基礎工程第5章錨錠基礎課件

第五章錨碇基礎1土木工程學院巖土工程系第五章錨碇基礎1土木工程學院巖土工程系內(nèi)容提要5．1懸索橋及其錨碇

5．2重力式錨碇基礎的類型

5．3重力式錨碇基礎的設計

5．4錨碇基礎的施工2土木工程學院巖土工程系內(nèi)容提要5．1懸索橋及其錨碇

5．2重力式錨碇基礎的類型懸索橋，是指以懸索為主要承重結構的橋，由主纜、主塔、加勁梁、錨碇、吊索、橋面等部分組成。主纜的固定方式：自錨式和地錨式。5．1懸索橋及其錨碇3土木工程學院巖土工程系懸索橋，是指以懸索為主要承重結構的橋，由主纜、主塔、加勁◆自錨式懸索橋湘江三汊磯大橋，主橋長732m，主跨長328m，是我國最大的自錨式懸索橋。主纜直接錨固在加勁梁上。4土木工程學院巖土工程系◆自錨式懸索橋湘江三汊磯大橋，主橋長732m，主跨長32優(yōu)點①不需要修建大體積的錨碇，特別適用于地質(zhì)條件很差的地區(qū)。②受地形限制小，可結合地形靈活布置，既可做成雙塔三跨的懸索橋，也可做成單塔雙跨的懸索橋。③對于鋼筋混凝土材料的加勁梁，由于需要承受主纜傳遞的壓力，剛度會提高，節(jié)省了大量預應力構造及裝置，同時也克服了鋼在較大軸向力下容易壓屈的缺點。④采用混凝土材料可克服以往自錨式懸索橋用鋼量大、建造和后期維護費用高的缺點，能取得很好的經(jīng)濟效益和社會效益。⑤保留了傳統(tǒng)懸索橋的外形，在中小跨徑橋梁中是很有競爭力的方案。5土木工程學院巖土工程系優(yōu)點5土木工程學院巖土工程系缺點①由于主纜直接錨固在加勁梁上，梁承受了很大的軸向力，為此需加大梁的截面，對于鋼結構的加勁梁則造價明顯增加，對于混凝土材料的加勁梁則增加了主梁自重，從而使主纜鋼材用量增加，所以采用了這兩種材料跨徑都會受到限制。②施工步驟受到了限制，必須在加勁梁、橋塔做好之后再吊裝主纜、安裝吊索，因此需要搭建大量臨時支架以安裝加勁梁。所以自錨式懸索橋若跨徑增大，其額外的施工費用就會增多。③錨固區(qū)局部受力復雜。④相對地錨式懸索橋而言，由于主纜非線性的影響，使得吊桿張拉時的施工控制更加復雜。6土木工程學院巖土工程系缺點6土木工程學院巖土工程系◆地錨式懸索橋◆日本明石海峽大橋－最長的懸索橋7土木工程學院巖土工程系◆地錨式懸索橋◆日本明石海峽大橋－最長的懸索橋7土木工程學院8土木工程學院巖土工程系8土木工程學院巖土工程系北岸南岸◆江陰長江大橋南北錨碇為均為重力式。9土木工程學院巖土工程系北岸南岸◆江陰長江大橋南北錨碇為均為重力式。9土木工程學南錨碇開挖施工中北錨碇沉井基礎施工中10土木工程學院巖土工程系南錨碇開挖施工中北錨碇沉井基礎施工中10土木工程學院巖11土木工程學院巖土工程系11土木工程學院巖土工程系◆地錨式的類型12土木工程學院巖土工程系◆地錨式的類型12土木工程學院巖土工程系喬治華盛頓大橋新澤西側的隧道式錨碇13土木工程學院巖土工程系喬治華盛頓大橋新澤西側的隧道式錨碇13土木工程學院巖土工程系5．2重力式錨碇基礎的類型一、淺埋擴大式基礎二、地下連續(xù)墻基礎三、沉井基礎四、樁基礎14土木工程學院巖土工程系5．2重力式錨碇基礎的類型一、淺埋擴大式基礎14土木工程學一、淺埋擴大式基礎

當基巖或良好土層較淺時，可采用淺埋擴大基礎，亦稱直接基礎。與其他基礎形式相比，淺埋擴大基礎的結構形式簡單，施工方便，是應首先考慮的基礎形式。淺埋擴大基礎多置于巖石上，置于土層時通常需對地基進行加固處理。此外，該類基礎多在陸地或淺水區(qū)，采用明挖干施工。15土木工程學院巖土工程系一、淺埋擴大式基礎當基巖或良好土層較淺時，可采用淺埋擴大為提高基礎的穩(wěn)定性，可將基礎的底面作成前高后低的傾斜狀，以抵消部分主纜拉力，如丹麥的大貝爾特（GreatBelt）橋的基礎底面就設置成與水平面呈10.4o的傾斜面；還可將基底作成鋸齒狀、臺階狀等，甚至可以將型鋼混凝土樁插入基礎與基巖之間，以加大基底的水平阻力。錨碇還可設計成如右圖所示的形式，如江陰長江大橋南錨、虎門大橋東錨、汕頭海灣大橋南錨等，此時，基礎與錨碇的其他部分已融為一體。16土木工程學院巖土工程系為提高基礎的穩(wěn)定性，可將基礎的底面作成前高后低的傾斜狀，二、地下連續(xù)墻基礎

當基巖或良好土層埋深很大時，為給基礎提供較強的持力層，可采用深埋基礎形式。常用的深埋基礎的形式有兩類：地下連續(xù)墻基礎及沉井基礎。其中，地下連續(xù)墻基礎適于場地處在陸地或淺水區(qū)；沉井基礎的適用性則較強，可用于陸地、淺水區(qū)、深水區(qū)的施工。地下連續(xù)墻基礎先以地下連續(xù)墻圍成圓形或矩形截面的圍護結構，然后用“逆作法”施做內(nèi)襯，其作用是與連續(xù)墻一同承擔坑外的土、水壓力。挖至設計深度形成基坑，再澆筑底板，然后在其中灌注（填筑）混凝土或砂、水等增加重量，最后澆筑頂板形成基礎。17土木工程學院巖土工程系二、地下連續(xù)墻基礎當基巖或良好土層埋深很大時，為給基礎提武漢陽邏長江大橋主橋為250m+1280m+440m的懸索橋，主纜設計拉力為617900kN。其南錨碇位于長江南岸的I級階地，屬長江沖積平原的高河漫灘，地勢相對平緩。覆蓋層為厚50.4~51.6m的第四系沖積亞黏土、淤泥質(zhì)亞黏土、亞黏土夾亞砂土、粉砂、細砂、含礫細中砂及圓礫，下伏礫巖、砂巖。強風化礫巖巖性破碎，強度較低；弱風化礫巖完整性較好，飽和單軸抗壓強度為12.8~29.4MPa之間；錨址區(qū)水文地質(zhì)差，覆蓋層地下水與長江水連通。針對上述特點，南錨碇采用了圓形地下連續(xù)墻基礎，以卵石、圓礫層作為基底持力層。連續(xù)墻外徑73m，壁厚1.5m，內(nèi)襯由上到下采用1.5m、2.0、2.5m不同的厚度，基坑開挖深度41.5m，底板厚度6m，坑內(nèi)回填填芯混凝土，最后澆筑6~10m厚的鋼筋混凝土頂板形成基礎?！粑錆h陽邏長江大橋南錨碇－圓形地下連續(xù)墻基礎18土木工程學院巖土工程系武漢陽邏長江大橋主橋為250m+1280m+440m的懸武漢陽邏長江大橋19土木工程學院巖土工程系武漢陽邏長江大橋19土木工程學院巖土工程系◆潤揚長江大橋南汊橋主橋北錨碇－矩形地下連續(xù)墻基礎潤揚長江大橋南汊橋主橋為470m＋1490m＋470m的懸索橋，其北錨碇為亞黏土、亞黏土夾粉砂、淤泥質(zhì)亞黏土、粉細砂、礫砂等第四系覆蓋層，厚度47.5m~48.5m，下為強風化、弱風化、微風化花崗閃長巖、花崗斑巖，地下水位受長江水位影響明顯，枯水期地下水標高1.5m~1.6m，豐水期3.6m~4.1m。經(jīng)與沉井基礎、圓形地下連續(xù)墻基礎等方案比較后，最終選取了矩形地下連續(xù)墻基礎方案。北錨碇基礎基巖埋深約50m，基坑平面尺寸為69m×50m，開挖深度達48m，采用壁厚1.2m的地下連續(xù)墻和12道鋼筋混凝土支撐作為圍護結構?；A底板澆筑后，基坑內(nèi)設置的3道縱隔板、4道橫隔板將基礎分為20個隔艙，除2個隔艙填混凝土，2個隔艙灌水外，其余16個隔艙均填砂，除可起到調(diào)節(jié)基礎重心的作用外，也節(jié)省了混凝土的用量。20土木工程學院巖土工程系◆潤揚長江大橋南汊橋主橋北錨碇－矩形地下連續(xù)墻基礎潤揚長21土木工程學院巖土工程系21土木工程學院巖土工程系三、沉井基礎◆江陰長江大橋北錨碇－一般沉井基礎江陰長江大橋為336.5m+1385m+309.4m的單孔簡支鋼箱懸索橋，其北錨碇所在的地層由淤泥質(zhì)亞黏土與松散亞砂土、亞砂與亞黏土互層和粉細砂、硬塑或半堅硬的粉質(zhì)黏土層并夾有粉細砂、密實的細砂，含礫中粗砂層等組成的厚度78m～86m的覆蓋層，下為石灰?guī)r。地下水位在地表下l～2m，20m～40m和50m以下存在兩層承壓水層，并與長江水相連通。考慮到錨碇所承受的主纜拉力巨大、基巖上覆蓋土層厚、地下水豐富等原因，經(jīng)綜合比較分析，選擇長69m、寬51m、高58m的特大沉井作為錨碇基礎，沉井在平面上分為36個隔艙，豎向分為11節(jié)，并在沉井后段隔艙中填砂、填水，增加基礎的重量，并使其重心后移，為提高基礎的穩(wěn)定性。22土木工程學院巖土工程系三、沉井基礎◆江陰長江大橋北錨碇－一般沉井基礎江陰長江大23土木工程學院巖土工程系23土木工程學院巖土工程系◆南京長江第四大橋北錨碇－一般沉井基礎南京長江第四大橋為主跨1418m的雙塔三跨全漂浮體系鋼箱懸索橋。北錨碇采用沉井基礎，沉井尺寸為69.0m×58.0m×52.8m。沉井頂面標高4.3m，基底標高-48.5m，置于密實卵礫石層，沉井共分11節(jié)，除第1節(jié)為鋼殼混凝土沉井外，其余均為鋼筋混凝土沉井。24土木工程學院巖土工程系◆南京長江第四大橋北錨碇－一般沉井基礎南京長江第四大橋為25土木工程學院巖土工程系25土木工程學院巖土工程系四、樁基礎樁基礎是錨碇基礎很少采用的形式，這主要是因為樁基結構相對較輕，而作用機理比較復雜，設計者對其在運營期間能否有效控制位移并無很大把握。目前，錨碇樁基的應用在國內(nèi)尚無先例，不過在國外則有成功的應用，如1997年建于美國洛杉磯的文森特橋(VincentThomasBridge)及2007年在加利福利亞建成的新卡圭尼茲大橋(NewCarquinezBridge)。26土木工程學院巖土工程系四、樁基礎樁基礎是錨碇基礎很少采用的形式，這主要是因為樁◆新卡圭尼茲大橋南錨碇－樁基礎新卡圭尼茲大橋位于舊金山海灣，其跨度為147m+728m+181m。相應的地層為：上部為厚度15~24m的軟土、松砂，下為基巖。此外，地下水位高，地震時砂土可能會發(fā)生液化。該橋的南錨碇采用了樁基形式。所采用的樁為直徑760mm的現(xiàn)場灌注鋼管管樁(Cast-in-Situ-SteelPipePile)，共計380根，樁距為2.63倍樁徑，為抵抗纜索的拉力,其中有占總數(shù)55%的樁為斜樁，斜率達1：3。27土木工程學院巖土工程系◆新卡圭尼茲大橋南錨碇－樁基礎新卡圭尼茲大橋位于舊金山海28土木工程學院巖土工程系28土木工程學院巖土工程系5．3重力式錨碇基礎的設計一、錨碇（地基）驗算的內(nèi)容及要求二、錨碇受力分析三、錨碇基礎的選型四、淺埋擴大基礎的設計步驟五、地下連續(xù)墻基礎的設計步驟六、沉井基礎的設計步驟29土木工程學院巖土工程系5．3重力式錨碇基礎的設計一、錨碇（地基）驗算的內(nèi)容及要求一、錨碇（地基）驗算的內(nèi)容及要求◆錨碇地基的受力特點（1）在基礎澆筑完成后，地基受力比較均勻。（2）基礎之上的錨體澆筑后，由于錨體通常后重前輕，故屬基底后端壓應力較大，前端壓應力較小的后傾偏心受壓狀態(tài)。（3）在運營階段，在巨大的主纜拉力作用下，基底壓應力變?yōu)榍按蠛笮〉那皟A狀態(tài)。30土木工程學院巖土工程系一、錨碇（地基）驗算的內(nèi)容及要求◆錨碇地基的受力特點（1）◆錨碇地基的驗算內(nèi)容◆持力層承載力31土木工程學院巖土工程系◆錨碇地基的驗算內(nèi)容◆持力層承載力31土木工程學院巖土工程系◆錨碇基礎偏心距◆錨碇整體抗滑動能力32土木工程學院巖土工程系◆錨碇基礎偏心距◆錨碇整體抗滑動能力32土木工程學院巖土工程◆錨碇抗覆穩(wěn)定性◆地基沉降及錨碇水平位移33土木工程學院巖土工程系◆錨碇抗覆穩(wěn)定性◆地基沉降及錨碇水平位移33土木工程學院巖土二、錨碇受力分析◆淺埋擴大基礎34土木工程學院巖土工程系二、錨碇受力分析◆淺埋擴大基礎34土木工程學院巖土工程系錨碇整體抗滑動能力錨碇抗覆穩(wěn)定性35土木工程學院巖土工程系錨碇整體抗滑動能力錨碇抗覆穩(wěn)定性35土木工程學院巖土工程系◆深埋基礎36土木工程學院巖土工程系◆深埋基礎36土木工程學院巖土工程系錨碇整體抗滑動能力錨碇抗覆穩(wěn)定性由于錨碇基礎的尺寸較一般基礎大得多，其受力也更為復雜，為更為準確地確定其受力及位移，可采用有限元等數(shù)值方法進行更為精細的計算。37土木工程學院巖土工程系錨碇整體抗滑動能力錨碇抗覆穩(wěn)定性由于錨碇基礎的尺寸較一般三、錨碇基礎的選型選擇時需綜合基礎所受荷載大小、基礎所在場地的水位地質(zhì)條件、施工條件等因素的影響。（1）荷載錨碇的作用是為主纜提供約束，因此錨碇的尺寸及基礎形式與所受的主纜拉力的大小密切相關。對淺埋擴大基礎來說，保證基礎的抗滑、抗傾覆穩(wěn)的重力及相應的摩擦阻力主要來源于錨塊，因此錨碇能夠承擔的主纜拉力相對較小。相比之下，采用沉井等深埋基礎時，除錨體重量外，基礎自身（及其中填充物）的重量、土（巖）層的橫向抗力等也可提供較大的阻力，因此可承擔更大的主纜拉力。38土木工程學院巖土工程系三、錨碇基礎的選型選擇時需綜合基礎所受荷載大小、基礎所在（2）地質(zhì)水文條件由于所受荷載很大，通常需選擇良好的巖層或土層作為基礎的持力層。當巖層埋深較淺時，可選擇擴大式淺埋基礎，如廈門海滄大橋東航道大橋的東錨碇基礎。對非巖石地基，若需采用淺埋基礎，可預先對地基進行加固。當巖層或良好土層埋深較大時，可采用沉井基礎，如江陰長江大橋的北錨碇基礎，或地下連續(xù)墻基礎，如武漢陽邏長江大橋南錨碇基礎，以及潤揚長江大橋南汊橋北錨碇基礎等。39土木工程學院巖土工程系（2）地質(zhì)水文條件39土木工程學院巖土工程系（3）施工淺埋擴大基礎采用明挖法施工，因此最為簡單。沉井及地下連續(xù)墻基礎的施工則較為復雜，整體上看：在施工過程中，沉井及地下連續(xù)墻都可起到支撐、擋土、擋水的作用，這是其主要優(yōu)點。沉井基礎適用性很強，可在陸地、淺水、深水區(qū)施工。但由于尺寸大，可能會出現(xiàn)下沉困難、基礎傾斜、偏移等現(xiàn)象，因此，施工技術和控制往往是成敗的關鍵。此外，排水下沉時對土層擾動較大，造成地表沉降、土層變形等，對周圍結構物產(chǎn)生不良影響。40土木工程學院巖土工程系（3）施工40土木工程學院巖土工程系地下連續(xù)墻多用在陸地或淺水區(qū)的施工，具有施工精度高、能用于各種土層的優(yōu)點。在砂層中成槽時會有較大風險，遇強度較高時的巖石時成槽困難，此外，還有墻體接頭漏水、墻體偏斜及墻體混凝土澆筑質(zhì)量不高等風險。除上述技術問題外，造價、工期等也是重要的影響因素。41土木工程學院巖土工程系地下連續(xù)墻多用在陸地或淺水區(qū)的施工，具有施工精度高、能用四、淺埋擴大基礎的設計步驟（1）確定基礎的基本尺寸錨碇基礎的基本尺寸主要取決于地基在承載力、沉降以及錨碇在穩(wěn)定性、水平位移控制等方面的要求，同時，還需滿足基礎在自身結構方面的要求。淺埋擴大基礎有兩種基本形式，一種是基礎與錨體各有獨立的實體，另一種則將二者為一體。對淺埋擴大基礎，保證錨碇抗滑移及抗傾覆穩(wěn)定所需的重量主要由錨塊提供，基礎的主要作用是提供足夠的基底面積，以滿足地基承載力、基礎抗傾覆等方面的要求。因此，應1）按地基承載力要求初步擬定基底尺寸。2）根據(jù)結構受力要求，初步擬定基礎的厚度。42土木工程學院巖土工程系四、淺埋擴大基礎的設計步驟（1）確定基礎的基本尺寸42土木（2）錨碇驗算驗算內(nèi)容包括：地基承載力、偏心距、抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性等項目。地基承載力、偏心距驗算時，可假定基底壓力為線性分布形式，采用與一般淺埋基礎相似的方法計算。若抗滑穩(wěn)定性不滿足要求，可采用將基礎底面設為傾斜面、做成臺階狀等措施。淺埋擴大基礎一般都置于巖石或經(jīng)過加固處理的土層上，故通常不需要進行沉降驗算，同樣，也不需要進行水平位移驗算。43土木工程學院巖土工程系（2）錨碇驗算43土木工程學院巖土工程系（3）基礎結構設計與普通的淺埋基礎不同，錨碇基礎的尺寸很大，受力復雜，通常采用鋼筋混凝土形式，應滿足強度、變形及裂縫寬度等方面的要求，可按相應的鋼筋混凝土設計規(guī)范進行計算設計。44土木工程學院巖土工程系（3）基礎結構設計44土木工程學院巖土工程系五、地下連續(xù)墻基礎的設計步驟（1）確定基礎的外部尺寸與淺埋擴大基礎不同的是，基礎的主要作用除為錨碇提供足夠的地基承載力外，還需補充提供錨碇抗滑移及抗傾覆穩(wěn)定所需的重力，因此，在確定基礎尺寸時，應綜合考慮這兩方面的要求：1）應將基礎置于良好的土層上，由此即可初步確定基礎的高度。2）由地基承載力要求，確定所需的基礎底面尺寸；考慮暫不計入樁側土的橫向抗力的情況下，為滿足抗滑及抗傾覆穩(wěn)定性的要求所需的基礎重量；綜合上述要求，可初步確定基礎的截面尺寸。45土木工程學院巖土工程系五、地下連續(xù)墻基礎的設計步驟（1）確定基礎的外部尺寸45土（2）錨碇驗算對地基承載力、偏心距、抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、沉降及變形等項目進行驗算，并可根據(jù)計算結果對基礎尺寸進行調(diào)整。與淺埋擴大基礎相比，地下連續(xù)墻基礎的受力變形計算更為復雜。相對于承載力、穩(wěn)定性等項目的驗算，錨碇的沉降及水平位移需要更為精確的確定，而由于土的力學性質(zhì)的復雜性、施工因素的影響等原因，這往往比較困難。與傳統(tǒng)的計算模型及方法相比，采用有限元等數(shù)值方法計算時，可較好地模擬實際土（巖）層的分布形式及其