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1、第五章 锚碇基础1土木工程学院岩土工程系内容提要51悬索桥及其锚碇52重力式锚碇基础的类型53重力式锚碇基础的设计54锚碇基础的施工2土木工程学院岩土工程系悬索桥，是指以悬索为主要承重结构的桥，由主缆、主塔、加劲梁、锚碇、吊索、桥面等部分组成。主缆的固定方式：自锚式和地锚式。51悬索桥及其锚碇3土木工程学院岩土工程系自锚式悬索桥湘江三汊矶大桥，主桥长732m，主跨长328m，是我国最大的自锚式悬索桥。主缆直接锚固在加劲梁上。4土木工程学院岩土工程系优点不需要修建大体积的锚碇，特别适用于地质条件很差的地区。受地形限制小，可结合地形灵活布置，既可做成双塔三跨的悬索桥，也可做成单塔双跨的悬索桥。对于
2、钢筋混凝土材料的加劲梁，由于需要承受主缆传递的压力，刚度会提高，节省了大量预应力构造及装置，同时也克服了钢在较大轴向力下容易压屈的缺点。采用混凝土材料可克服以往自锚式悬索桥用钢量大、建造和后期维护费用高的缺点，能取得很好的经济效益和社会效益。保留了传统悬索桥的外形，在中小跨径桥梁中是很有竞争力的方案。5土木工程学院岩土工程系缺点由于主缆直接锚固在加劲梁上，梁承受了很大的轴向力，为此需加大梁的截面，对于钢结构的加劲梁则造价明显增加，对于混凝土材料的加劲梁则增加了主梁自重，从而使主缆钢材用量增加，所以采用了这两种材料跨径都会受到限制。施工步骤受到了限制，必须在加劲梁、桥塔做好之后再吊装主缆、安装吊
3、索，因此需要搭建大量临时支架以安装加劲梁。所以自锚式悬索桥若跨径增大，其额外的施工费用就会增多。锚固区局部受力复杂。相对地锚式悬索桥而言，由于主缆非线性的影响，使得吊杆张拉时的施工控制更加复杂。6土木工程学院岩土工程系地锚式悬索桥日本明石海峡大桥最长的悬索桥7土木工程学院岩土工程系8土木工程学院岩土工程系北岸南岸江阴长江大桥南北锚碇为均为重力式。9土木工程学院岩土工程系南锚碇开挖施工中北锚碇沉井基础施工中10土木工程学院岩土工程系11土木工程学院岩土工程系地锚式的类型12土木工程学院岩土工程系乔治华盛顿大桥新泽西侧的隧道式锚碇13土木工程学院岩土工程系52重力式锚碇基础的类型一、浅埋扩大式基础
4、二、地下连续墙基础三、沉井基础四、桩基础14土木工程学院岩土工程系一、浅埋扩大式基础当基岩或良好土层较浅时，可采用浅埋扩大基础，亦称直接基础。与其他基础形式相比，浅埋扩大基础的结构形式简单，施工方便，是应首先考虑的基础形式。浅埋扩大基础多置于岩石上，置于土层时通常需对地基进行加固处理。此外，该类基础多在陆地或浅水区，采用明挖干施工。15土木工程学院岩土工程系为提高基础的稳定性，可将基础的底面作成前高后低的倾斜状，以抵消部分主缆拉力，如丹麦的大贝尔特（Great Belt）桥的基础底面就设置成与水平面呈10.4o的倾斜面；还可将基底作成锯齿状、台阶状等，甚至可以将型钢混凝土桩插入基础与基岩之间，
5、以加大基底的水平阻力。锚碇还可设计成如右图所示的形式，如江阴长江大桥南锚、虎门大桥东锚、汕头海湾大桥南锚等，此时，基础与锚碇的其他部分已融为一体。16土木工程学院岩土工程系二、地下连续墙基础当基岩或良好土层埋深很大时，为给基础提供较强的持力层，可采用深埋基础形式。常用的深埋基础的形式有两类：地下连续墙基础及沉井基础。其中，地下连续墙基础适于场地处在陆地或浅水区；沉井基础的适用性则较强，可用于陆地、浅水区、深水区的施工。地下连续墙基础先以地下连续墙围成圆形或矩形截面的围护结构，然后用“逆作法”施做内衬，其作用是与连续墙一同承担坑外的土、水压力。挖至设计深度形成基坑，再浇筑底板，然后在其中灌注（填
6、筑）混凝土或砂、水等增加重量，最后浇筑顶板形成基础。17土木工程学院岩土工程系武汉阳逻长江大桥主桥为250m+1280m+440m的悬索桥，主缆设计拉力为617900kN。其南锚碇位于长江南岸的I级阶地，属长江冲积平原的高河漫滩，地势相对平缓。覆盖层为厚50.451.6m的第四系冲积亚黏土、淤泥质亚黏土、亚黏土夹亚砂土、粉砂、细砂、含砾细中砂及圆砾，下伏砾岩、砂岩。强风化砾岩岩性破碎，强度较低；弱风化砾岩完整性较好，饱和单轴抗压强度为12.829.4MPa之间；锚址区水文地质差，覆盖层地下水与长江水连通。针对上述特点，南锚碇采用了圆形地下连续墙基础，以卵石、圆砾层作为基底持力层。连续墙外径73
7、m，壁厚1.5m，内衬由上到下采用1.5m、2.0、2.5m不同的厚度，基坑开挖深度41.5m，底板厚度6m，坑内回填填芯混凝土，最后浇筑610m厚的钢筋混凝土顶板形成基础。武汉阳逻长江大桥南锚碇圆形地下连续墙基础18土木工程学院岩土工程系武汉阳逻长江大桥19土木工程学院岩土工程系润扬长江大桥南汊桥主桥北锚碇矩形地下连续墙基础润扬长江大桥南汊桥主桥为470m1490m470m的悬索桥，其北锚碇为亚黏土、亚黏土夹粉砂、淤泥质亚黏土、粉细砂、砾砂等第四系覆盖层，厚度47.5m48.5m，下为强风化、弱风化、微风化花岗闪长岩、花岗斑岩，地下水位受长江水位影响明显，枯水期地下水标高1.5m1.6m，丰
8、水期3.6m4.1m。经与沉井基础、圆形地下连续墙基础等方案比较后，最终选取了矩形地下连续墙基础方案。北锚碇基础基岩埋深约50 m，基坑平面尺寸为69 m50 m，开挖深度达48 m，采用壁厚1.2 m的地下连续墙和12道钢筋混凝土支撑作为围护结构。基础底板浇筑后，基坑内设置的3道纵隔板、4道横隔板将基础分为20个隔舱，除2个隔舱填混凝土，2个隔舱灌水外，其余16个隔舱均填砂，除可起到调节基础重心的作用外，也节省了混凝土的用量。20土木工程学院岩土工程系21土木工程学院岩土工程系三、沉井基础江阴长江大桥北锚碇一般沉井基础江阴长江大桥为336.5m+1385m+309.4m的单孔简支钢箱悬索桥，
9、其北锚碇所在的地层由淤泥质亚黏土与松散亚砂土、亚砂与亚黏土互层和粉细砂、硬塑或半坚硬的粉质黏土层并夹有粉细砂、密实的细砂，含砾中粗砂层等组成的厚度78m86 m的覆盖层，下为石灰岩。地下水位在地表下l2m，20m40 m和50 m以下存在两层承压水层，并与长江水相连通。考虑到锚碇所承受的主缆拉力巨大、基岩上覆盖土层厚、地下水丰富等原因，经综合比较分析，选择长69m、宽51m、高58m的特大沉井作为锚碇基础，沉井在平面上分为36个隔舱，竖向分为11节，并在沉井后段隔舱中填砂、填水，增加基础的重量，并使其重心后移，为提高基础的稳定性。22土木工程学院岩土工程系23土木工程学院岩土工程系南京长江第四
10、大桥北锚碇一般沉井基础南京长江第四大桥为主跨1418m的双塔三跨全漂浮体系钢箱悬索桥。北锚碇采用沉井基础，沉井尺寸为69.0m58.0m52.8m。沉井顶面标高4.3m，基底标高-48.5m，置于密实卵砾石层，沉井共分11节，除第1节为钢壳混凝土沉井外，其余均为钢筋混凝土沉井。24土木工程学院岩土工程系25土木工程学院岩土工程系四、桩基础桩基础是锚碇基础很少采用的形式，这主要是因为桩基结构相对较轻，而作用机理比较复杂，设计者对其在运营期间能否有效控制位移并无很大把握。目前，锚碇桩基的应用在国内尚无先例，不过在国外则有成功的应用，如1997年建于美国洛杉矶的文森特桥(Vincent Thomas
11、 Bridge)及2007年在加利福利亚建成的新卡圭尼兹大桥(New Carquinez Bridge)。26土木工程学院岩土工程系新卡圭尼兹大桥南锚碇桩基础新卡圭尼兹大桥位于旧金山海湾，其跨度为147 m+728 m+181 m。相应的地层为：上部为厚度15 24 m的软土、松砂，下为基岩。此外，地下水位高，地震时砂土可能会发生液化。该桥的南锚碇采用了桩基形式。所采用的桩为直径760mm的现场灌注钢管管桩(Cast-in-Situ-Steel Pipe Pile)，共计380根，桩距为2.63倍桩径，为抵抗缆索的拉力,其中有占总数55%的桩为斜桩，斜率达1：3。27土木工程学院岩土工程系28
12、土木工程学院岩土工程系53重力式锚碇基础的设计一、锚碇（地基）验算的内容及要求二、锚碇受力分析三、锚碇基础的选型四、浅埋扩大基础的设计步骤五、地下连续墙基础的设计步骤六、沉井基础的设计步骤29土木工程学院岩土工程系一、锚碇（地基）验算的内容及要求锚碇地基的受力特点（1）在基础浇筑完成后，地基受力比较均匀。（2）基础之上的锚体浇筑后，由于锚体通常后重前轻，故属基底后端压应力较大，前端压应力较小的后倾偏心受压状态。（3）在运营阶段，在巨大的主缆拉力作用下，基底压应力变为前大后小的前倾状态。30土木工程学院岩土工程系锚碇地基的验算内容持力层承载力31土木工程学院岩土工程系锚碇基础偏心距锚碇整体抗滑动
13、能力32土木工程学院岩土工程系锚碇抗覆稳定性地基沉降及锚碇水平位移33土木工程学院岩土工程系二、锚碇受力分析浅埋扩大基础34土木工程学院岩土工程系锚碇整体抗滑动能力锚碇抗覆稳定性35土木工程学院岩土工程系深埋基础36土木工程学院岩土工程系锚碇整体抗滑动能力锚碇抗覆稳定性由于锚碇基础的尺寸较一般基础大得多，其受力也更为复杂，为更为准确地确定其受力及位移，可采用有限元等数值方法进行更为精细的计算。37土木工程学院岩土工程系三、锚碇基础的选型选择时需综合基础所受荷载大小、基础所在场地的水位地质条件、施工条件等因素的影响。（1）荷载锚碇的作用是为主缆提供约束，因此锚碇的尺寸及基础形式与所受的主缆拉力的
14、大小密切相关。对浅埋扩大基础来说，保证基础的抗滑、抗倾覆稳的重力及相应的摩擦阻力主要来源于锚块，因此锚碇能够承担的主缆拉力相对较小。相比之下，采用沉井等深埋基础时，除锚体重量外，基础自身（及其中填充物）的重量、土（岩）层的横向抗力等也可提供较大的阻力，因此可承担更大的主缆拉力。38土木工程学院岩土工程系（2）地质水文条件由于所受荷载很大，通常需选择良好的岩层或土层作为基础的持力层。当岩层埋深较浅时，可选择扩大式浅埋基础，如厦门海沧大桥东航道大桥的东锚碇基础。对非岩石地基，若需采用浅埋基础，可预先对地基进行加固。当岩层或良好土层埋深较大时，可采用沉井基础，如江阴长江大桥的北锚碇基础，或地下连续墙
15、基础，如武汉阳逻长江大桥南锚碇基础，以及润扬长江大桥南汊桥北锚碇基础等。39土木工程学院岩土工程系（3）施工浅埋扩大基础采用明挖法施工，因此最为简单。沉井及地下连续墙基础的施工则较为复杂，整体上看：在施工过程中，沉井及地下连续墙都可起到支撑、挡土、挡水的作用，这是其主要优点。沉井基础适用性很强，可在陆地、浅水、深水区施工。但由于尺寸大，可能会出现下沉困难、基础倾斜、偏移等现象，因此，施工技术和控制往往是成败的关键。此外，排水下沉时对土层扰动较大，造成地表沉降、土层变形等，对周围结构物产生不良影响。40土木工程学院岩土工程系地下连续墙多用在陆地或浅水区的施工，具有施工精度高、能用于各种土层的优点
16、。在砂层中成槽时会有较大风险，遇强度较高时的岩石时成槽困难，此外，还有墙体接头漏水、墙体偏斜及墙体混凝土浇筑质量不高等风险。除上述技术问题外，造价、工期等也是重要的影响因素。41土木工程学院岩土工程系四、浅埋扩大基础的设计步骤（1）确定基础的基本尺寸锚碇基础的基本尺寸主要取决于地基在承载力、沉降以及锚碇在稳定性、水平位移控制等方面的要求，同时，还需满足基础在自身结构方面的要求。浅埋扩大基础有两种基本形式，一种是基础与锚体各有独立的实体，另一种则将二者为一体。对浅埋扩大基础，保证锚碇抗滑移及抗倾覆稳定所需的重量主要由锚块提供，基础的主要作用是提供足够的基底面积，以满足地基承载力、基础抗倾覆等方面
17、的要求。因此，应1）按地基承载力要求初步拟定基底尺寸。2）根据结构受力要求，初步拟定基础的厚度。42土木工程学院岩土工程系（2）锚碇验算验算内容包括：地基承载力、偏心距、抗滑稳定性、抗倾覆稳定性等项目。地基承载力、偏心距验算时，可假定基底压力为线性分布形式，采用与一般浅埋基础相似的方法计算。若抗滑稳定性不满足要求，可采用将基础底面设为倾斜面、做成台阶状等措施。浅埋扩大基础一般都置于岩石或经过加固处理的土层上，故通常不需要进行沉降验算，同样，也不需要进行水平位移验算。43土木工程学院岩土工程系（3）基础结构设计与普通的浅埋基础不同，锚碇基础的尺寸很大，受力复杂，通常采用钢筋混凝土形式，应满足强度
18、、变形及裂缝宽度等方面的要求，可按相应的钢筋混凝土设计规范进行计算设计。44土木工程学院岩土工程系五、地下连续墙基础的设计步骤（1）确定基础的外部尺寸与浅埋扩大基础不同的是，基础的主要作用除为锚碇提供足够的地基承载力外，还需补充提供锚碇抗滑移及抗倾覆稳定所需的重力，因此，在确定基础尺寸时，应综合考虑这两方面的要求：1）应将基础置于良好的土层上，由此即可初步确定基础的高度。2）由地基承载力要求，确定所需的基础底面尺寸；考虑暂不计入桩侧土的横向抗力的情况下，为满足抗滑及抗倾覆稳定性的要求所需的基础重量；综合上述要求，可初步确定基础的截面尺寸。45土木工程学院岩土工程系（2）锚碇验算对地基承载力、偏
19、心距、抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、沉降及变形等项目进行验算，并可根据计算结果对基础尺寸进行调整。与浅埋扩大基础相比，地下连续墙基础的受力变形计算更为复杂。相对于承载力、稳定性等项目的验算，锚碇的沉降及水平位移需要更为精确的确定，而由于土的力学性质的复杂性、施工因素的影响等原因，这往往比较困难。与传统的计算模型及方法相比，采用有限元等数值方法计算时，可较好地模拟实际土（岩）层的分布形式及其性质，并可模拟基础的整个施工过程，是目前确定锚碇位移及内力最好的计算方法，但其计算工作量较大。46土木工程学院岩土工程系（3）基础结构设计地下连续墙基础的基坑开挖范围及深度都很大，因此其围护结构需要有足够的强度，
20、故采用地下连续墙+内衬的形式，采用逆作法施工。根据结构的受力特点，内衬多采用上薄下厚的方式，其设计计算方法属基坑工程的内容，此处不做介绍。基础的顶板及底板则分别承受锚体传来的荷载及地基反力，应按所受荷载的大小确定板厚并配置钢筋。47土木工程学院岩土工程系六、沉井基础的设计步骤沉井基础的设计步骤与上述基础相似，即：（1）基础外部尺寸的确定；（2）地基承载力、偏心距、抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、沉降及变形等项目的验算；（3）基础结构设计。沉井基础与地下连续墙基础同属于深埋基础，他们与土（岩）之间的相互作用机理也十分相似，因此上述前两项的计算设计可参考地下连续墙基础的相应部分。作为锚碇基础的沉井，其结构形式与前述沉井基础并无本质区别，只不过尺寸相对较大，因此其相应的设计计算可参照第4章的相关内容。48土木工程学院岩土工程系54锚碇基础的施工49土木工程学院岩土工程系50土木工程学院岩土工程系51土木工程学院岩土工程系52土木工程学院岩土工程系53土木工程学院岩土工程系54土木工程学院岩土工程系55土木工程学院岩土工程系