河海大学函授土木工程毕业设计.docx
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河海大学函授土木工程毕业设计
2011届土木专业毕业设计
悬索桥大型沉井基础
设计说明书
学生姓名
学号
专业
指导教师
前言
课程设计是土木工程专业本科大学生培养方案中的综合性实践性教学环节，也是大学生综合素质和毕业后实际工作能力，适应社会能力中的最大环节。
因此它对扩大我们的专业知识也是极其重要。
课程设计集理论和实践一体，通过一个整体的课程设计，对于相关设计规范，手册，标准图以及工程实践中常用的方法有较系统地认识了解。
因此，充分重视课程设计环节对提高大学生的综合能力有十分重要的意义。
作为土木工程专业的大学生，未来社会主义建设事业的精英，肩负着时代艰巨使命，更应该努力学习好自己的专业课，扎实基础，培养专业技能。
当然，理论基础是必要的，但光有书本知识显然不够，我们需通过实践加强动手能力，理论联系实践，学得真本事才是根本。
是最基础也是非常重要的的一部分。
《基础工程》是土木工程专业的专业基础课，在土木工程学科的知识体系中占据了重要地位。
《基础工程》课程的特点是综合性强、设涉及面广，所有对基础结构设计计算有关的的课程内容，在该课程中都会有所体现和使用。
教学内容和课程体系改革是在上述背景条件下展开的，其主要目标是在学时有限的条件下，使学生能够对课程的知识体系有较为系统和整体的把握，重点掌握其基本理论和基本方法，并具有一定的工程概念和知识。
桥梁基础工程课程设计是该课程学习的一个实践环节。
是对该课程进行综合性学习和训练，使同学们更好的掌握该课程知识为今后的毕业打下坚实的基础，对以后的工作也有着重要的意义。
课程设计的目的是为加强对基础设计知识的巩固，了解基础设计的主要过程，培养正确熟练地运用结构设计规范手册，各种标准图籍及参考书的能力。
通过设计训练，初步建立设计和施工的全面协调统一思想。
一、基本设计资料
某三塔两跨悬索桥，主跨1080m。
桥跨布置为390m+1080m+1080m+390m，主桥总长2940m。
根据勘察成果：
桥位区跨江大桥桥位区域活动强度不大，地震活动水平不高，区域稳定性和局部稳定性良好，工程场地较稳定，适宜建桥。
跨江大桥南、北引桥及主桥区地层分布总体较稳定，全新统地层为1-2大层，以砂性土为主，仅南、北引桥浅部分布1-2层软土，层底标高-39.58m--53.60m；上更新统为4-6工程地质层，岩性为粉细砂、粗砾砂、卵石土，具韵律性，层底标高为-122.00m--127.51m；中更新统地层相对稳定，土性以中粗颗粒的中砂、粗砂及卵石为主，层底标高为-160.01m--163.72m；下更新统地层以中砂为主，层顶标高在-160m左右。
基础位置工程地质条件及水文地质条件见表1。
表1锚碇土层类型及物理力学指标
岩土编号
岩土名称
天然
含水
量
ω
（%）
天然
密度
ρ
（g/cm3）
天然
孔隙
比
e
直剪快剪
压缩模量
试验值Es（1-2）（MPa）
对应深度
压缩模量
推荐值
Es（MPa）
粘聚力
Cq
（kPa）
内摩
擦角
φq
（度）
1-1
亚粘土
35.6
1.82
1.027
9.5
12.5
4.7
4.7
1-2c
粉砂
29.3
1.93
0.797
8.2
8.2
1-2
淤泥质亚粘土
39.7
1.81
1.135
6.5
3.4
4.2
4.2
1-3
粉砂
27.2
1.97
0.692
5.1
30.7
13.6
13.6
2-4
粉砂
27.6
1.95
0.750
6.4
32.4
15.2
15.2
2-6
亚粘土混粉砂
31.1
1.89
0.896
19.5
11.5
6.4
7.4
2-6c
粉砂
27.0
1.97
0.797
5.4
33.2
10.6
20
4-3
粉砂、细砂
28.6
1.97
0.707
16.8
51
4-5
砾砂、粗砂
17.8
2.05
0.505
35.0
82
5-1
粉砂、细砂
28.6
1.93
0.646
5.5
36.4
17.0
56
5-3
砾砂
16.4
2.10
0.450
35.0
82
5-3c
细砂、粉砂
21.3
1.95
0.650
19.3
56
6-1
粉砂、细砂
25.2
1.87
0.629
18.0
6-3
砾砂、圆砾土
13.2
2.15
0.360
35.0
6-4
粉砂
24.1
1.96
0.694
20.0
表2北锚碇含水层渗透系数表
含水层参数
抽水试段深度
0.0～6.60m
6.6m～26.2m
26.0m～54.5m
54.5m～70.55m
K（m/d）
2.87
11.43
1.75
31.12
大桥北锚基础采用矩形沉井基础，平面为矩形，长和宽分别为67.9m和52m（第一节沉井长和宽分别为68.3m和52.4m），平面共分20个井孔，如图2-2所示。
沉井高度57m，分11节，第一节采用钢壳混凝土沉井，高8m；第二至第十一节为钢筋混凝土沉井，除第十节为4m外其余均为5m。
封底混凝土厚度为10m，盖板厚5~6m。
沉井顶面标高为+2.0m，基底标高为-55.0m。
具体尺寸见图1
（a）平面图
（b）剖面图
图1北锚沉井结构图
结构自重仅考虑基础部分结构自重，上部结构自重则纳入塔底荷载一并考虑。
江水位或地下水位以上混凝土重度取24kN/m3；水下部分混凝土的重度按浮重度考虑，即14kN/m3；对入土部分混凝土基础则扣除土体重度，即取4kN/m3。
为得到最大沉降，江水位取最低通航水位（此时主塔承台混凝土自重荷载最大）。
土的侧压力指土体对入土部分结构的初始侧压力，有限元计算时按初应力考虑。
其中竖向应力取土体竖向有效应力，即土体浮重度乘以埋深；对水平向应力，无扰动区土体的
取0.50，扰动范围内土体的
取0.40。
表3锚碇荷载
锚碇
（沉井）
第1级
封底混凝土自重
24303m3
扣除水浮力
第2级
素混凝土注浆自重
78996m3
扣除水浮力
第3级
井盖自重
13208m3
扣除水浮力
第4级
井盖以上锚碇混凝土自重
24746m3
第5级
大缆恒载
186MN/根
共2根大缆，和水平面夹角20.3°
二、承载力验算
地基强度：
沉井作为深基础时，一般要求下沉至坚实土层或岩层上，且地基强度须满足：
F+G≤Rj+Rf式中：
F—作用于沉井顶面处荷载
G—沉井自重
Rf—井侧总摩阻力
Rj—沉井底部地基土的总反力
Rj=faA（fa为基底土承载力特征值）
井侧总摩阻力Rf：
可假定井侧总摩阻力Rf沿深度成梯形分布，距地面5m范围内按三角形分布，5m以下为常数，故总摩阻力为
Rf＝U（h－2.5）q
U—沉井周长
q—单位面积摩阻力加权平均值。
沉井自重验算
为保证沉井在施工时能顺利下沉到设计标高，需要验算沉井自重是否满足下沉要求，用下沉系数K表示
确定沉井的外形尺寸和壁厚时，应保证沉井在各种施工阶段能克服四壁摩阻力Rf而顺利下沉，即
G—各种施工阶段沉井的自重；
Rf—沉井井壁土的摩阻力。
荷载计算
沉井的重量为各分部总重之和，按照沉井的尺寸和混凝土的重度计算出沉井的受力状况。
此外，根据已有的大缆拉力计算缆索传递给沉井的恒载，锚碇的重量、沉井自重及大缆的作用力。
沉井下沉验算
沉井自重：
1.19124×106kN
土和沉井壁间平均单位摩阻力：
17.6kN/m2
总摩擦力：
T=[57×2（52+67.9）]×17.6=2.41×105kN/m
由计算可知K>1沉井可顺利下沉。
三、施工方案
1、施工方案确定原则
沉井施工方案确定原则有:
①在下沉初期尽量选择对下沉精度控制有利的降排水下沉方案,严格控制下沉精度,使其形成正确的下沉导向；
②沉井下沉速度取决于井内除土速度,必须根据下沉方案配置足够的除土设备,除土设备配置须考虑不同的地质情况；
③在满足接高稳定性的情况下,尽量采取多次接高一次下沉的方法,提高施工效率；
④必须确保周围建筑物安全。
2、沉井施工方案
沉井下沉计算取4种工况:
全截面支承、全刃脚支承、半刃脚支承和沉井结构稳定。
根据不同的工况,对沉井的下沉系数进行计算。
根据计算分析结果及以往的施工经验,将11节沉井分4次下沉,首次下沉采取降排水下沉,其他节段采取不排水下沉。
沉井接高下沉组合见表1。
下沉次序
节段组合
接高/总高
单次/累计下沉深度
沉井刃脚底标高
第一次
（1）+
（2）+（3）+（4）
15\23
21\21
-21.0
第二次
（5）+（6）
10\33
10\31
-31.0
第三次
（7）+（8）
10\43
10\41
-41.0
第四次
（9）+（10）+（11）
14\57
14\55
-55.0
表1 沉井接高下沉组合m
沉井下沉施工工艺如下:
（1）采用砂桩进行地基加固,在加固地基上拼装第1节钢壳沉井,浇注第1节沉井混凝土并接高第2节沉井,确保砂桩能承受前2节沉井的自重。
（2）浇注第3节、第4节沉井,降排水下沉21.0m,累计下沉21.0m。
在首次下沉过程中,进行“大锅底”取土,保证下沉至预定标高后,刃脚全部埋入土体并受力,分区隔墙踏面部分埋入土体,并尽量减少一般隔墙踏面的悬空高度。
（3）浇注第5～8节沉井,不排水下沉20.0m,累计下沉41.0m。
在第5～8节沉井下沉过程中,进行“大锅底”取土,保证下沉至预定标高后,刃脚全部埋入土体并受力,分区隔墙踏面部分埋入土体,并尽量减少一般隔墙踏面的悬空高度。
（4）浇注第9～11节沉井,下沉14.0m至设计标高-55.0m,累计下沉55.0m。
在第9～11节沉井下沉过程中,将取土锅底由“大锅底”逐步转换为4个封闭小锅底,确保下沉至设计标高。
3、沉井关键施工技术
3.1地基加固处理及土模制作
由于沉井基础承载力较差,需对地基进行加固处理。
采用砂桩复合地基加固法进行地基加固处理。
在开挖初始阶段及土模开挖阶段,采用机械取土为主,辅助采取人工取土方式。
首次开挖地基深度2.5m。
砂桩试验完成、坑底整平之后开始打设砂桩,砂桩桩径D=50cm,桩长L=13.8m,砂桩底标高为-12.0m,桩距为1.2m,桩体材料为中粗砂,砂桩沿井壁和隔墙按梅花形布置。
砂桩施工完成后二次开挖地基深度1.5m,最后进行厚2.0m的50%粉砂+50%石屑垫层施工。
砂垫层采用“滚浆法”施工,换填砂土采用履带式推土机配合振动压路机分层浇水碾压,第1层厚度为70cm,其余层厚按50cm控制,换填后现场平板载荷试验承载力应大于350kPa。
载荷试验满足要求后进行土模制作。
根据沉井刃脚和隔墙形状开挖成槽,将槽底和边坡严格夯实后,使用7.5级砂浆抹面定型,达到设计强度后,安装厚25cm的素混凝土垫块,然后在土模中安放首节沉井钢壳的拼装件。
钢壳拼装完成后,将土模和钢壳之间的缝隙用砂浆填塞。
3.2 钢壳沉井拼装
根据资源配置等,对钢壳节段进行合理的节段划分,平面上共划分103个节段。
钢壳沉井节段加工完成后在现场进行拼装。
首先吊装西北角节段,进行纵、横、高度方向定位调整,临时固定,以此节段作为定位基准段,再在其四周吊装,定位其他节段,先形成“口”字形封闭结构,再形成倒“日”字形封闭结构。
3.3 前4节沉井下沉施工
待初始阶段刃脚部位的土堤挖平后（沉井下沉很少或者完全不沉）,按“大锅底”原则采取水力吸泥机设备系统,在沉井中部再向下挖深锅底,依次下沉前4节沉井,同时进行降排水施工。
在沉井四周布置有28口降水井,降水最大深度为25.0m。
冲泥时,在水力吸泥机的吸泥龙头下方（锅底中央）挖出一个直径约2.0m的集水坑,再用水力吸泥机在集水坑四周外冲出几条水沟,然后向四周开挖锅底A。
为防止沉井突沉,引起较大的偏差,以及减小井外土体扰动坍塌等情况,在四周刃脚旁保留2m的土堤不被冲击。
待锅底开挖完毕后,再逐步均匀地冲挖土堤,第1步冲挖四角的土堤B,第2步冲挖四周的土堤C,最后冲挖定位点处的土堤,使沉井逐步下沉。
3.4 第5～11节沉井下沉施工
由于从第5节沉井开始取土深度大于21m,水力吸泥机的工效不如空气吸泥机,且降排水过深会对大堤的安全产生影响,故第5～11节沉井下沉采取空气吸泥机取土、不排水下沉施工方案。
沉井下沉按照“定位准确、先中后边、对称取土、深度适当”的原则进行。
在沉井位置共安装20套直径250mm空气吸泥机,布置于20个隔仓。
将沉井内部隔仓分为2个区域,A区和B区,吸泥从A区开始,对称同步的扩散。
不排水下沉时,首先由低压水泵向沉井内供水,以保持沉井内的水头压力,然后由高压水泵送水至沉井上的空气吸泥机的高压水枪冲泥,启动空气吸泥机将泥浆排放至泥浆沉淀池,泥浆沉淀后,由运渣车运至指定地点排放。
空气吸泥机一旦启动,则必须同时启动蓄水池中低压水泵往沉井内连续不断地补水,使沉井内的水头高度比地下水位高2m以上。
为提高吸泥效率,将高压射水管和空气吸泥机固定在一起,同时进行水下吸泥作业。
射水管和吸泥管一起升降移动,边冲边吸,射水压力控制在1.5～2.5MPa。
射水时,一般采用垂直射水喷嘴,因为带倾斜角度的射水喷嘴易引起沉井四周刃脚下的土被冲空,造成井外土体坍塌,使沉井产生倾斜。
但在相对较为坚硬、密实的土层,带倾斜角度的喷嘴可单
独使用。
3.5 沉井封底
按照沉井底部分隔板,沉井平面共分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个区域,封底即按照4个分区的顺序逐区封底。
3.5.1 沉井基底清理
封底前要进行沉井清基,当沉井刃脚下沉至设计标高以上2m时,开始吸泥除土,对井孔内、刃脚及隔墙下的土层进行清理,使4个封底区域形成独立的锅底形状,清基采用的设备和吸泥下沉过程中所采用的设备一致。
3.5.2 封底施工平台搭设
北锚碇沉井封底工程量大,为方便沉井封底施工,沉井下沉就位后,在沉井顶部搭设封底混凝土浇注施工平台。
平台全部采用钢结构,平台利用沉井不排水下沉施工钢管立柱作为基础,平台安装时在沉井隔仓顶部搭设贝雷架作为主桁,连通沉井的隔仓顶部,贝雷顶上分配梁采用Ⅰ20a,顶部根据施工需要铺设木板。
3.5.3 封底混凝土施工
采用逐区逐仓连续封底方法进行封底,封底混凝土采用水下刚性导管法浇注。
每根导管的首批混凝土浇注均先采用25m3大料斗进行封导管施工,首批混凝土的浇注要保证满足导管埋深和导管内的混凝土填充数量需要。
首批混凝土施工完成后换小料斗进行水下混凝土浇注的常规施工。
7.沉井施工注意事项
（1）取土施工前,应测量井内水位和地下水位,并控制好排水量对井内水位的影响。
在采用空气吸泥机吸泥施工时,要注意保证井内水头比井外地下水位高2m以上。
（2）沉井取土下沉时,应对称分层均匀地取土,分层厚度控制在50cm以内,使沉井保持均匀、平稳、缓慢地下沉,防止沉井倾斜和开裂。
（3）严禁局部超挖过深、刃脚下掏空过多,严格控制刃脚处吸泥机吸泥范围,在距刃脚2.0m处应停止吸泥施工;吸泥深度不宜太大,以防刃脚处悬空而发生沉井突沉。
（4）空气吸泥机吸泥管口距离井内土面为0.15～0.50m,水枪压力应大于2MPa;吸泥时应注意经常变动位置,保持平衡,使井内土面高低均匀,以防沉井下沉产生倾斜,靠近刃脚及隔墙的土如不能向锅底坍塌时,可用高压水对称、均匀地将土冲向锅底再行吸出。
吸泥下沉时,沉井内壁表面不能有凸出插筋或其他障碍物,以免在提升吸泥机时损坏吸泥设备;为了防止吸泥装置堵塞,应经常检查进气压力,防止混凝土碎块、碎木头、草袋及其他杂物坠入井底;停止吸时,应先将吸泥管提升到一定高度,再关闭进气阀。
（5）对于沉井倾斜、下沉很少或不下沉时,要及
时查明原因,若是刃脚局部被石块或埋设物搁住,要及时处理。
（6）加强沉井下沉过程中的测量控制和检测,及时对测量成果进行分析,一旦发生异常,应立即停止下沉施工,并采取措施进行调整,确保防洪大堤的安全。
沉井下沉过程中,应随时了解土层情况,做好下沉时的施工记录、质检记录以及实际穿过土层的地质剖面图备查。
致谢
经过了这几天的学习和做课程设计的锻炼，使我得到了很多宝贵的经验和学习的方法。
这个过程不仅让我学会怎样去做一门设计，还让我更加深入的理解了本门课程的重要性，更使我加深了对本课程的学习和理解。
通过这段时间的学习，对以前所学的专业知识有了更全面、更系统的认识，使我们对所学的基本理论知识有了进一步的认识和体会，基本上能将所学的课程进行综合利用，真正做到了学以致用，克服了课本的局限性。
之所以这次我们可以最后完成这次设计，我想这和我们的王老师的辛勤工作是分不开的，在我们做设计的这个过程中王老师给予了我们耐心的帮助和细心的指导，及时地解答了我们的困惑。
帮助我们克服了一个又一个问题和难关。
这让我们少走了很多弯路从而令我们的设计可以顺利按时的完成。
同时我也要感谢同学们给我的意见和对我的帮助。
设计中还有诸多不足之处望王老师批评指正。
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