沉井基礎(chǔ)的長(zhǎng)期水平承載特性研究.pdf

1、本文以國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）“特大跨橋梁全壽命災(zāi)變控制與性能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)研究”(2013CB036304)課題四“復(fù)雜環(huán)境下深水基礎(chǔ)承載行為演化與長(zhǎng)期性能設(shè)計(jì)”(2013CB036304)為依托，系統(tǒng)總結(jié)了沉井基礎(chǔ)承載特性和軟土流變特性的研究現(xiàn)狀，指出了沉井基礎(chǔ)長(zhǎng)期水平承載特性研究中存在的不足，采用模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的研究方法，針對(duì)軟土地區(qū)沉井基礎(chǔ)的長(zhǎng)期水平承載特性與計(jì)算方法開(kāi)展研究。主要研究?jī)?nèi)容

2、如下:
　　開(kāi)展了長(zhǎng)期水平荷載作用下普通沉井、分體式沉井和桶形沉井的全模型和半模型試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了長(zhǎng)期水平荷載作用下各沉井模型的變形及土抗力隨時(shí)間的變化規(guī)律，分析了不同沉井模型的長(zhǎng)期承載特性。在長(zhǎng)期水平載荷半模型沉井試驗(yàn)中引入了顆粒圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)以觀測(cè)土體內(nèi)部位移場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，測(cè)試結(jié)果表明PIV測(cè)試技術(shù)能夠反映沉井模型的長(zhǎng)期變形趨勢(shì)，測(cè)試結(jié)果與常規(guī)測(cè)試方法測(cè)得的結(jié)果較接近。
　　進(jìn)行了望東長(zhǎng)江公路大橋根式沉井和

3、馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋根式沉井群的現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期水平靜載試驗(yàn)，得到了根式沉井及根式沉井群的荷載-位移曲線以及不同時(shí)間根式沉井、根式沉井群以及沉井周圍土體沿深度方向水平位移的分布曲線，試驗(yàn)結(jié)果表明軟土地區(qū)沉井的長(zhǎng)期變形不可忽視。
　　針對(duì)室內(nèi)模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的地基土，進(jìn)行了不同圍壓下重塑飽和黏土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)和三軸固結(jié)不排水蠕變?cè)囼?yàn)，獲得了土樣的基本力學(xué)特征參數(shù)，并確定了土樣在不同圍壓作用下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，分析了不

4、同圍壓下土樣的軸向應(yīng)變隨時(shí)間變化規(guī)律以及不同應(yīng)力水平下的軸向蠕變速率變化趨勢(shì)，總結(jié)了土樣三軸蠕變過(guò)程中的變形特性。
　　基于Origin強(qiáng)大的非線性擬合功能，針對(duì)兩種土體的三軸固結(jié)不排水剪切蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果，對(duì)一維Merchant流變模型和一維Burgers流變模型進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)，同時(shí)也對(duì)一維Mersi經(jīng)驗(yàn)流變方程和采用雙曲線函數(shù)描述應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的冪函數(shù)經(jīng)驗(yàn)流變方程中的流變參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)，將上述四種流變模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)

5、比分析。然后將一維Burgers流變模型推廣至三維，并根據(jù)模型特征采用回歸分析法對(duì)流變參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)，采用FLAC3D軟件對(duì)土體蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行了實(shí)體建模，基于三軸流變?cè)囼?yàn)結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了三維流變模型中流變參數(shù)的合理性。
　　根據(jù)荷載平衡關(guān)系建立了沉井-土的相互作用方程，將沉井沿深度方向進(jìn)行離散并建立了沉井-土單元的控制微分方程，采用地基土的基床系數(shù)、截面慣性矩與沉井轉(zhuǎn)角的乘積來(lái)考慮了沉井基礎(chǔ)底部轉(zhuǎn)動(dòng)所引起基底土產(chǎn)生的反彎矩，根據(jù)不

6、同邊界條件，進(jìn)而采用矩陣傳遞法解得沉井變形與內(nèi)力的半解析解?；谕馏w三軸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果，采用流變參數(shù)描述了土體割線模量E50的衰減規(guī)律，基于彈性模量與割線模量E50間的關(guān)系，推導(dǎo)了土體流變特性對(duì)地基反力模量的影響，并得到了地基反力模量的衰減表達(dá)式。采用Matlab將上述求解過(guò)程進(jìn)行編程，針對(duì)模型試驗(yàn)邊界條件和加載條件，對(duì)沉井模型的長(zhǎng)期水平變形進(jìn)行了計(jì)算，取地基反力模量取加權(quán)平均值，并將地基反力模量隨時(shí)間的關(guān)系引入該程序，可計(jì)算得到不同時(shí)間

7、沉井的典型變形量，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。此外，利用該算法，取原狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土三軸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果經(jīng)參數(shù)辨識(shí)后的流變參數(shù)均值來(lái)描述土層地基反力模量的衰減規(guī)律，對(duì)望東長(zhǎng)江公路大橋現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中的根式沉井長(zhǎng)期水平變形進(jìn)行了計(jì)算，沉井隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致。
　　針對(duì)瓊州海峽大橋，采用本文提出的沉井長(zhǎng)期水平承載特性計(jì)算理論，對(duì)該工程的基礎(chǔ)方案之一圓形沉井的長(zhǎng)期水平變形進(jìn)行了計(jì)算，預(yù)測(cè)了其長(zhǎng)期全過(guò)程的變形特性，以期為其工程安全與維護(hù)提供參