沉井基础---设计载荷(Design Loads)和地基允许承载力(ABP) (4)
1 引言
设计沉井基础时, 除了考虑沉井的形状和尺寸外, 还必须考虑沉井的设计载荷(Design Loads)和地基的允许承载力. 这个笔记follow着课程进度[4/12/2021至4/18/2021 Week 6], 简要描述了设计载荷和地基允许承载力需要考虑的一些因素. 不过, 本材料的部分内容已经超出教学范围.
沉井基础(Caisson Foundation)---思考题 (1)
沉井基础(Caisson Foundation)---类型划分 (2)
2 设计载荷
沉箱的设计必须能够抵御各种载荷，这些载荷在使用过程中可能会在不同时间发生作用。顺便说一下, 无论是结构工程设计还是岩土工程设计, 我们分析的都是载荷. 下面是本***迄今为止Top 20与载荷相关的文章.
(a) 临时载荷(Temporary Loads)。沉箱在施工期间可能会暂时承受巨大的应力。例如，在下沉过程中沉箱突然掉落，在下沉过程中某一阶段只支撑沉箱一侧，或将其拉到正确位置以纠正倾斜和移动时，都可能产生较大的应力；另外，沉箱可能承受不平衡的土压力，在这种情况下，可将其设计为纵梁或悬臂。如果是浮运沉箱(floating caissons)，除了拖曳力(towing force)外，还必须考虑浮动过程中的水压力，因为水压力可能会引起拱起,下垂和扭转产生的应力，如同船舶设计一样，可能需要内部支柱来处理拖曳力。
(b) 永久载荷(Permanent Loads)。沉箱在建造和沉入位置后作用于沉箱的最大垂直和水平载荷为永久载荷。垂直荷载可能是来自上部结构和沉箱自重的荷载减去低水位时的浮力。水平荷载可能是土压、水压和风压造成的荷载。在地震区还应该考虑地震力。波浪压力、交通的牵引力、冰压力和水流力是附加的水平力来源。浮运沉箱在低水位时，要承受来自内部的砂石填料的侧向压力, 箱式沉箱(box caissons)很少用混凝土填充。
3 允许承载力
沉箱必须下沉到坚硬的地层，如密实的砂(compact sand)、坚硬的粘土、砾石或岩石，决不能下沉到软弱的地层或风化的岩石层。这就关系到地基的允许承载力(Allowable Bearing Pressure).
3.1 无粘性土
在无粘性土(cohesionless soil)中, 沉箱的净允许承载力q_na(kPa)可由以下公式获得：
其中
B---沉箱的最小边长(直径), m
D_f---冲刷水平(scour level)以下的地基深度, m
N---修正的标准贯入试验SPT N-Value, 参看本***Top 10与SPT相关的讨论文章.
Rγ和Rq---水位的修正系数,如下图所示.
水位对承载力的影响
(1) 如果z_q > D_f, 即水位在基底下面, Rq=1.0;
(2) 如果0 ≤ z_q≤ D_f, 即水位在基底上面, Rγ=0.5;
(3) 如果z_q > (D_f + b) or zγ>b, Rq=Rγ=1.0;
(4) 如果z_q = 0, Rq=Rγ=0.5.
在岩土工程中,地基承载力的安全系数一般取3.
3.2 粘性土
对于纯粘性土, 在实验室通过剪切试验可以测出未受扰动粘土试件的粘结力c(kPa),即不排干的剪切强度Cu。不过, 在岩土工程勘察过程中可以使用便携式贯入仪 (Pocket Penetrometer, PP)快速估算出粘土的粘结力, 参看<一个粘土预固结压力的经验计算方法>, 因而粘土的极限承载力(ultimate bearing capacity)q_ult(kPa)可以通过下式得到:
其中
Nc---承载力系数(Bearing capacity factor)
Nc的值取决于粘土的硬度, 范围在6到10之间，一般取Nc=9。
应当注意: 置于岩石上沉箱的允许承受压力不应超过混凝土密封圈(concrete seal)的允许承载力。由于密封圈在水中或在不利的工作条件下，允许的承载力通常限制在3500kPa。
