深大沉井基底土层承载特性研究

摘要

到目前为止关于深层土体承载特性方面的研究甚少。实践中常把浅层土体在这方面的研究成果，通过简单扩展或修正应用于深层土体。显然，其结果的科学性、合理性和可靠性受到质疑。随着我国建设事业的不断深入发展，不少跨江越海、高速公路、铁路桥梁和高大建筑的深基础已达到超过百米的深层土体。上述简单扩展或修正方法，再不能满足对深层土体承载特性认识和计算的迫切需求。
　　本论文以中国铁路总公司科技研究开发计划课题“超千米跨度公铁两用斜拉桥新结构及施工关键技术研究——深水大截面沉井与基底土层相互作用性能研究”（2013G001-A-2）为依托，以沪通长江大桥主塔沉井建设为基础，通过理论推演、离心模型试验、现场监测数据分析和数值模拟等手段，系统地开展了深层土体承载特性随基础平面尺寸和埋深变化规律的研究，揭示了深大沉井基础的地基破坏模式，深入地研究了深大沉井地基极限承载力的计算理论。主要内容和结论如下:
　　1.首次将球孔扩张理论应用于深基础基底土层承载能力的计算，推求了深层土体中球孔扩张问题的极限扩孔压力计算公式，该理论考虑了地基土在高应力环境下的破坏模式和非线性的强度特性，运用大变形理论反映基底及周围土体的扰动和变形，将其应用于沪通长江大桥主塔沉井基础地基承载力的计算，结果表明:极限承载力随剪胀角的增加而增大，随强度包络线控制参数α的增加而减小;当以国内规范方法作为参照标准时，建议剪胀角的取值范围为5°～10°;当以国外理论方法作为参照标准时，建议剪胀角的取值范围为25°～30°。
　　2.对于本课题中倒圆角的矩形沉井基础，为了更准确地反映其受力特性，基于增量平衡理论推求了一种新的椭圆孔扩张理论，假定基础下沉过程中基底为椭球孔扩张，同时考虑塑性区土体的大变形规律及非相关联流动准则。将该理论应用于沪通长江大桥主塔沉井基础地基承载力的计算，结果表明:极限承载力随剪胀角的增加而增大;当以国内规范方法作为参照标准时，建议剪胀角的取值不小于15°，且不宜以国外理论方法作为参照标准;剪胀角不大于10°时，两种扩孔理论的计算结果吻合良好;剪胀角大于10°时，椭圆孔扩张理论结果明显小于球孔扩张理论结果，且二者的差值随剪胀角增加呈增大趋势。
　　3.基于离心模型试验探讨了饱和砂土地基中基础的平面尺寸和埋深变化对地基承载力的影响，并与扩孔理论计算结果进行了对比分析，结果表明:基础埋深不大于5m时，荷载-沉降曲线为陡降型，可取拐点对应的荷载作为极限承载力;基础埋深不小于10m时，荷载-沉降曲线为缓变型，建议取相对沉降量S/B=0.07～0.08对应的荷载作为极限承载力;砂土地基中，极限承载力随基础相对埋深的增加近似呈指数型曲线增长;两种扩孔理论均不适用于基础埋深为零时地基极限承载力的计算;当剪胀角ψ=ψ/3～ψ/2（ψ为内摩擦角）时，两种扩孔理论的计算结果与离心模型试验结果吻合良好，进一步验证了两种扩孔理论的合理性。
　　4.采用有限元软件Abaqus进一步探讨了基础平面尺寸和埋深变化对极限承载力的影响，揭示了地基土的破坏模式，建立了大截面沉井地基极限承载力计算模型，并与国内外常用的地基承载力计算理论进行了对比分析，结果表明:地基土体破坏时基底形成一个类似于圆锥型的滑动破坏面，随着基础埋深的增加，滑动面逐渐向地面发展，最后在某一深度处与基础侧面相交;不同基础宽度和埋深条件下的荷载-沉降曲线均为缓变型，建议取相对沉降量S/B=0.04～0.07对应的荷载作为极限承载力;不同地基承载力确定方法的结果表明:Terzaghi理论、Meyerhof理论和日本规范方法的计算值偏大，《铁路桥涵地基和基础设计规范》等国内现行常用规范的计算值偏于保守，而本文推求的三种理论方法的计算结果与离心模型试验结果吻合良好，均可用于估算砂土地基中深基础的地基承载力。
　　5.对29号沉井基础下沉过程中刃脚踏面的基底反力进行了监测，结果表明:吸泥下沉期间，土压力逐渐增大，此后在某值附近上下浮动，偶尔出现峰值，下沉结束后土压力逐渐回落;在混凝土沉井接高期间，土压力变化不大，在某值附近上下浮动;沉井吸泥下沉和接高期间的土压力监测结果可间接反映地基承载力的近似范围，由此确定沉井基底为粉砂层（稍密～中密状态）时地基的极限承载力在2.0～3.4MPa之间;粉砂层的剪胀角不大于5°时，两种扩孔理论计算结果与现场监测结果吻合良好，有效地验证了两种扩孔理论用于刃脚踏面土体承载力计算时的合理性。
　　6.现有工程实例的数据结果表明:砂土地基中，深大沉井的荷载-沉降曲线为缓变型，可根据封底混凝土浇筑完成后基础施工期间的沉降观测值近似预测基础的工后沉降量;地基承载力建议按照沉降控制和球孔扩张理论计算得到的极限承载力再除以2.90～7.54的安全系数的双控指标来确定。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．1．1 桥梁的发展趋势

1．1．2 桥梁深水基础的应用发展现状

1．1．3 课题依托工程及研究对象

1．2 沉井基础基底土层承载能力的研究现状

1．2．1 理论计算方法

1．2．2 室内模型试验

1．2．3 现场试验

1．2．4 数值分析

1．3 论文选题依据

1．4 研究内容与技术路线

第2章 基于球孔扩张理论的极限承载力问题分析

2．1 引言

2．2 问题描述和基本假定

2．3 球孔扩张模型的建立

2．3．1 基本控制方程

2．3．2 弹性区的应力和位移分析

2．3．3 塑性区的应力分析

2．3．4 塑性区外围弹性区的应力和位移分析

2．3．5 檄限扩孔压力的确定

2．4 算例分析

2．4．1 基本参数

2．4．2 剪胀角的影响

2．4．3 强度包络线控制参数α的影响

2．4．4 计算结果的验证

2．5 小结

第3章 基于椭圆孔扩张理论的极限承载力问题分析

3．1 引言

3．2 问题描述和基本假定

3．3 椭同孔扩张模型的建立

3．3．1 基本控制方程

3．3．2 弹性区的应力和位移分析

3．3．3 塑性区的应力分析

3．3．4 塑性区外围弹性区的应力和位移分析

3．3．5 极限扩孔压力的确定

3．4 算例分析

3．4．1 基本参数

3．4．2 剪胀角的影响

3．4．3 计算结果的验证

3．4．4 与球孔扩张理论计算结果的对比分析

3．5 小结

第4章 饱和砂土地基承载特性的离心模型试验研究

4．1 试验目的

4．2 试验场地及装置

4．2．1 试验场地

4．2．2 模型箱

4．2．3 加载装置

4．3 模型试验材料

4．3．1 沉井基础

4．3．2 试验用砂

4．3．3 试验仪器

4．4 试验方案设计

4．4．1 试验方案

4．4．2 仪器布置

4．4．3 试验过程

4．5 试验结果分析

4．5．1 荷载-沉降关系曲线

4．5．2 极限承载力的确定

4．5．3 基础埋深对极限承载力的影响

4．5．4 与扩孔理论计算结果的对比分析

4．6 小结

第5章 地基极限承载力的三维有限元数值分析

5．1 模型的建立

5．1．1 模型方案

5．1．2 模型材料

5．1．3 初始地应力设置

5．1．4 接触设置

5．1．5 网格划分

5．1．6 加载方式

5．2 计算结果分析

5．2．1 等效塑性应变分布图

5．2．2 荷载-沉降曲线

5．2．3 极限承载力的确定

5．3 极限承载力计算模型的建立

5．4 现有理论的对比分析

5．5 小结

第6章 深层土体承载特性的现场试验研究

6．1 试验目的

6．2 试验方案

6．3 试验装置

6．3．1 深层土体荷载-沉降测试箱

6．3．2 土压力传感器

6．3．3 远程自动监测系统

6．4 监测结果分析

6．4．1 荷载-沉降测试箱监测结果

6．4．2 刃脚踏面反力监测结果

6．5 与扩孔理论结果的对比分析

6．6 深大沉井基底土层承载能力的设计研究

6．6．1 苏通长江大桥沉井基础方案

6．6．2 江阴长江大桥北锚碇沉井基础

6．6．3 泰州长江大桥南锚碇沉井基础

6．6．4 承载力取值的讨论

6．7 小结

结论与展望

本论文主要结论

进一步研究的建议

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果