8 3 2 . 1 67 5 0 . 6 6k P ak P a 故满足地基承载力要求。 2、土体横向抗力验算 地面下 Z 深度处井壁承受的侧土横向抗力为： 0 6 z H Pz zz Ah 2 1 0 1 46 23 b hhdW Z b hh 2 0 . 9 57 . 29 . 543 1 . 3 29 . 567 . 03 3 . 6 7 20 . 9 57 . 29 . 533 1 . 3 29 . 5 6.64m 根据经验可知，通常最大水平压应力出现的位置大致在
10、3 h z 和zh处， 当 9.5 33 h z时， 3 6 5859.59.5 6.6464.53 62.989.533 h PkPa 当9.5zh时， 6 585 9.56.649.5159.39 62.989.5 h PkPa 根据地质资料，取土体的平均重度与平均抗剪强度指标为： 平均重度： 3 2 18.00.518.82.517.51.5+16.85.5 =17.47/ 10 kNm 平均内摩擦角： 14.82.521.78 1.510.75.5 13.53 9.5 10 平均粘聚力： 242.5131.5105.5 14.16 9.5 ckPa 修正系数： 1 1.0（上部结构静定
11、）， 2 1.0（因0 g m ） 代入数据求得土体极限横向抗力： 当 9.5 33 h z 时，12 3 4 tan cos3 h x h Pc 41 7 . 4 49 . 5 1 . 01 . 0t a n 1 3 . 5 31 4 . 1 6 c o s 1 3 . 5 33 1 1 2 . 8 16 4 . 5 3k P ak P a 当9.5zh时，12 4 tan cos hx Phc 4 1 . 01 . 01 7 . 4 49 . 5t a n 1 3 . 5 31 4 . 1 6 c o s 1 3 . 5 3 2 2 2 . 2 81 5 9 . 3 9k P ak P a
12、 均满足要求，因此计算时需要考虑基础侧面土体弹性抗力的影响。 五、沉井施工过程及强度验算 沉井自重下沉验算 施工过程中。沉井自重为井壁和刃脚： 123 6 7. 7 53 4 61 1 6 0. 2 51 5 7 4GGGG kN 土与井壁间平均单位摩阻力，取加权平均值： 2 160.5242.522 1.5205.5 21.1/ 10 m TkNm 井壁总摩阻力：kNT8.8141.21)756.10 .7(1416.3 11 下沉系数： 1574 1.93 814.81 K满足要求 刃脚受力验算 1 刃脚向外挠曲 刃脚向外挠曲最不利的情况为沉井下沉途中，刃脚切入土中0.4m 刃脚悬臂作用的
13、分配系数： 0. 10. 2 0. 605.05 .0 0.61. 0 05.0 1. 0 4 4 4 4 Lh L k 取0 .1 (1) 计算各个力值 (按施工水位，取枯水位期，取单位宽度计算) 土压力和水压力 由朗肯土压力主动土压力公式（粘土）： 200 tan (45)2 tan(45) 22 ehc 已知： 202010.7 tan (45)tan (45)0.687 22 ， 12 00 10.7 tan(45)tan(45)0.829 22 土压力： 2 18 0.518.8 2.5 17.5 1.56.8 5.10.6872 100.829e 6 3 . 7 5/k Nm 3
14、1 80. 51 8. 82. 51 7. 51. 56. 85. 50. 6 8 721 00. 8e 6 5 . 6 2/k Nm 水压力： 2 10.05.5 0.451/wkN m 3 1 0 . 05 . 55 5/wk Nm 从安全考虑，刃脚外侧土压力和水压力的合力不得大于静水压力的70%， 否则按静水压力的70%计算。 222 51 63.75114.75/0.735.7/ewkN mwkNm 333 5565.62120.62/0.738.5/ewkNmwkNm 取： 2 35.7/PkNm， 3 38.5/PkNm 土压力和水压力的合力： 23 11 ()(35.738.5)
15、0.414.84 22 k PPP hkN 距刃脚底部的力臂： 32 32 2 1138.52 35.7 0.40.2 3338.535.7 ee k ee PP chm PP 土对刃脚的摩阻力 kk Tq h 和0.5TE 取两者中的较小者。 土对整个井壁的摩阻力：21.1 1.75637.05 kk Tq hkN 1 0.50.557.4265.621.75654.01 2 TEkN 取两者中的较小值为 : 37.05TkN 13 此外，土堆刃脚部分井壁的摩阻力： 1 2 00 . 48 kk Tq hkN 1 1 0 . 50 . 56 3 . 7 56 5 . 6 20 . 41 2
16、. 9 4 2 TEk N 取两者中的较小值为： 1 8TkN 刃脚的反力计算 单位宽刃脚自重力：0.13253.25gkN 形心至井壁外侧的距离： 1 1111 0 . 1 50 . 40 . 1 50 . 3 50 . 40 . 3 50 . 1 50 . 1 7 8 2230 . 1 3 xm 单位宽沉井自重为： 0 . 51 . 7 5 60 . 41 0 . 51 . 7 5 60 . 11 . 50 . 30 . 41 . 50 . 15Gg 7 8 . 6 6kN 刃脚踏面竖向反力：78.6637.0541.61RGTkN 刃脚斜面横向力为：)tan( 2 )tan( 2 21
17、2 22 ba Rb VH 式中 2取为土的内摩擦角，2 10.7 ， 0.4 tan48.8 0.50.15 故： 0 . 3 54 1 . 6 1 t a n ( 4 8 . 81 0 . 7 )1 7 . 5 7 20 . 1 50 . 3 5 Hk N 井壁自重 q的作用点至刃脚根部中心轴距为： 22 2 0.50.15 0.520.15 0.072 6(0.50.15) xm 14 刃脚踏面下反力合力：RRR ba a V46.0 35.0215.0 215.0 2 2 11 1 1 刃脚斜面上反力合力：RRRV54.046.0 2 R的作用点距离井壁外侧为： 1 31212 111
18、0 . 1 50 . 3 5 ()0 . 4 60 . 5 4( 0 . 1 5)0 . 1 8 2323 a xVVabRRm RR （2）各力对刃脚根部截面中心的弯矩计算 刃脚斜面水平反力引起的弯矩为： 1 7 . 5 70 . 4 ( 10 . 3 3 )4 . H Mk Nm 水平土压力引起的弯矩为： 0. 41 4. 8 40. 40. 22. 9 7 P MPck N m 反力 R引起的弯矩为： 3 0 . 5 4 1 . 6 1(0 . 1 8 )2 . 9 1 22 R MRxkN m 刃脚侧面摩阻力引起的弯矩为： 0 . 5 82 22 T MTkN m 刃脚自重引起的弯矩为
19、： 2 3. 2 50. 0 7 20. 2 3 g Mgxk Nm 总弯矩： 0HRTPg MMMMMMM 4 . 7 12 . 9 122 . 9 70 . 2 36k Nm （3）刃脚根部处的应力验算 W M F N h 00 式中： 0 4 1 . 6 13 . 2 53 8 . 3 6NRgk N 2 0 . 50 . 40 . 2Fm 22 1 0.40.50.02 6 Wm 15 5 1 2 . 83 8 . 3 66 . 4 2 1 9 1 . 83 2 19 7 8 0 1 2 9 . 20 . 20 . 0 2 hc d k P a fk P a k P a 由于水平剪力很
20、小，验算时未考虑。 按受力条件不需设钢筋，可按构造要求配筋,配20010的钢筋。 2 刃脚向内挠曲 计算刃脚向内挠曲， 最不利情况是沉井下沉到设计到高程，刃脚下的土已被 挖空。 计算各个力值 水压力和本土压力按最高水位计算 200 tan (45)2 tan(45) 22 ehc 已知： 2020 10.7 tan (45)tan (45)0.687 22 00 10.7 tan(45)tan(45)0.829 22 故： 2 18 0.58.8 2.57.5 1.56.8 5.10.6872 10 0.829e 36.27/kNm 16 3 18 0.58.8 2.57.5 1.56.8 5
21、.50.6872 10 0.829e 38.14/kNm 2 10 (0.4)91/hkN m 3 1095/hkN m 土压力： 22 9136.27127.27/ekN m 33 9538.14133.14/ekNm 土压力和水压力的合力： 1 (127.27133.14)0.452.08 2 pkN 距刃脚底部的力臂： 32 32 2 11133.142 127.27 0.40.2 33133.14 127.27 ee k ee PP chm PP p 对刃脚根部形心轴的弯矩为： 52.080.40.210.42 p MkN m 刃脚摩阻力 kk Tq h 和0.5TE取两者中的较小值
22、1 2 00. 48 kk Tt hkN 1 1 0 . 50 . 53 6 . 2 73 8 . 1 40 . 47 . 4 4 2 TEk N 取用 1 7.44TkN 摩阻力产生的弯矩： 0.5 7.441.86 2 2 T MTkN m 刃脚自重力 单位宽刃脚自重力：0.13253.25gkN 形心至井壁外侧的距离： 1 1111 0.15 0.40.150.35 0.40.350.150.18 2230.13 xm 17 刃脚自重力引起的弯矩： 1 0.5 3.250.180.23 22 g MgxkN m 各力对刃脚根部的弯矩，轴力，剪力 1 0. 4 21. 8 60. 2 38
23、. 7 PTg MMMMk Nm 7 . 4 43 . 2 54 . 1NTgk N 5 2 . 0 8QPk N 刃脚根部截面应力验算 弯曲应力验算： 4 4 5 . 69 7 8 0 1 . 2 28 . 7 9 6 . 14 3 9 . 5 4 3 3 . 49 2 00 . 20 . 0 2 cd tmd kPafkPa NM kPafkPaFW 剪应力验算： 52.08 260.411850 0.2 Vvd Q kPafkPa F 由计算结果可知，刃脚外侧压应力、拉应力、剪应力均小于相应的混凝 土强度，只需按构造要求配筋即可，配20010的钢筋。 刃脚框架计算 由于1.0，刃脚作为水
24、平框架承受的水平力很小，故不需要验算，可 按构造要求配筋，配20010的钢筋。 沉井井壁竖向拉力验算 井壁受拉面积为： 222 1 (7.06.0 )10.21 4 Fm 井壁承受的最大竖向拉力： max123 111 67.753461160.25393.5 444 SGGGGkN 混凝土所收的拉应力为： m a x 1 3 9 3 . 5 3 8 . 5 40 . 81 6 0 00 . 81 2 8 0 1 0 . 2 1 b hc S kPaRkPa F 18 因此，井壁内可按构造布置竖向钢筋，配20010的钢筋。 沉井井壁横向受力验算 横向受力最不利状态是沉井已经沉至设计高程，刃脚下
25、的土已经挖空而 尚未封底，这是刃脚根部以上一段井壁承受的外力最大，一般取刃脚根部断 面以上高度等于井壁厚度的一段井壁作为计算分析的水平框架，它不仅承受 本身范围内的水平力，还要承受刃脚最为悬臂传来的剪力。 1 水压力和土压力的计算（考虑最高水位） 200 t a n ( 4 5)2t a n ( 4 5) 22 ehc 已知： 202010.7 tan (45)tan (45)0.687 22 0010.7 tan(45)tan(45)0.829 22 1 1 80 . 58 . 82 . 57 . 51 . 56 . 85 . 50 . 40 . 50 . 6 8 721 029e 3 3
26、. 9 4/k Nm 2 1 80. 58. 82. 57. 51. 56. 85. 10. 6 8 721 00. 8 2 9e 3 6 . 2 7/k Nm 3 1 80. 58. 82. 57. 51. 56. 85. 50. 6 8 721 00. 8 2 9e 3 8 . 1 4/k Nm 19 1 10 (9.50.40.5)86/kN m 2 1 0( 9. 50. 4 )9 1/k Nm 3 1 09 . 59 5/k Nm 刃脚及刃脚根部以上0.5m 井壁范围内单位宽度土压力和水压力的合力： 1 ( 3 3 . 9 43 8 . 1 48 59 5 )0 . 91 1 3 .
27、 8 9/ 2 pk Nm 考虑刃脚悬臂作用传来的荷载，其分配系数1.0。 2 圆形沉井所受的力 无内隔墙的圆形沉井只受轴力，弯矩和剪力均为零。 轴向压力： 3.03.5 113.89()370.14 2 NprkN 按纯混凝土的应力验算： m a x m i n 3 7 0 . 1 4 01 8 5 0 . 76 0 6 0 0 . 2 cd NM kPafkPa FW 只需按构造配置钢筋，配20010的钢筋。 （五）底节沉井竖向挠曲计算 采用排水下沉，将沉井视为支承于固定承垫的梁来计算。梁的长为6m。 1 弯矩及剪力计算 跨中计算长度： 1 2234.24lR 均布荷载集度： 111574
28、 131.17/ 226 G qkNm L 支点负弯矩： 22 2 11 131.170.8850.79 22 a MqlkN m 跨中正弯矩： 22 1 11 131.174.2450.79243.98 88 a MqlMkN m 20 支点反力： 11 131.176393.51 22 a RqlkN 支点剪力： 2 393.51 131.17 0.88278.08 a QRqlkN 2 第一节井壁截面特性计算 截面形心轴的位置 111 1.756 0.51.7560.40.350.4 223 =0.94 1 1.756 0.50.40.35 2 ym 下 1 . 7 5 60 . 9 4
29、0 . 8ym 上 112 1 . 7 5 60 . 50 . 50 . 40 . 3 50 . 3 50 . 1 5 223 0 . 2 4 1 1 . 7 5 60 . 50 . 40 . 3 5 2 xm 左 = 0 . 50 . 2 40 . 2xm 右 截面惯距： 2 33 - 111 0.5 1.7560.5 1.7560.941.7560.35 0.4 12236 x x I 2 4 11 0.35 0.40.940.40.183 23 m 3 应力验算 跨中截面下缘拉应力： - 2 4 3 . 9 80 . 9 4 6 2 7 . 6 29 2 0 220 . 1 8 3 t
30、m d x x My kPafkPa I 下 支点截面上缘： - 5 0 . 6 40 . 8 1 6 1 1 3 . 2 49 2 0 220 . 1 8 3 a t m d x x M y kPafkPa I 上 由此可知，在排水施工阶段，下节沉井上下端竖向挠曲应力均小于混凝 土容许限值。 六 主要参考文献 21 1华南理工大学、浙江大学、湖南大学编基础工程（第二版）北京：中 国建筑工业出版社，2008 2王荣霞、彭大中主编墩台与基础北京：人民交通出版社，2011 3王晓谋主编基础工程北京：人民交通出版社，2010 4宁贵霞、王丕祥主编桥梁基础工程北京：科学出版社，2011 5袁聚云、李晓
31、培、楼晓明等编基础工程设计原理上海：同济大学出版 社，2002 6美Bowles，JE著，童小东等译基础工程分析与设计（第5 版） 北 京：中国建筑工业出版社，2004 7中华人民共和国国家标准 混凝土结构设计规范 （GB50010-2002 ） 北京： 中国建筑工业出版社， 2002 8中华人民共和国行业标准公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007 ） 北京：人民交通出版社，2007 9中华人民共和国国家标准建筑地基基础设计规范（GB50007-2002 ） 北 京：中国建筑工业出版社，2002 10中华人民共和国行业标准建筑桩基础设计规范（JGJ94-2008 ） 北京： 中国建筑工业出版社， 2008 11顾晓鲁、钱鸿缙等编地基与基础（第三版） 北京：中国建筑工业出版 社，2003 12周果行编著 房屋结构毕业设计指南 北京：中国建筑工业出版社， 2004 13袁聚云等土木工程专业毕业设计指南（岩土工程分册）北京：中国水 利水电出版社， 1999； 14、葛春晖钢筋混凝土沉井结构设计施工手册北京：中国建筑工业 出版社， 2004