泰州长江公路大桥中塔沉井地基极限承载力研究报告

1 工程概况 跨江大桥为主跨 1080m三塔悬索桥。主桥桥跨

布置为 390+1080+1080+390m 。 中塔墩采用矩形沉井基础，平面尺寸为 58.2×44.1m。

基础埋深达 55m，属于深基础。 冲刷问题较为严重，如何将冲刷影响考虑在地基

极限承载力的计算中，也是研究的难点。 根据多个经典的理论解法，计算中塔沉井地基的

极限承载力，并比较各种算法的结果。为工程设计和施工提供科学依据。

5 计算参数 主要土层的物理力学参数如表 5.1和表 5.2所示：

表 5-1 中塔沉井基础设计参数推荐值

5.2 基础结构尺寸 中塔矩形沉井基础为三排十二孔型，单个井孔为 12.7m×12.7m，沉井平面尺度 44.1m×58.2m 、倒圆半径为 7.95m，沉井外壳厚 1.6m，隔仓厚 1.4m，沉井高度 88m。外圈 10个井孔承台厚 6m，中间两井孔承台厚 2m。承台平面尺度50.4m×64.5m ，顶面标高▽ 6m。

沉井垂直立面方向初步分为 12节，底节及顶节高 8m，其余每节高 6m。下部 7节为钢沉井，上部 5节为钢筋混凝土沉井。封底混凝土厚 11m，沉井底标高▽－ 82m，沉井底脚位于河床中砂层。承台顶面对称设置四墩座连接索塔结构，每个墩座平面尺度 5m×6.2m，顶面标高▽ 8m，具体见图4-1。

（图中尺寸除标高以米计外，其余均以厘米为单位）图 5-1 沉井基础结构图

5.3 冲刷线形态 根据试验及模型计算，可得不同条件下河床冲刷线形态， 300年一遇洪水、 20年一遇洪水冲刷坑纵剖面形态图分别如图 5-2、 5-3所示，平面冲刷深度云图分别如图 5-4、 5-5所示，局部冲刷影响范围如表 5-3所示。不同流量条件下，最大局部冲刷深度如表 5-4所示。

图 5-2 沉井基础局部冲刷坑纵剖面形态图（ 300 年一遇洪水， 1:100 ，高程、尺度单位： m ）

图 5-3 沉井基础局部冲刷坑纵剖面形态图（ 20 年一遇洪水， 1:100 ，高程、尺度单位： m ）

水 流 方 向

-40m

-39m

-37m

-35m

-30m

-20m

-10m

-5m

-2m

5m

10m

冲 刷 深 度

0m 30m 60m

图 5-4 沉井基础 300 年一遇局部冲刷坑形态图（ 1:100 水流交角 0 度）

水 流 方 向

-40m

-39m

-37m

-35m

-30m

-20m

-10m

-5m

-2m

5m

10m

0m 30m 60m

冲 刷 深 度

图 5-5 沉井基础 20 年一遇局部冲刷坑形态图（ 1:100 水流交角 0 度）

表 5-3 桥墩局部冲刷坑影响范围（水流流向与桥墩轴线交角 ） 0

冲刷坑形状工况

冲刷坑影响长度（ m） 冲刷坑影响宽度（ m）

冲深2m

冲深5m

冲深 10m

冲深 20m

冲深2m

冲深5m

冲深 10m

冲深 20m

矩形沉井基础

300年一遇 420 320 240 170 320 250 200 130

20年一遇 380 310 220 140 300 240 190 120

表 5-4 矩形沉井基础不同行近流速时的最大局部冲深 流 量

(m3/s) 水深

(m) 流速

(m/s) 最大冲深

(m)冲刷坑最深点标高 (m)

12000 16.10 0.80 4.10 -19.50

20000 16.46 1.00 6.60 -22.00

30000 17.00 1.20 9.20 -24.60

43000 18.30 1.50 13.80 -29.30

65000 19.30 2.00 23.10 -38.50

80000 20.10 2.38 31.70 -47.10

91000 20.63 2.81 41.00 -56.40

6 计算结果

沉井基础长度为 58m，宽度为 44m。计算深度由各工况的冲刷线位置确定。对于局部冲刷情况，根据冲刷坑曲线及影响半径积分求出上部土体的重量，再转换为等效一般冲刷的计算深度。

根据 Vesic理论中的（ 3-1）式和（ 3-2）可知，基础发生局部剪切破坏。

各种条件下，地基极限承载力计算值如表 6-1、表 6-2及表6-3所示，其中带下划线的值为局部冲刷情况下的结果，是主要参考的计算值。

表 6-1 300 年沉井基础一遇各冲刷方式地基极限承载力比较 冲刷方式

计算深度（ m）

Terzaghi解（Mpa）

Meyerhof解（Mpa）

Hansen解（ Mpa）

Vesic解（ Mpa） Березанцев解（Mpa） 葡萄牙规范

（Mpa）

无冲刷 54.6 32.9 37.5 37.0 40.9 37.3 31.4

一般冲刷 50.73 31.2 35.3 35.6 38.7 34.9 30.5

局部冲刷 29.58 22.1 24.1 27.5 27.2 26.1 24.6

完全冲刷 10.73 13.9 15.0 20.8 18.0 18.9 19.0

表 6-2 20 年一遇沉井基础各冲刷方式地基极限承载力比较 冲刷方式

计算深度（ m）

Terzaghi解（Mpa）

Meyerhof解（Mpa）

Hansen解（ Mpa）

Vesic解（ Mpa） Березанцев解（Mpa） 葡萄牙规范

（Mpa）

无冲刷 54.6 32.9 37.5 37.0 40.9 37.3 31.4

一般冲刷 50.73 31.2 35.3 35.6 38.7 34.9 30.5

局部冲刷 33.56 23.8 26.1 29.1 29.3 27.9 25.7

完全冲刷 17.7 16.9 18.2 22.8 21.3 21.8 21.0

表 6-3 流量 65000m3/s 沉井基础各冲刷方式地基极限承载力比较

冲刷方式

计算深度

（ m）

Terzaghi解（Mpa）

Meyerhof解（Mp

a）

Hansen解（ Mpa）

Vesic解（ Mpa）

Березанцев解（Mpa）

葡萄牙规范（Mpa）

无冲刷 54.6 32.9 37.5 37.0 40.9 37.3 31.4

一般冲刷 50.73 31.2 35.3 35.6 38.7 34.9 30.5

局部冲刷 41.43 27.2 30.2 32.1 33.5 32.6 28.0

完全冲刷 31.5 22.9 25.0 28.3 28.2 27.4 25.2

结论

在相同工况条件下，各计算方法得到的结果相差不大，说明了计算方法的正确性。各计算方法都有其优缺点和侧重点，但 Vesic解考虑土体自重，并考虑了局部剪切破坏或刺入剪切破坏的情况，能够全面反映各种因素的影响，而泰州大桥沉井基础地基属局部剪切破坏，并结合具体情况，故本文建议采用 Vesic的解答。