深大沉井基底土層承載特性研究.pdf

1、到目前為止關(guān)于深層土體承載特性方面的研究甚少。實(shí)踐中常把淺層土體在這方面的研究成果，通過簡單擴(kuò)展或修正應(yīng)用于深層土體。顯然，其結(jié)果的科學(xué)性、合理性和可靠性受到質(zhì)疑。隨著我國建設(shè)事業(yè)的不斷深入發(fā)展，不少跨江越海、高速公路、鐵路橋梁和高大建筑的深基礎(chǔ)已達(dá)到超過百米的深層土體。上述簡單擴(kuò)展或修正方法，再不能滿足對深層土體承載特性認(rèn)識和計(jì)算的迫切需求。
　　本論文以中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題“超千米跨度公鐵兩用斜拉橋新結(jié)構(gòu)及施工關(guān)

2、鍵技術(shù)研究——深水大截面沉井與基底土層相互作用性能研究”（2013G001-A-2）為依托，以滬通長江大橋主塔沉井建設(shè)為基礎(chǔ)，通過理論推演、離心模型試驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬等手段，系統(tǒng)地開展了深層土體承載特性隨基礎(chǔ)平面尺寸和埋深變化規(guī)律的研究，揭示了深大沉井基礎(chǔ)的地基破壞模式，深入地研究了深大沉井地基極限承載力的計(jì)算理論。主要內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.首次將球孔擴(kuò)張理論應(yīng)用于深基礎(chǔ)基底土層承載能力的計(jì)算，推求了深層土體中球

3、孔擴(kuò)張問題的極限擴(kuò)孔壓力計(jì)算公式，該理論考慮了地基土在高應(yīng)力環(huán)境下的破壞模式和非線性的強(qiáng)度特性，運(yùn)用大變形理論反映基底及周圍土體的擾動和變形，將其應(yīng)用于滬通長江大橋主塔沉井基礎(chǔ)地基承載力的計(jì)算，結(jié)果表明:極限承載力隨剪脹角的增加而增大，隨強(qiáng)度包絡(luò)線控制參數(shù)α的增加而減小;當(dāng)以國內(nèi)規(guī)范方法作為參照標(biāo)準(zhǔn)時，建議剪脹角的取值范圍為5°～10°;當(dāng)以國外理論方法作為參照標(biāo)準(zhǔn)時，建議剪脹角的取值范圍為25°～30°。
　　2.對于本課題中倒

4、圓角的矩形沉井基礎(chǔ)，為了更準(zhǔn)確地反映其受力特性，基于增量平衡理論推求了一種新的橢圓孔擴(kuò)張理論，假定基礎(chǔ)下沉過程中基底為橢球孔擴(kuò)張，同時考慮塑性區(qū)土體的大變形規(guī)律及非相關(guān)聯(lián)流動準(zhǔn)則。將該理論應(yīng)用于滬通長江大橋主塔沉井基礎(chǔ)地基承載力的計(jì)算，結(jié)果表明:極限承載力隨剪脹角的增加而增大;當(dāng)以國內(nèi)規(guī)范方法作為參照標(biāo)準(zhǔn)時，建議剪脹角的取值不小于15°，且不宜以國外理論方法作為參照標(biāo)準(zhǔn);剪脹角不大于10°時，兩種擴(kuò)孔理論的計(jì)算結(jié)果吻合良好;剪脹角大于1

5、0°時，橢圓孔擴(kuò)張理論結(jié)果明顯小于球孔擴(kuò)張理論結(jié)果，且二者的差值隨剪脹角增加呈增大趨勢。
　　3.基于離心模型試驗(yàn)探討了飽和砂土地基中基礎(chǔ)的平面尺寸和埋深變化對地基承載力的影響，并與擴(kuò)孔理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明:基礎(chǔ)埋深不大于5m時，荷載-沉降曲線為陡降型，可取拐點(diǎn)對應(yīng)的荷載作為極限承載力;基礎(chǔ)埋深不小于10m時，荷載-沉降曲線為緩變型，建議取相對沉降量S/B=0.07～0.08對應(yīng)的荷載作為極限承載力;砂土地基中，極

6、限承載力隨基礎(chǔ)相對埋深的增加近似呈指數(shù)型曲線增長;兩種擴(kuò)孔理論均不適用于基礎(chǔ)埋深為零時地基極限承載力的計(jì)算;當(dāng)剪脹角ψ=ψ/3～ψ/2（ψ為內(nèi)摩擦角）時，兩種擴(kuò)孔理論的計(jì)算結(jié)果與離心模型試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了兩種擴(kuò)孔理論的合理性。
　　4.采用有限元軟件Abaqus進(jìn)一步探討了基礎(chǔ)平面尺寸和埋深變化對極限承載力的影響，揭示了地基土的破壞模式，建立了大截面沉井地基極限承載力計(jì)算模型，并與國內(nèi)外常用的地基承載力計(jì)算理論進(jìn)行了對

7、比分析，結(jié)果表明:地基土體破壞時基底形成一個類似于圓錐型的滑動破壞面，隨著基礎(chǔ)埋深的增加，滑動面逐漸向地面發(fā)展，最后在某一深度處與基礎(chǔ)側(cè)面相交;不同基礎(chǔ)寬度和埋深條件下的荷載-沉降曲線均為緩變型，建議取相對沉降量S/B=0.04～0.07對應(yīng)的荷載作為極限承載力;不同地基承載力確定方法的結(jié)果表明:Terzaghi理論、Meyerhof理論和日本規(guī)范方法的計(jì)算值偏大，《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》等國內(nèi)現(xiàn)行常用規(guī)范的計(jì)算值偏于保守，而本文

8、推求的三種理論方法的計(jì)算結(jié)果與離心模型試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，均可用于估算砂土地基中深基礎(chǔ)的地基承載力。
　　5.對29號沉井基礎(chǔ)下沉過程中刃腳踏面的基底反力進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果表明:吸泥下沉期間，土壓力逐漸增大，此后在某值附近上下浮動，偶爾出現(xiàn)峰值，下沉結(jié)束后土壓力逐漸回落;在混凝土沉井接高期間，土壓力變化不大，在某值附近上下浮動;沉井吸泥下沉和接高期間的土壓力監(jiān)測結(jié)果可間接反映地基承載力的近似范圍，由此確定沉井基底為粉砂層（稍密～中密狀

9、態(tài)）時地基的極限承載力在2.0～3.4MPa之間;粉砂層的剪脹角不大于5°時，兩種擴(kuò)孔理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合良好，有效地驗(yàn)證了兩種擴(kuò)孔理論用于刃腳踏面土體承載力計(jì)算時的合理性。
　　6.現(xiàn)有工程實(shí)例的數(shù)據(jù)結(jié)果表明:砂土地基中，深大沉井的荷載-沉降曲線為緩變型，可根據(jù)封底混凝土澆筑完成后基礎(chǔ)施工期間的沉降觀測值近似預(yù)測基礎(chǔ)的工后沉降量;地基承載力建議按照沉降控制和球孔擴(kuò)張理論計(jì)算得到的極限承載力再除以2.90～7.54的安全