沉管隧道中設(shè)置褥墊層的鋼管樁減沉機(jī)理研究.pdf

1、本文以國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“港珠澳大橋跨海集群工程建設(shè)技術(shù)研究與示范”研究課題——“外海厚軟基大回淤超長沉管隧道設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)”（項(xiàng)目編號(hào):2011BAG07B01）為依托，針對(duì)港珠澳大橋沉管隧道底部減沉群樁基礎(chǔ)，開展了大量文獻(xiàn)調(diào)研，采用了理論分析、室內(nèi)模型試驗(yàn)研究相結(jié)合的技術(shù)路線，較全面的研究了沉管荷載作用下鋼管減沉群樁的承載特性。主要研究內(nèi)容包括:帶墊層減沉單樁及群樁沉降、樁土荷載分擔(dān)比計(jì)算理論;基于均勻設(shè)計(jì)以及正交設(shè)計(jì)的沉管減

2、沉樁承載性能模型試驗(yàn)及影響因素統(tǒng)計(jì)學(xué)分析;港珠澳大橋沉管隧道減沉群樁基礎(chǔ)有限元數(shù)值模擬及相關(guān)參數(shù)影響研究;本文減沉樁計(jì)算理論在依托工程實(shí)際設(shè)計(jì)方案中的運(yùn)用與分析。主要工作和結(jié)論如下:
　　1)利用荷載傳遞法，提出了一種考慮了樁項(xiàng)有無墊層對(duì)沉管隧道沉降影響的鋼管減沉單樁計(jì)算理論。對(duì)于樁頂無墊層的工況，通過預(yù)先指定荷載分擔(dān)比以明確樁土荷載，利用樁分段迭代計(jì)算求得減沉樁沉降。對(duì)于樁項(xiàng)設(shè)置墊層的工況，提出了等效樁的概念，明確了樁頂與樁間土

3、不同位置墊層的壓縮計(jì)算方法，并基于剛性沉管底不同區(qū)域沉降協(xié)調(diào)，利用迭代計(jì)算得到樁土荷載分擔(dān)比和減沉樁基沉降。
　　2)基于荷載傳遞法得到的減沉樁側(cè)摩阻力與端阻力，提出了采用彈性理論計(jì)算群樁沉降的帶墊層減沉群樁混合法。通過分離樁土彈、塑性位移，提取了樁側(cè)摩阻力彈性段，并對(duì)樁側(cè)摩阻力分布進(jìn)行等效線性化，然后進(jìn)行不同區(qū)域側(cè)摩阻力的Geddes應(yīng)力解的疊加，推得了減沉樁樁端平面以下土層內(nèi)任一深度處的豎向附加應(yīng)力計(jì)算公式。通過基于群樁相互作

4、用附加沉降與基樁受力協(xié)調(diào)、沉管底不同區(qū)域位移協(xié)調(diào)的原則，得到了適用于計(jì)算帶墊層減沉群樁荷載分擔(dān)比以及沉降的迭代計(jì)算方法。
　　3)采用均勻設(shè)計(jì)方法完成6組初步模型試驗(yàn)，同時(shí)考慮了樁長、樁距、墊層厚度、樁帽等多種因素，每個(gè)因素大跨度的選擇6個(gè)水平，以便覆蓋工程所有可能的取值范圍。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，得到多種因素共同作用下沉管沉降的基本規(guī)律，為后續(xù)模型試驗(yàn)確定參數(shù)，并為工程設(shè)計(jì)方法提供參考。提出經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)“單位面積用樁量”

5、的概念，用于在眾多的符合減沉或承載力要求的不同樁基組合中優(yōu)選出最經(jīng)濟(jì)可行的基樁方案。通過對(duì)回歸模型的反演分析，確定出一組符合沉降控制要求的最優(yōu)減沉樁參數(shù)組合，且與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
　　4)基于混合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的18組砂土中3×4群樁模型試驗(yàn)，分析了沉管荷載作用下沉管、墊層、鋼管樁、地基土相互作用機(jī)理，揭示沉管底部土壓力分布、不同位置樁身軸力分布及樁土荷載分擔(dān)比等基本規(guī)律，以及它們隨沉管荷載不同的變化規(guī)律。通過對(duì)沉管沉降和復(fù)合地基

6、承載力做極差分析、方差分析和相關(guān)分析，進(jìn)一步明確了樁距、樁長、墊層厚度及樁帽對(duì)沉管沉降以及減沉樁承載特性的影響。并通過單樁承載試驗(yàn)結(jié)果擬合得出荷載傳遞函數(shù)，結(jié)合本文提出的減沉樁計(jì)算理論對(duì)室內(nèi)群樁試驗(yàn)的工況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比。
　　5)對(duì)實(shí)際工程三維有限元建模分析，建議減沉樁樁長采用30m左右;樁頂宜設(shè)置墊層，考慮到墊層過厚會(huì)增加沉降和成本，針對(duì)本工程建議取1m左右;在樁長及墊層厚度等參數(shù)確定的情況下，若要控制基礎(chǔ)沉

7、降，可在兼顧經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小樁間距，建議取用6D（D為樁間距）。
　　6)利用本文提出的帶墊層減沉單樁和群樁計(jì)算理論，針對(duì)港珠澳大橋沉管隧道底部減沉樁基礎(chǔ)的某設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了單樁受力、群樁相互作用等計(jì)算分析，得到了本工程合理的樁土荷載分擔(dān)比及沉管總剛度。此外，計(jì)算了減沉樁基極限承載力，并與本文提出的減沉樁承載計(jì)算理論所得的減沉樁荷載值進(jìn)行對(duì)比，為工程設(shè)計(jì)施工提供參考。
　　綜上所述，本文針對(duì)港珠澳大橋沉管隧道減沉樁基礎(chǔ)的