|
font-size: 10.5pt;">=19.6kN/m^3, γ’=9.6kN/m^3
▽10.33 σ4=5.47*9.6*0.61+σ3=1.4kPa
此层土压力强度为0点在▽10.33以上的距离：
Y=5.47*1.4/(30.7+1.4)=0.24m
故只在最下面一层有土压力，每延米的合力为
EH=1/2*1.4*0.24=0.17kN
对临水侧刃脚边缘的力臂为：
y1=1/3*0.24=0.08m
c．剩余水压力的计算
墙后水位比墙前高出0.5m，故剩余水压力的分布如图2-2所示。
▽19.83 p1=0kPa
▽19.33 p2=γwH=10*0.5=5kPa
▽10.33 p3=p2=5kPa
每延米的合力为 PW=1/2*5*0.5+5*9=46.25kN
对临水侧刃脚边缘的力臂
y2=[1/2*5*0.5*(0.5/3+9)+5*9*9/2]/46.25=4.63m
d．扬压力
由于水头差较小，排水条件较好，可不考虑渗压力，仅计算浮托力。浮托力按《船闸水工建筑物设计规范》第6.1.15、6.1.17条按墙两侧较低水位计算：
U=(19.33-10.33)*6.6*10=594kN/m
e．由于沉井处于辅助导航墙段，无靠船和系缆要求，无须考虑船舶荷载。墙前的被动土压力不予考虑，计算结果将偏于安全。
2）对临水侧刃脚前缘的力臂和力矩计算
表2-3 每延米沉井的外力及力矩计算表
|
垂直力kN
|
水平
土、水压力kN
|
对底板前趾的力臂m
|
力矩kN·m
|
|
计算式
|
结果
|
抗倾
|
倾覆
|
|
30
|
|
0.1+0.6/2
|
0.4
|
12
|
|
|
80
|
|
0.1+6.4/2
|
3.3
|
264
|
|
|
370
|
|
6.6/2
|
3.3
|
1221
|
|
|
37
|
|
6.6/2
|
3.3
|
122.1
|
|
|
551
|
|
6.6/2
|
3.3
|
1818.3
|
|
|
123
|
|
6.6/2
|
3.3
|
405.9
|
|
|
30.64
|
|
0.7+5.6/2
|
3.5
|
107.24
|
|
|
-594
|
|
6.6/2
|
3.3
|
-1960.2
|
|
|
|
0.17
|
|
0.08
|
|
0.014
|
|
|
46.25
|
|
4.63
|
|
214.138
|
627.64 46.41 1990.34 214.15
3）抗倾、抗滑、抗浮及地基承载力验算
根据《船闸水工建筑物设计规范》第3.2.3条，粘性土基上船闸结构，沿结构基底面的抗滑稳定安全系数按下式计算：
Kc=(tanφ0ΣV+c0A)/ΣH
式中： Kc——土基的抗滑稳定系数，应满足此规范第3.3.1条规定；
ΣH、ΣV——分别是作用与结构上的全部荷载对滑动面切向和法向投影总和（kN）；
φ0、c0——结构与土基间的内摩擦角（°）和粘聚力（kPa），应符合第3.2.4条规定
A——结构与地基的接触面积（m^2）。
根据第3.2.4条粘性土的φ0、c0分别取：
φ0=0.90φ=0.90*14°=12.6°
c0=(0.20～0.30c)取c0=0.30c=12.6kPa。
结构基底面与土基之间的综合摩擦系数为：
f0=(tanφ0ΣV+c0 A)/ΣV
=(tan12.6°*627.64+12.6*6.6*1)/627.64
=0.356<0.45
故可带入Kc=f0ΣV/ΣH，求得
Kc=0.356*627.64/46.41=4.8>1.3
符合第3.3.1条规定，故沿沉井底面的抗滑稳定性满足要求。
根据规范的第3.2.8条，船闸结构的抗倾安全系数按下式计算：
Ko=MR/Mo
式中： Ko——抗倾稳定安全系数，应满足此规范第3.3.3条规定；
MR——对计算面前趾的稳定力矩和，其中包括浮托力产生的力矩；
Mo——对计算面前趾的倾覆力矩和，其中包括渗透压力产生的力矩；
所以 Ko=1990.34/214.15=9.3>1.5
符合第3.3.3条规定，故沿沉井临水侧刃脚前缘的抗倾稳定性满足要求。
根据规范的第3.2.9条，船闸结构的抗浮安全系数按下式计算：
Kf=V/U
式中： Kf——抗倾稳定安全系数，应满足此规范第3.3.4条规定；
V——向下垂直力总和；
U——扬压力总和；
所以 Kf=(627.64+594)/594=2.06>1.05
符合第3.3.4条规定，故沉井抗浮稳定性满足要求。
沉井基础可视为矩形基础，按《重力式码头设计与施工规范JTJ290-98》第3.6.7条进行地基承载力验算。合力作用点距墙前趾的距离：
ξ=(MR-Mo)/V=(1990.34-214.15)/627.64=2.83m
>B/3=6.6/3=2.2m
合力偏心距：
e=B/2-ξ=6.60/2-2.83=0.47m
基底应力为：
σmax,min=V(1±6e/B)/B
=627.64*(1±6*0.47/6.6)/6.6
=135.7,54.5 kPa<[σ]=300kPa
故地基承载力满足要求。
2．运用期低水位计算
1）每延米沉井上的外力计算
a．自重力计算同前。
b．墙后主动土压力计算
由于各层土的抗剪强度指标相同，在分层处土压力强度，不发生变化,是连续分布的。
Ka=tan(45°-φ/2)^2=tan(45°-14°/2)^2=0.61
Ka^1/2=0.78
各高程处土压力强度为：
▽20.83～▽15.80 γ=18.8kN/m^3, γ’=8.8kN/m^3
▽20.83 σ1=3*0.61-2*42*0.78=-63.8kPa
▽18.33 σ2=18.8*2.5*0.61+σ1=-35.1kPa
▽15.80 σ3=8.8*2.53*0.61+σ2=-21.5kPa
此层土压力为0；
▽15.80～▽10.33 γ=19.6kN/m^3, γ’=9.6kN/m^3
▽10.33 σ4=5.47*9.6*0.61+σ3=10.6kPa
此层土压力强度为0点在▽10.33以上的距离：
Y=5.47*10.6/(21.5+10.6)=1.81m
故只在最下面一层有土压力，每延米的合力为
EH=1/2*10.6*1.81=9.6kN
对临水侧刃脚边缘的力臂为：
y1=1/3*0.1.81=0.60m
图2-3 运用低水期沉井自重及水压力简图
c．剩余水压力的计算
墙后水位比墙前高出0.5m，故剩余水压力的分布如图2-3所示。
▽18.33 p1=0kPa
▽17.83 p2=γwH=10*0.5=5kPa
▽10.33 p3=p2=5kPa
每延米的合力为 PW=1/2*5*0.5+5*7.5=38.75kN
对临水侧刃脚边缘的力臂
y2=[1/2*5*0.5*(0.5/3+7.5)+5*7.5*7.5/2]/38.75=3.88m
d．扬压力
由于水头差较小，排水条件较好，扬压力中不考虑渗压力，仅计算浮托力。浮托力按《船闸水工建筑物设计规范》第6.1.17条按低水位计算：
U=(17.83-10.33)*6.6*10=495kN/m
2）对临水侧刃脚前缘的力臂和力矩计算
表2-4 每延米沉井的外力及力矩计算表
|
垂直力kN
|
水平
土、水压力kN
|
对底板前趾的力臂m
|
力矩kN·m
|
|
计算式
|
结果
|
抗倾
|
倾覆
|
|
30
|
|
0.1+0.6/2
|
0.4
|
12
|
|
|
80
|
|
0.1+6.4/2
|
3.3
|
264
|
|
|
370
|
|
6.6/2
|
3.3
|
1221
|
|
|
37
|
|
6.6/2
|
3.3
|
122.1
|
|
|
551
|
|
6.6/2
|
3.3
|
1818.3
|
|
|
123
|
|
6.6/2
|
3.3
|
405.9
|
|
|
30.64
|
|
0.7+5.6/2
|
3.5
|
107.24
|
|
|
-495
|
|
6.6/2
|
3.3
|
- 1633.5
|
|
|
|
9.6
|
|
0.60
|
|
5.76
|
|
|
38.75
|
|
3.88
|
|
150.35
|
726.64 48.35 2317.04 156.11
3）抗倾、抗滑、抗浮及地基承载力验算
结构基底面与土基之间的综合摩擦系数为：
f0=(tanφ0ΣV+c0 A)/ΣV
=(tan12.6°*726.64+12.6*6.6*1)/726.64
=0.338<0.45
故可带入Kc=f0ΣV/ΣH，求得抗滑系数为
Kc=0.338*726.64/48.35=5.1>1.3
符合第3.3.1条规定，故沿沉井底面的抗滑稳定性满足要求。
抗倾安全系数为：
Ko=2317.04/156.11=14.8>1.5
故沿沉井临水侧刃脚前缘的抗倾稳定性满足要求。
抗浮安全系数为：
Kf=(726.64+495)/495=2.47>1.05
故沉井抗浮稳定性满足要求。
沉井基础合力作用点距墙前趾的距离：
ξ=(MR-Mo)/V=(2317.04-156.11)/726.64=2.97m
>B/3=6.6/3=2.2m
合力偏心距：
e=B/2-ξ=6.60/2-2.97=0.33m
基底应力为：
σmax,min=V(1±6e/B)/B
=726.64*(1±6*0.33/6.6)/6.6
=143.1,77.1 kPa<[σ]=300kPa
故地基承载力满足要求。
3．地震期计算
抗震计算可以参考文献[4]中沉箱计算的部分，并结合《水运工程抗震设计规范》进行。
1)沉井结构重心及重心矩的计算
|
表2-5 沉井结构重心的计算表（坐标原点处于临水侧刃脚的前缘点）
|
|
部件名称
|
体积
|
重心坐标
|
重心矩
|
|
计算式
|
Vi (m^3)
|
Xi (m)
|
Yi (m)
|
Vi xi (m^4)
|
Vi yi(m^4)
|
|
顶盖板
|
0.5*6.4*9.95
|
31.84
|
3.3
|
8.25
|
105.07
|
262.68
|
|
刃脚台阶以上井壁和隔墙
|
[(9.95-0.3*2)6.4
-2*3.825*5.2
+4*0.4*0.4]*4.5
|
93.15
|
3.3
|
5.75
|
307.40
|
535.61
|
|
刃脚台阶以下井壁和隔墙
|
[(9.95-0.3*2)*6.6 -2*3.825*5.2 +4*0.4*0.4]*2.5
|
90.28
|
3.3
|
2.25
|
297.92
|
203.13
|
|
人孔
|
(1*1-4* 1/2*0.2*0.2)*0.5
|
-0.46
|
3.3
|
2
|
-1.52
|
-0.92
|
|
刃脚
|
6.4*9.95*1-(5.2*8.15+6.2*8.95)/2 *1
|
14.745
|
3.3
|
0.646
|
48.66
|
9.53
|
|
突角
|
4*1/2(0.7+1)*0.3
|
1.02
|
3.3
|
4
|
3.37
|
4.08
|
|
合计
|
|
230.575
|
|
|
760.9
|
1014.11
|
沉井的自重力 G=230.575*25=5764.375
重心 X=760.90/230.575=3.3m
Y=1014.11/230.575=4.398m
2)沉井及填料自重力对临水侧刃脚前缘的力矩的计算
1）设计高水位19.33m，计算表如下
表2-6 沉井及填料自重力对临水侧刃脚前缘的力矩的计算表
|
部件名称
|
自重力(kN)
|
力臂X(m)
|
稳定力矩(kN·m)
|
|
计算式
|
水上
|
水下
|
|
防浪墙
|
0.6*1.5*9.95*25
|
214.704
|
|
0.4
|
85.88
|
|
0.6*0.5*9.95*15
|
|
44.775
|
17.91
|
|
沉井结构
|
230.575*15
|
|
3458.625
|
3.3
|
11413.46
|
|
沉井内填土
|
(2*5.2*3.825-4*0.4*0.4)*7*10
|
|
2739.8
|
3.3
|
9041.34
|
|
防浪墙后土
|
5.8*1.0*9.95 *18.44
|
1064.17
|
|
3.6
|
3831.02
|
|
5.8*1.0*9.95*10
|
|
577.1
|
2077.56
|
|
封底混凝土
|
(5.2*8.15+6.2* 8.95)/2 *1*15
|
|
734.025
|
3.3
|
2422.28
|
|
合计
|
|
1278.88
|
7554.325
|
|
28889.46
|
|
8833.20
|
稳定力臂=28889/8833=3.270m
2）设计低水位17.83m，计算表如下
表2-7 沉井及填料自重力对临水侧刃脚前缘的力矩的计算表
|
部件名称
|
自重力(kN)
|
力臂X(m)
|
稳定力矩(kN·m)
|
|
计算式
|
水上
|
水下
|
|
防浪墙
|
0.6*2*9.95*25
|
298.5
|
|
0.4
|
119.40
|
|
沉井结构
|
6.4*0.5*25
|
80
|
|
3.3
|
264.00
|
|
(230.575-6.4*0.5)*15
|
|
3410.625
|
11255.06
|
|
沉井 内填土
|
(2*5.2*3.825-4*0.4*0.4)*0.5*20
|
391.4
|
|
3.3
|
1291.62
|
|
(2*5.2*3.825-4*0.4*0.4)*6.5*10
|
|
2544.1
|
8395.53
|
|
防浪墙后的填土
|
5.8*2.0*9.95 *18.44
|
2128.34
|
|
3.6
|
7662.04
|
|
封底 混凝土
|
(5.2*8.15+6.2 *8.95)/2 *1*15
|
|
734.025
|
3.3
|
2422.28
|
|
合计
|
|
2898.24
|
6688.75
|
|
31409.94
|
|
9586.99
|
稳定力臂=31410/9587=3.276m , 一、设计基本资料
1.土层地质资料
根据《京杭运河刘老涧三线船闸工程初步设计工程地质勘察报告》，上游辅助导航墙沉井位于测点ZK115附近，各土层资料如下表。
表2-1 上游辅助导航墙土层地质资料表
|
层号
|
高程
|
重度
|
土层
名称
|
天然
含水量
ω(%)
|
天然
孔隙比
e
|
塑性
指数
Ip
|
液性
指数
IL
|
容许承载力建议值f(kPa)
|
|
1b
|
▽20.83-
▽17.00
|
18.8
|
灰黄色素填土
|
27.4
|
0.857
|
19.8
|
0.17
|
100
|
|
1-1
|
▽17.00-
▽15.80
|
18.8
|
粘土
|
31.9
|
0.900
|
22.0
|
0.34
|
120
|
|
2-1
|
▽15.80-
▽14.00
|
19.6
|
粘土
|
26.8
|
0.773
|
22.8
|
0.10
|
160
|
|
3-1
|
▽14.00-
▽9.30
|
19.6
|
粘土夹砂礓
|
27.2
|
0.781
|
28.0
|
0.03
|
300
|
|
3-1a
|
▽9.30-
▽5.80
|
19.5
|
粘土夹砂礓
|
27.7
|
0.794
|
26.8
|
0.08
|
350
|
各层土的抗剪指标均是：c=42kPa，φ=14°。井筒填料采用填土γ=20kN/m^3。
2.设计水位和工况
上游设计最高通航水位为▽19.33，设计最低通航水位为▽17.83。运用期高、低水位墙后的水位分别按墙前对应的水位加50cm计算。施工水位为▽18.03。
表2-2 上游辅助导航墙沉井计算工况表
|
工况
|
墙前水位
|
墙后水位
|
|
高水期
|
19.33
|
19.83
|
|
低水期
|
17.83
|
18.33
|
|
施工期
|
18.03
|
18.03
|
3.计算依据规范
《船闸水工建筑物设计规范JTJ307-2001》
《公路桥涵地基基础设计规范JTJ024-85》
《混凝土结构设计规范GB50010-2002》
《水运工程抗震设计规范JTJ225-98》
4.地震烈度
基本烈度为8度，设计烈度按基本烈度考虑。
5.各部分材料及沉井简图
沉井刃脚、墙身和防浪墙均采用C20的钢筋混凝土，封底采用C20的素混凝土。
两者重度均采用γ=25kN/m^3
沉井的尺寸、形状和施工完成后所在位置如下图2-1所示：
图2-1 沉井简图
二、沉井稳定性验算
1．运用期高水位计算
1）每延米沉井上的外力计算
a．自重力计算
假设封底厚1m，计算每延米沉井的自重。
防浪墙 g1=0.6*2.0*10*25/10=30kN/m
顶盖 g2=6.4*0.5*10*25/10=80kN/m
井壁和隔墙
g3={[9.95*6.6-2*(5.2+4.6)/2*0.3-2*(5.2*3.825-4*1/2*0.4*0.4)]*2.5 +[9.95*6.4-2*(5.2+4.6)/2*0.3-2*(5.2*3.825-4*1/2*0.4*0.4)]*4.5}
*25/9.95=370kN/m
刃脚 g4=[6.4*9.95*1-(5.2*8.15+6.2*8.95)/2*1]*25/9.95=37kN/m
内填料 g5=(2*5.2*3.825-4*0.4*0.4)*7*20/9.95=551kN/m
封底 g6=(5.2*8.15+6.2*8.95)/2*1*25/9.95=123kN/m
将沉井顶盖上的土重也计入沉井的自重力
g7=18.8*2=30.64kPa
b．墙后主动土压力计算
由于各层土的抗剪强度指标相同，在分层处土压力强度，不发生变化,是连续分布的。
Ka=tan(45°-φ/2)^2=tan(45°-14°/2)^2=0.61
Ka^1/2=0.78
图2-2 运用高水期沉井自重及水压力简图
各高程处土压力强度为：
▽20.83～▽15.80 γ=18.8kN/m^3, γ’=8.8kN/m^3
▽20.83 σ1=3*0.61-2*42*0.78=-63.8kPa
▽19.83 σ2=18.8*1*0.61+σ1=-52.3kPa
▽15.80 σ3=8.8*4.03*0.61+σ2=-30.7kPa
此层土压力为0；
▽15.80～▽10.33 γ 全套毕业设计论文现成成品资料请咨询微信号：biyezuopin QQ：2922748026
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