水运工程新型桶式基础结构技术，地基承载力验算成果

对于桶式基础结构的基底地基极限竖向承载力，可用《水运工程地基设计规范》（JTS 147—2017）中关于极限竖向承载力计算方法进行计算，并确定地基的允许承载力。计算情况如图7-12所示。

7.3.2.1　竖向荷载

竖向设计荷载包括结构自重、竖向使用荷载10kPa和桶式基础结构内土体自重等。

桶式基础结构设计高水位下，结构水下体积为1375m3、水上体积为217m3。

（1）结构自重为

Gst＝1375×15＋217×25＝26000kN

图7-12　桶式基础结构防波堤计算简图

竖向使用荷载10kPa，作用于每组桶体上的走道板上，走道板长21m、宽5.1m。

（2）竖向使用荷载为

Gq＝10×21×5.1＝1071kN

桶式基础结构插入地基中，下桶内土体按土层不同计算自重，下桶截面面积为514m2，桶底面积为60.8m2，桶体插入淤泥层深度为10.05m，粉质黏土层深度为0.45m，淤泥浮容重为6.0kN／m3，粉质黏土浮容重为8.6kN／m3。

（3）桶式基础内土体自重为

Gsl＝（514－60.8）×10.05×6.0＋（514－60.8）×0.45×8.6＝29081.84kN

7.3.2.2　土压力

1）主动土压力

（1）淤泥层主动土压力计算时，淤泥黏聚力为5.56kPa、摩擦角为2.74°、土层厚度为10.05m。

淤泥层顶面主动土压力为

Ea1＝－2×5.56×tan（45°－2.74°／2）＝－10.6kN／m

淤泥层底面主动土压力为

Ea2＝6×10.05×tan2（45°－2.74°／2）－2×5.56×tan（45°－2.74°／2）＝46.67kN／m

（2）粉土层主动土压力计算时，粉质黏土黏聚力为24kPa、摩擦角为20°、土层厚度为0.45m。

粉土层顶面主动土压力为

Ea3＝6×10.05×tan2（45°－20°／2）－2×24×tan（45°－20°／2）＝－4.33kN／m

粉土层底面主动土压力为

Ea4＝（6×10.05＋8.6×0.45）×tan2（45°－20°／2）－2×24×tan（45°－20°／2）＝1.7045kN／m

（3）总主动土压力计算时，负的主动土压力部分按0取用，总主动土压力为

Ea＝0.5×46.67×10.55＋0.5×1.7045×0.45＝247.45kN／m

2）被动土压力

（1）淤泥层被动土压力计算时，淤泥黏聚力为5.56kPa、摩擦角为2.74°、土层厚度为10.05m。

泥层顶面被动土压力为

Ep1＝2×5.56×tan（45°＋2.74°／2）＝11.68kN／m

淤泥层底面被动土压力为

Ep2＝6×10.05×tan2（45°＋2.74°／2）＋2×5.56×tan（45°＋2.74°／2）＝78kN／m

（2）粉土层被动土压力计算时，粉质黏土黏聚力为24kPa、摩擦角为20°、土层厚度为0.45m。

粉土层顶面主动土压力为

Ep3＝6×10.05×tan2（45°＋20°／2）＋2×24×tan（45°＋20°／2）＝176.65kN／m

粉土层底面主动土压力为

Ep4＝（6×10.05＋8.6×0.45）×tan2（45°＋20°／2）＋2×24×tan（45°＋20°／2）＝198.9kN／m

（3）总被动土压力计算时，泥面处被动土压力按0取用，总被动土压力为

Ep＝0.5×78×10.55＋0.5×（176.65＋198.9）×0.45＝495.95kN／m

3）土压计算汇总

根据主、被动土压力的计算结果，绘制土压力分布如图7-13所示。

图7-13　土压力分布

7.3.2.3　桶式基础底面以上荷载力臂

（1）根据土压力分布（图7-13），计算主、被动土压力相对桶底的力臂。

主动土压力合力对桶底边的力臂ya为

ya＝［（10.55／3＋0.45）×（0＋46.67）／2×10.55＋0.45／3×（0＋1.70）／2×0.45］／［（0＋46.67）／2×10.55＋（0＋1.70）／2×0.45］＝3.95m

被动土压力合力对桶底边的力臂yp为

yp＝［（10.55／3＋0.45）×（0＋78.00）／2×10.55＋0.45／3×（176.50＋198.90）／2×0.45］／［（0＋78.00）／2×10.55＋（176.50＋198.90）／2×0.45］＝3.32m

（2）根据试验可知，波浪荷载相对桶底的力臂为20.4m。

7.3.2.4　荷载相对桶式基础结构底的力矩

1）倾覆力矩(www.xing528.com)

根据土压力分布（图7-13），计算土压力与波浪力对桶底边前趾倾覆力矩MO为

MO＝17485／21×20.4＋247.45×3.95－495.95×3.32＝16316.31kN·m／m

2）抗倾覆力矩

（1）将竖向的结构自重荷载、桶式基础结构内土体自重荷载和使用荷载，换算成断面的延米荷载，计算结果如下：

Vk＝（Gst＋Gq＋Gsl）／21＝（26000＋1071＋29081.84）／21＝2673.94kN／m

（2）根据土压力分布（图7-13），计算竖向合力对桶底边前趾的抗倾覆力矩MR为

MR＝2673.94×27／2＝36098.25kN·m／m

7.3.2.5　桶式基础结构底的应力分布

1）合力作用点与桶底前趾的距离根据《水运工程地基设计规范》（JTS147—2017）中的计算方法，进行计算合力作用点与桶底前趾的距离ξ为：

ξ＝（MR－MO）／Vk＝（36098.25－17962.86）／2673.94＝7.40m＜25.7／3＝8.57m

2）桶式基础结构底的应力最大值和最小值

根据《水运工程地基设计规范》（JTS147—2017）中的计算方法，计算出最大、最小应力如下：

σmax＝2Vk／（3ξ）＝2×2673.94／（3×7.40）＝240.90kPa

σmin＝0

3）桶式基础结构底的应力分布宽度

根据最大最小应力换算出应力作用宽度B1：

B1＝2Vk／σmax＝2×2673.94／240.90＝22.20m

7.3.2.6　极限承载力

1）地基极限承载力竖向应力的平均值

根据《水运工程地基设计规范》（JTS147—2017）中的极限承载力竖向应力的平均值计算公式，并结合相应参数来计算竖向应力的平均值：

通过《水运工程地基设计规范》（JTS147—2017）中的附表，查得Nγ、Nq、Nc的取值。

（1）Nγ取值。根据《水运工程地基设计规范》（JTS147—2017）中的计算方法确定，先确定桶底计算面以上的荷载q：

q＝10.05×6.0＋0.45×8.6＝64.17kPa（10.05m是10.55m扣除盖板厚度0.5m）

λ＝γkB／（ck＋qtanφ）＝8.6×25.7／（24＋64.17×2.27）＝1.30

Nγ按φ＝20°、λ＝2取值，Nγ＝1.137。

（2）Nq取值。根据Nc值和所在土层的摩擦角确定。

Nq＝Nctanφ＋1＝6.227×tan20°＋1＝3.27

（3）Nc取值。根据计算荷载倾斜角正切值和所在土层的摩擦角确定。

tanб＝Hk／Vk＝（17485／21＋247.45－495.95）／2673.94＝0.22

Nc按φ＝20°、tanб＝0.3取值，查表得Nc＝6.227。

（4）将Nγ、Nq、Nc的值和土体浮容重代入式（7-3），求出极限承载力竖向应力的平均值：

2）地基极限承载力竖向合力标准值

地基极限承载力竖向合力标准值Pz由地基极限承载力竖向应力的平均值乘以计算宽度求得：

Pz＝484.93×25.7＝12462.80kN／m

3）荷载作用下的地基极限承载力竖向合力标准值

（1）竖向合力设计值：

Vd＝γs·Vk＝1.0×2673.94＝2673.94kN／m

（2）极限承载力竖向合力的标准值与竖向合力设计值的比值K*：

K*＝Pz／Vd＝12462.80／2673.94＝4.66

（3）作用于计算面上的竖向应力：

（4）根据计算面上的竖向应力、地基极限承载力竖向应力平均值和荷载作用下地基应力分布宽度，可以绘制地基极限承载力计算示意图（图7-14）。

图7-

14　地基极限承载力计算简图

（5）根据图7-14可以计算荷载作用下的地基极限承载力竖向合力标准值Fk：

Fk＝［（1122.59－484.93）／1122.59×22.2＋22.2］／2×484.93＝8439.72kN／m

7.3.2.7　地基承载力验算

《水运工程地基设计规范》（JTS147—2017）中的地基承载力极限状态验算表达式为

将前面计算出的各个参数代入验算式可得：

1.0×2673.94＝2673.91＜8439.72／3＝2813.24kN

满足稳定性要求。