（土木工程专业论文）巨型沉井受力特性研究.pdf

摘要 巨型沉井受力特性研究 摘要 随着社会的发展和科技的进步，沉井在实际工程中应用越来越广泛。然而由于巨型沉井地质条 件复杂，情况多变，目前尚未有成熟的理论方法计算沉并的受力机理以及周围土体的变形规律，使 得沉井计算方法偏于保守，有时会出现很大的偏差，导致超沉、突沉、难沉等工程事故的发生，给 工程进度、国民经济都造成很大的影响，因此如何研究这些课题显得尤为重要。 首先，本文综述了国内外理论的研究、现场实验的研究、室内模型试验的研究以及数值模拟的 研究；介绍了沉井的构造组成、沉井施工的设计计算以及常见的施工方法。 其次，本文对泰州大桥中塔沉井的工程概况做厂简介，计算 r 泰州大桥中塔沉井各种施工工况 下的下沉系数和稳定系数，分析了刃脚下地基极限承载力的计算方法，并整理分析了刃脚反力和侧 壁土压力的监测数据，并得出了符合本工程的侧壁土压力分布形式。 最后，本文利用有限元软件a b a q u s 建立了泰州大桥中塔沉井的三维有限元模型，模拟计算了 中塔沉井在自重、封底和使用三种工况下沉井和周边土体的应力和位移，并得出了沉井在这三种工 况下的影响范围。 关键词：沉井；位移；应力：侧壁摩阻力：影响范围；a b a q u s a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fg i a n t c a i s s o n a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o g r e 路o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h eu s e so ft h ec a i s s o n f o u n d a t i o na l em o r ew i d e l yi n p r a c t i c a le n g i n e e r i n g h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e dg e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa n dt h ev a r i a b l es i t u a t i o n , t h e r ea r en o ts o p h i s t i c a t e dt h e o r yt oc a l c u l a t et h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h eg i a n tc a i s s o na n dt h ed e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gs o i l t h em e t h o d so fc a l c u l a t i o na r e c o n s e r v a t i v e a n ds o m e t i m e sb e c a u s eo ft h ec o n s e r v a t i v em e t h o d , l a r g ed e v i a t i o n s ，o rt h eq u i c k - s i n k i n g , s u d d e n - s i n k i n ga n dd i f f i c u l t y - s i n k i n gh a p p o nw i l lh a p p o na st h er e s u l to fc a l c u l a t i o n t h e s ea c c i d e n t sh a v e c a u s e dag r e a ti m p a c to nt h ew o r k i n gt i m ea n dn a t i o n a le c o n o m y , s ot h i sp a p e ri sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t f i r s t l y , t h ea r t i c l es u n l n l a i 诬st h er e s e a r c ha b o u tc a i s s o na to u rc o u n t r ya n dt h ea b r o a d , i n c l u d i n gt h e t h e o r e t i c a ls t u d y , o n - s i t ee x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ei n t e r i o rm o d e lt e s tr e s e a r c ha n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t u d i e s t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t i o no ft h ec a i s s o n , c a l c u l a t i o n - m e t h o do f c a i s s o nd e s i g na sw e l la st h ec o m m o nc o n s t r u c t i o nm e t h o d s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n u o d u c e st h es i t u a t i o no fm e d i u mt o w e rc a i s s o no ft a i z h o ub r i d g e ，c a l c u l a t e s t h es u b s i d e n c ec o e f f i c i e n ta n ds t a b i l i t yc o e f f i c i e n tb a s e do n3d i f f e r e n tk i n d so fc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec a l c u l a t i n gt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h es o i lu n d e rt h ef o o tb l a d e ，f i n i s h e s t h em o n i t o r i n gd a t ai n c l u d e dr e a c t i o nf o r c eo ff o o tb l a d ea n dl a t e r a le a r t hp r e s s u r e a tl a s tl a t e r a le a r t h p r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f t h i sw o r kh a sb e e no b t a i n e d f i n a l l y , t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft a i z h o ub r i d g et o w e rw e l l - s i n k i n gh a sb e e ns e tu p b ya b a q u s af i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e f r o mr e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t a i z h o ub r i d g et o w e rc a i s s o n , t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to fc a i s s o na n dt h es u r r o u i l d i n gs o i la tt h e3k i n d s o f c o n d i t i o n s - - - s t a g eo f s i n k i n g ，s t a g eo f b a c kc o v e ra n ds t a g eo f u s ea r eg o t , a n dc o m et ot h ea f f e c ta r e a o f w e l l s i n k i n ga tt h et h r e ec o n d i t i o n s k e y w o r d s ：c a i s s o n ；d i s p l a c e m e n t ；s t r e s s ；l a t e r a lf r i c t i o n ；a f f e c t e da r e a ；a b a q u s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南人学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：! 骂壁汪图日期：哩：墨：! 研究生签名：! 三l 壁美斟日期：哩：墨：! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：臼交图聊签名：抛奄日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着国民经济建设逐步稳定的发展，基础建设项目日益增多，各类工程建设规模也日益扩大， 重大项目包括高耸建筑、大跨度结构、地下洞室群、深大基础、高坝、海洋工程等，它们的共同特 点是施工规模大、范围广、周期长、过程复杂。其中典型之一即为大型沉井基础。 当前。沉井已广泛应用于桥梁墩台、取水构筑物、排水泵站、大型设备等的基础以及地下仓库、 盾构或顶管施工的工作井等工程。沉井施工法在深基础工程中占地面积较小，挖土量少，整体性相 对较好，并且刚度大，对邻近建筑物影响比较小，沉井浇筑质量易于控制，而且还可以作为地下建( 构) 筑物的一部分【l 】。因此，在工程用地与环境条件受限制或埋深较大的地下构筑物工程中，沉井施工 法被广泛应用。 随着国内外沉井下沉施工工艺的不断发展，沉井的下沉深度和平面尺寸逐渐增大。在上世纪4 0 年代日本采用壁外喷射高压空气( 空气幕法) 降低井壁上的摩阻力，使沉井下沉深度达到了1 5 6 m , 上 世纪7 0 年代沉井下沉深度超过了2 0 0 m 。但空气幕助沉法的空气幕构造较复杂，高压空气耗量亦大， 且对控制纠偏技术要求较高。2 0 世纪5 0 年代以后，在欧洲推广了在井壁与土之间压入触变泥浆以 降低摩阻力的方法。触变泥浆助沉法在我国应用较多，而且触变泥浆兼有减摩和支承井壁外侧土体 的作用，同时可减少沉井壁厚并使沉井下沉中井周压力较为均匀，改善沉井结构的受力状况。近年 来，在密集建筑群沉井基础施工时，为确保邻近建筑物和地下管线的安全，创造了“钻吸”工艺和 “中心岛式”工艺，可使沉井周围地面仅产生少量的沉降 2 】 3 】【4 】。 我国自建国以来，在沉井方面取得了很大的成就。沉井原先只是用于桥梁墩台和重型厂房与各 种工业构筑物的一种深基础。近年来，随着生产规模的扩大和生产技术的发展，沉井施工方法已逐 渐发展成为埋入软土层内各种地下工业建筑和人防工程维护结构的一种形式。在桥梁墩台基础方面， 沉井有了新的发展，1 9 9 5 年开工1 9 9 7 年竣工的江苏江阴长江公路大桥北锚沉井基础南北长6 9 m ， 东西宽5 1 m ，项面高程2 4 m ，底面高程一5 5 ，6 m ，总体规模堪称世界之最，沉井下沉方式采用了辅助 空气幕的吸泥下沉工艺，2 6 6 m 高程以上采用降水吸泥下沉。1 9 9 7 年开工2 0 0 0 年完成的芜湖长江 大桥是国内采用的板桁结构建造的公、铁两用桥，它的铁路引桥0 1 6 1 # 桥台采用的是沉井基础，沉 井地处4 5 米厚的软土，沉井施工前采用砂桩加卧5 】【6 】。 虽然目前科学技术非常发达，但是对于地质复杂、情况变化多样、结构形体巨大的沉井结构的 研究还处在探索阶段。由于沉并在下沉过程中，地质条件复杂，沉并设计计算方法偏于保守，有时 会出现很大的偏差，导致超沉、突沉、拒沉等工程事故的发生，给工程进度、国民经济都造成很大 的影响。多数桥梁的沉井体型巨大、造价高昂，对于其相关指标的监测在经济上、技术上都很难做 到精确和系统，所以对于沉井在下沉以及使用过程中的受力情况目前还没有系统的研究，没有达到 准确的量化阶段，需要进一步的研究和分析。 l 东南大学硕士学位论文 1 2 国内沉井基础的研究现状 几十年来，国内很多专家对沉井的研究取得了丰硕的成果。从沉井的施工、变形、受力机理、 摩阻力、结构力学模型、冲刷等方面做了大量的研究，对沉井的施工和设计提出了很多有益的建议， 值得借鉴和思考。 1 9 7 9 年广西综合设计院的莫导贤【7 】认为，沉井井壁的水平土压力不是按倒三角形式分布的，不 是随深度增加水平土压力增大，土的水平压力主要和外荷载有关。 1 9 7 9 年兰州铁道学院的朱唏【8 】以铁路上程抗震设计规范规定的反应谱曲线为基础，用铁 路工程技术规范中基础计算的m 法的原则，探讨了桥墩一基础结构系统的自振频率、振型函数和 地震条件下结构的内力、地基反力以及基础和墩顶可能的最大位移。研究发现，考虑了沉井基础位 移后，结果体系的自振频率、内力和地基反力比把桥墩在基础项面近似为刚性固定端将减小，而桥 墩位移的数值增加很多。在保证了地基稳定的条件下，软土地基中桥墩的抗震设计可能有墩顶位移 控制。 1 9 8 5 年，同济大学的叶建荣f 9 l 通过将沉并看作几块不同支撑条件的矩形板组成，建立了箱型沉 井的空间结构力学模型，并通过混合法计算该板，和计算结果比较，结果吻合。叶的结构力学模型 能计算出沉井的内力状况，对于沉井的设计计算具有借鉴之处。 1 9 9 0 年铁道部大桥局勘测设计院的詹贵春【i o j 通过试验和实测资料的分析，建立了浮运沉井施工 期冲刷计算公式，该公式适用于砂卵石河床条件地质情况；由于影响冲刷的因素很多，沉井、水深、 流速、河床组成之间相互影响，情况十分复杂，在施工过程中除了应掌握水情预报、加强观测工作 外，在浮运沉井下沉时间上，应尽量安排在水浅、流速小的枯水期下沉，以减少施工期冲刷，并应 使沉井尽快落入河床，沉至稳定深度，防止因水流变化、流速增大而使冲刷加剧，危及沉井安全。 1 9 9 2 年，佛山大学的赵季华【l l 】就沉井在砂砾石地层中，使用朗肯土压力理论，提出在井墙外垒 积土堆的方法，促使侧壁两侧土压力在瞬间发生交替变化，并产生有效反向差值迫使沉井强行纠偏 并平稳下沉，从而拓宽沉井施工技术。赵的堆载纠偏法间接验证了莫【7 1 提出的水平压力和主要和外 荷载有关的论断。 1 9 9 5 年，清华大学的方红卫【1 2 1 通过对浮运施工期沉井三维冲刷的数值模拟，得出了天然水砂条 件下，变密度紊流在一般曲线坐标系中的基本方程和边界条件，运用三维优先分析法的新2 7 点格式 和不均匀床砂的起动流速公式，计算了浮运沉井施t 期河床的冲刷情况。 1 9 9 6 年湖南省南津渡水电站的徐新民【1 3 】对沉井处理水利地质问题的探讨发现，把沉井看成是在 地质体中进行土体置换的代替物，不仅可以节省大量资源，而且由于沉箱本身有一定的刚度与强度， 使箱壁两侧土压力能相互传递，其净空也能满足施工要求。 2 0 0 0 年河海大学的苟联盟【1 4 】从“真三维同结理论”出发，采用邓肯张e u 模型和无厚度的古 德曼( g o o d m a n ) 接触面单元，编制了三维非线性有限元程序b i o t 2 0 0 0 ，并结合润扬长江公路大桥 南汉桥北锚碇及地基土的组成结构特征建立了地质模型。揭示了各工况下锚锭沉井基础与地基土的 2 第一章绪论 变形变位规律，分析了不同工况下沉井前侧地基土水平向抗力变化规律，提出了不同深度地基础水 平向抗力与水平位移间的拟合关系。 2 0 0 1 年，河海大学的吉林【1 5 】根据江阴大桥北锚碇沉井基础变位4 1 次的观测资料，分析总结r 长江下游软上地基上大跨径悬索桥锚锭沉井基础在施工及运营阶段的变位规律。实测结果表明：特 大型沉井分区封底对沉井沉降特征具有重要影响；不同施工阶段，锚锭沉井基础变位呈现出不同的 特征，沉降和小均匀沉降是最根本的变位。 2 0 0 2 年，浙江大学的冯海宁【1 6 】按三维空间受力情况，在计算巨型沉井后背土体时，考虑了偏心 项力的影响，将巨型沉井工作井作为一个空间整体受力单元来考虑，计算后背墙土体所能提供的最 大反力。以此作为顶管设计的理论依据。 2 0 0 2 年5 月，湖南大学的程翔爿1 7 1 根据结构变位相等原理，通过对沉井和钢管桩的简化，把钢 管桩简化成4 个弹簧，对沉井钢管桩结构进行计算，大大简化了结果分析，具有实用价值。 2 0 0 3 年，上海交通大学的王红霞【i s j 从多自由度刚体运动的角度，建立沉井下沉过程的动态力学 模型。通过数值仿真验证，所建立的力学模型能较好的反映沉井下沉的工程实际，因此可以应用于 沉井下沉过程，指导沉井的实际施工。 2 0 0 5 年，暨南大学的陈晓平【1 9 1 以海口某大桥主墩的沉井基础为研究对象，根据沉井下沉全过程 的实时监测，系统分析了沉井基础的下沉机理和受力特性，得出了沉井下沉到不同深度，经过不同 土层时井壁侧摩阻力和刃脚端阻力的大小及分布规律，提出了下沉系数和侧壁摩阻力值的计算方法 和经验公式，以及土压力系数的取值范围。 2 0 0 6 年，南京水利科学研究院高正梨2 0 】等通过室内试验，研究了钢沉井下沉过程中的局部冲刷 机理和冲刷形态，探讨了桥墩下部钢沉井基础施工的响应高度对局部冲刷影响的变化规律，并将局 部冲刷规律和影响因素引入局部冲刷计算中。 1 3 国外沉井研究现状 国外沉井研究开展较早，研究方法很多，取得了很大的成就。具体研究方法包括经验公式法、 物理模拟法、数值模拟法和数值解析法。 1 3 1 室内模拟试验 室内沉井模型试验可以研究沉井在各种条件下的性能。 1 9 6 1 年g o o d m a n 设计了第一个真空锚的室内模型，并使用了不同种类的土，包括从中等粒径 的砂性土到塑性的粘性土，通过试验得出真空锚可以用于锚定漂浮的措施，而且粘性土的锚定效果 优于砂性土【2 l 】。 1 9 9 6 年d a t t a 和k u m a r 在软粘土上进行了1 8 个吸力式沉井的室内试验，沉井直径均为3 8 m m ， 长径比分别为2 、4 、8 ，在不同的速率下加载，结果显示吸力是随着加载速率的增加和埋置深度的 3 东南大学硕士学位论文 增加而增加的，且在井壁摩擦位移最大时产生吸力瞄】。 2 0 0 2 年，l u k e 在正常固结土中进行了7 次室内试验，研究沉井在轴向力作用下的性能。试验的 吸力式沉井模型是用阳极化处理的外径为1 0 0 m m 的铝管制成的，试验得出j ，一些有益与沉井设计的 结论和建议【2 3 1 。 2 0 0 3 年c o f f m a n 在正常固结高岭土中进行了9 个沉井模型的室内试验，试验中沉井受到沿井一 半高度以下不同点的水平荷载的作用。测得的承载力和利用简化的极限平衡分析得到的预测值之间 有良好的致性矧。 室内试验只能反映沉井在不同地质条件下的应力反映和承载力大小趋势，不能分析土的反映和 锚碇内部受力状况。 1 3 2 室外现场试验 国外研究学者进行了很多小型和足尺沉井的现场试验，以确定沉井的安装特点和轴向、侧向承 载力。 h o g e r v o r s t 通过对三个直径3 8 m 长度5 8 m 的沉井锚的现场试验，测量得出了沉井的轴向和侧 向承载力，并研究了沉井的安装特点，证明了通过吸力法安装沉井的可行性口5 1 。 k e a v e n y 等通过研究五个沉井在饱和粘土中的静载和循环荷载作用，得出系缆的位置如果从泥 水分界线移动到一般锚深的位置，静载下的水平承载力能提高1 0 0 ，而循环荷载下承载力反而降低 l o 【2 6 1 。 d ”汰进行了四个小型的沉井模型试验，沉井锚有四个箱桶组成，上有盖，直径0 8 7 m 高0 8 2 m ， 置于软粘土中。将测量得到的沉井的响应值和预测值相比较，两值有很好的一致性，证明了设计锚 的方法的可行性，表明吸力式锚可以作为活动的张力腿平台的基础，在不同级别的循环荷载的作用 下可以观察到刚度的降低【2 7 】。 t j e l t a 等在1 9 8 6 年做了两个大型贯入试验，试验的结构物有两个彼此相同的混凝土板相连，还 有高2 3 m ，直径6 5 m 的钢箱筒组成，在水下2 0 0 m 处着床，入土2 2 m ，通过确定预测值和观测端阻 力和侧壁摩阻力，成功证明了用吸力法安装沉井群的可行性2 引。 现场试验考虑不同长径比，同时考虑砂性土和粘性土条件的不同，得出了沉井在不同荷载条件 下的性能。现场试验得到的承载性能只是从趋势上模拟沉井的宏观趋势，没有研究沉井本身的受力 性能。 1 3 3 数值模拟研究 目前国外学者进行了大量的轴对称沉井的研究和三维数值模拟，以确定沉井在不同的荷载作用 下和排水条件下的承载力。在任何情况下，土的应力应变关系都是通过塑性模型表现的。吸力式沉 井被假设已经下沉就位，没有尝试模拟沉井的安装过程，假定沉井和周围土的界面完美结合。土中 4 第一章绪论 应力的最初状态通常是用下沉的单位长度的重量和侧向土压力系数估计的。 e r b r i c h 在1 9 9 4 年用a b a q u s 来模拟计算固定近海钢平台基础的吸力式沉井的承载力，采用标 准d r u e k e r - p r a g e r 和d r u c k e r - p r a g e r c a p 的塑性模型来模拟密砂的非线性，模拟结果证明j 广该方法可 以用来预测沉井基础承载力的实用性【2 9 】。 s u k u m a r n 和m c c r r o n 等用a b a q u s 简建立了轴向、侧向荷载在不排水条件下的吸力式沉井基 础的二维和三维模型，用来预测沉井基础的承载力。将软粘七看作理想弹塑性模型采用m i s e s 模型 评估土体和沉井基础承载力的性状。研究了荷载倾斜、锚索位置和长径比对沉井的影响，并和m u r f f , h a m i l t o n 、m a t l o c k 提出的极限解相比较。研究证明有限元分析可以预测吸力式沉井基础的承载力【训。 b a n g 和c h o 运用a b a q u s 对轴向和侧向加载的圆形、y 型和三角形截面形式的吸力式沉井进 行了三维有限元分析，沉井处在近海，土层为砂性土，模型用d r u c k e r - p r a g e r 塑性模型模拟海底砂 的非线性【3 1 1 。 h a n d a y a n u 用a b a q u s 的轴对称单元和不对称的荷载产生有限元模型，来模拟吸力式沉井在受 到垂直上升力和倾斜力的状况，土体被假设成透水性介质模拟，采用c a m - c l a y 模型，并把有限元模 拟的结果和c a u b l e 、e i - g h a r b a w y 提出的实验室结果做对比，两者比较吻合p z j 。 c a o 在2 0 0 2 年用a b a q u s 软件对在离心条件下受到轴向荷载下的吸力式沉井的受力性能进行 模拟，饱和透水土的模型用修正了的c a m - c l a y 模型模拟，土和沉井的接触面被定义为软件的标准程 序中有的接触面选项，计算沉井的响应与从离心试验测得的响应基本一致【3 ，】。 上述的有限元模拟验证了数值模拟的可行性，但模拟结果并没有具体指出沉井的受力性能和周 边土体的状况。 1 4 侧壁土压力和基础变形研究 1 4 1 侧壁土压力研究 沉井在下沉过程中，沉井侧壁受到的土压力相当于挡土墙受到的土压力作用，目前计算挡土墙 土压力的方法有朗肯十压力理论、库伦土压力理论、佩克、太沙基土压力理论、静止士压力理论p 4 】。 库仑上压力理论、朗肯上压力理论、佩克理论以及静止土压力理论均属于传统的上压力理论，它们以 其计算简便的特点在工程实践中被广泛应用。但它们是c t x c p ：t 土j 齿的受力分析提出的回填土压力理论，将 这些土压力理论应用于沉井基础中则具有很多局限性：4 i 能反应土压力的位移效应、卅i 能反映土压力的时 间效应、不能反映土压力的空间效应。目前不少学者对挡土墙受到的土压力与墙体的变形、位移、含水率 的关系等进行了研究。大部分学者都是基于朗肯土压力理论和库伦土压力理论分析研究的。 基于朗肯土压力理论：梅国雄根据挡土墙位移变化的特点建立了考虑挡土墙变形的土压力的计算方 i j 妒5 】；卢国胜嗍也根据朗肯土压力理论提出了考虑挡土墙位移的土压力模型。陈页开、徐日庆p 7 】等用指 数函数描述了作用于基坑柔性墙上土压力与墙体变位的相互关系，推导出非极限状态下土压力的分布规 5 东南大学硕士学位论文 律。w o o d w a r dp kd 8 】也用a n s y s 模拟过考虑挡土墙位移的土压力，和卢、梅的结果相差不大。 基于库伦土压力理论：张吾澍3 哨通过建立松弛应力和挤压应力与位移的关系，对松弛应力和挤压应力 与位移的关系用正弦函数模拟，在此基础上提出1 r 非极限状态下的土压力；王元占【删采用库仑土压力理 论假设，建立挡上墙被动上压力强度的一阶微分方程，给出了被动侧压力系数、被动土压力强度、 被动土压力合力和被动土压力合力作用点的理论公式，并分析了被动极限平衡状态下填土内摩擦角 和墙背摩擦角对其他指标的影响：李蓓 4 l 】采用反映墙后主动区土体应力一应变性状的卸荷应力路径试 验确定的应力一应变关系，建立考虑挡土墙变形的非线性土压力的计算公式；c a s p e ( 1 9 6 6 ) 【4 2 】通过对 深基坑挡土墙后土体变形状态的分析，提出一种墙后主动区土体应变状态模式，将墙后土体分为三 区：塑性平衡区、弹性平衡区、未受扰动区，各区间的分界线为对数螺旋线；应宏伟 4 3 1 等假定挡土 墙后土体小主应力拱为圆弧，考虑墙土摩擦角变化对挡土墙后土体滑裂面倾角的影响，得到了对应 不同内摩擦角和墙土摩擦角的侧土压力系数。 y u n g s h o nf a n g 即】通过试验手段测出了刚性挡土墙分别在平动、绕墙顶转动和绕墙底转动三种 状态下的被动土压力分布情况，认为：在平动状态下，被动土压力呈三角形分布，且各深度位置土体 单元基本上同时达到破坏状态：在绕墙项转动状态下，被动土压力分布规律与三角形分布相差较远， 呈内凹曲线，合力作用点下移：在绕墙底转动状态下，挡土墙中部的土压力最大，土压力分布曲线呈 外凸形，合力作用点上移。 1 4 2 地基土变形研究 大型沉井基础很多都作用在软土地基上，在自重和上部荷载的作用下，土体会产生很大的变形 变位。目前用于计算变形的方法大致分为三类：理论解法、经验法和半经验半理论法。几种常用的 方法有： ( 1 ) 分层综合法 一般地，分层总和法是将地基土体按其工程地质特性划分成不同的分层，根据每个分层地基土 的压缩应变i ，结合各分层土体厚度h i ，得到地基土的总沉降量s c 。假定地基土共分成n 层，则分 层总和法的基本公式为： 疋= e e ( 1 ) ( 2 ) 太沙基固结理论 早在1 9 2 5 年，太沙基在一系列假定下，建立了饱和土单向固结微分方程， 丝：c ，娶 ( 2 ) 百乩v 万 屹 式中：l 广_ 孑l 隙水压力； c 。固结系数，c 。1 饥。f n v = ( 1 + e ) 科r w a 。；k 为渗透系数，m y 为体积压缩系数，“为水容重，e 第章绪论 为孔隙比，a v 为压缩系数。 太沙基固结方程能在一定初始条件和边界条件下获得解析解。 ( 3 ) 巴隆理论 采用与太沙基理论中相同的假设条件，但假设只在径向( 水平向) 发生孔隙水的渗流，后又借助 纽曼一卡里罗定理进一步考虑竖向渗流的影响，巴隆于1 9 4 8 年提出了轴对称问题固结理论。其广泛 应用于砂井地基中。 ( 4 ) 比奥固结理论 1 9 4 1 年，比奥从较严格的固结机理出发，推导了能正确反映孔隙水应力消散与土骨架变形间相 互关系的三维固结方程。 分层总和法目前多用于浅埋基础且在受力条件不太复杂的情况，对深埋基础与大型、超大型基 础的计算误差较大。固结问题中地基的变形和稳定性与孔隙水压力有关，按照孔隙水压力与位移的 相互联系，固结分析方法可分为耦合方法和非耦合方法两种。 1 5 研究内容 本论文根据沉井下沉汁算公式和沉井下沉过程中受力特点，计算依托工程泰州大桥中塔沉井沉 井的下沉系数，并分析沉井的不同施工模式，优化沉井下沉的施工方法；通过分析泰州大桥中塔沉 井监测资料，总结沉井在下沉过程中刃脚受力状况，分析沉井侧壁摩阻力的分布形式；对沉井在白 重荷载、封底荷载、使用荷载三种工况下的受力特性进行有限元模拟，并研究周边土体在这三种工 况下的应力、位移状况。 本论文主要做的工作有： ( 1 ) 沉井的发展概况及目前的特性研究 ( 2 ) 泰州大桥中塔沉井下沉过程的下沉系数、及施工模式的优化 ( 3 ) 泰州大桥中塔沉井的刃脚反力数据分析和侧壁摩阻力数据分析 ( 4 ) 沉井下沉阶段、封底阶段和使用阶段( 包括主缆架设、钢箱梁吊装、桥面铺装、桥面荷载、 使用阶段的活荷载等上部荷载) 沉井基础周围土体和结构的受力性能分析 参考文献 1 段良策，殷奇沉井结构设计与施工 m 同济大学出版社，2 0 0 6 5 ( 1 ) 2 周申一，桂业馄，深基坑的开挖和支护 j 建筑施工，1 9 8 7 ，第5 期， 3 冯华东，高层建筑大型箱基沉井法施工 d 广西大学，硕士学位论文，1 9 9 7 年 4 张明义，时伟。章伟，姜福香基础工程 m 北京中国建材工业出版社，2 0 0 2 5 5 刘昌辉，时红莲基础工程学 m 武汉，中国地质大学出版社，2 0 0 5 3 7 东南大学硕士学位论文 6 陈仲颐，叶书麟基础上程学 m 北京，中国建筑工业出版社，1 9 9 0 7 莫导贤，一种沉井下沉新的计算方法 j 水利水电技术，1 9 7 90 6 期 8 朱唏，吴鸿庆软土地基沉并基础桥墩抗震计算研究 j 桥梁建设，1 9 7 9 ( 3 ) ：4 3 - 5 6 9 叶建荣，沉井强度的验算 j 同济大学学报，1 9 8 5 ( 1 ) 1 0 詹贵春，浮运沉并施工期冲刷计算 j 铁道工程学报1 9 9 0 1 1 1 赵季华。用朗肯土压力理论探沉井在沙砾石地层中的有效纠偏 j 佛山大学学报，1 9 9 2 ，1 0 ( 2 ) ：5 6 6 2 1 2 方红卫，浮运沉井施工期三维冲刷的数值模拟 j 1 9 9 5 ( 1 ) 2 5 1 3 徐新民，李世鸿沉井处理水利工程地质问题的探讨 j 湖南水利水电，1 9 9 6 ，( 0 4 ) 1 4 苟联盟。大型沉井基础与地基土共同作用研究 d 河海大学，2 0 0 1 2 1 5 吉林，冯兆祥，周世忠江阴大桥北锚沉井基础变位过程实测研究 j 公路交通科技， 2 0 0 1 1 8 ( 3 ) ：3 3 3 5 1 6 冯海宁，徐日庆，龚晓南沉井后背墙土抗力计算的探讨 j 中国市政工程，2 0 0 2 ，( 0 1 ) 1 7 程翔云沉井一钢管桩基础的简化计算模型 j 公路2 0 0 2 ( 5 ) 1 8 王红霞大型沉井结构施工过程的力学模型及控制研究 d 上海：上海交通大学，2 0 0 1 1 9 陈晓平，茜平一，张j 落勇沉井基础下沉阻力分布特征研究 j 岩土工程学报，2 0 0 5 ，2 7 ( 2 ) ： 1 4 8 1 5 2 2 0 高正荣，黄建维，赵晓冬大型桥梁钢沉井下沉过程局部冲刷研究 j 海洋工程，2 0 0 6 3 4 ( 3 ) ：3 1 - 3 5 2 1 g o o d m a nlj ，l e ecn ，w a l k e rfje ta 1 t h ef e a s i b i l i t yo fv a c u u ma n c h o r a g ei ns o i l 【j 】- g e o t e c l m i q u e ，1 9 6 1 ，l ( 4 ) ：3 5 6 - 3 5 9 2 2 d a t t am k u m a rp s u c t i o nb e n e a t hc y l i n d r i c a la n c h o r si ns o f tc l a y j i n ：p r o c e e d i n g so f t h es i x t h i n t e r n a t i o n a lo f f s h o r ea n dp o l a re n g i n e e r i n gc o n f e r e n c e l o sa n g e l e s ，c a l i f o r n i a ：5 4 4 5 4 8 2 3 l u k eam a x i a lc a p a c i t yo fs u c t i o nc a i s s o n si nn o r m a l l yc o n s o l i d a t e dk a o l i n i t e j m s c t h e s i s ， t h eu n i v e r s i t yo f t e x a sa ta u s t i n , a u s t i n , t e x a s ，2 0 0 2 2 4 c o f f m a nra h o r i z o n t a lc a p a c i t yo fs u c t i o nc a i s s o n si nn o r m a l l yc o n s o l i d a t e dk a o l i n i t j m s c t h e s i s ，t h eu n i v e r s i t yo ft e x a sa ta u s t i n , a u s t i n ，t e x a s ，2 0 0 3 2 5 h o g e r v o r s tjr f i e l dt r a i l sw i t hl a r g ed i a m e t e rs u c t i o np i l e s j p r o c e e d i n g so ft h e 12 t ha n n u a l o f f s h o r et e c h n o l o g yc o n f e r e n c e h o u s t o n , t e x a s ，19 8 0 ：217 2 2 4 2 6 k e a v e n yjm ，h a n s e nsb ，m a d s h u sc 既a 1 h o r i z o n t a lc a p a c i t yo fl a r g e - s c a l em o d e la n c h o r s j p r o c e e d i n g so ft h e 13 t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ns o i lm e c h a n i c sa n df o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g n e wd e l l a i 。i n d i a , 1 9 9 4 ：6 7 7 - 6 8 0 2 7 d y v i k a n d e r s o nkh ，h a n s e nsbe ta 1 f i e l dt e s t so na n c h o r si nc l a y j d e s c r i p t i o n j o u r n a lo f g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，1 9 9 3 ，l1 9 ( 1 0 ) ：1 5 1 5 1 5 3 1 8 第一章绪论 2 8 t j e l t ati ，g u t t o r m s e nt h e r m s t a dj l a r g e s c a l ep e n e t r a t i o nt e s t a tad e e p w a t e rs i t e i n ： p r o c e e d i n g so ft h e1 8 t ha n n u a lo f f - s h o r et e c h n o l o g yc o n f e r e n c e j h o u s t o n , t e x a s ，1 9 8 6 ： 2 0 1 2 1 2 2 9 e r b r i c hct m o d e l i n go f an o v e lf o u n d a t i o nf o ro f f s h o r es t r u c t u r e s j p r o c e e d i n g so f t h e9 t hu k a b , 久q u su s e r sc o n f e r e n c e o x f o r d , e n g l a n d , 19 9 4 ：2 3 5 2 51 3 0 s u k u m a r a nb ，m c c a r r o nw0 ，j e a n j e a npe ta 1 e f f i c i e n tf m i t ee l e m e n tt e c h n i q u e sf o rl i m i ta n a l y s i s o f s u c t i o nc a i s s o n su n d e rl a t e r a ll o a d s j c o m p u t e r sa n dg e o t e c h n i c s , 1 9 9 9 ，2 4 ：8 9 - 1 0 7 31 b a n gs ，c h oy a n a l y t i c a lp e r f o r m a n c es t u d yo fs u c t i o np i l e si ns a n d j p r o c e e d i n g so ft h en i n t h i n t e r n a t i o n a lo f f s h o r ea n dp o l a re n g i n e e r i n gc o n f e r e n c e b r e s t ，f r a n c e ，19 9 9 3 2 h a n d a y a n u , s w a m i d a sasj ，b o o t o nm b e h a v i o ro f t e n s i o nf o u n d a t i o nf o ro f f s h o r es t r u c t u r e su n d e r e x t e m ep u l l - o u tl o a d s j p r o c e e d i n g so f18 t hi n t e r r l a t i o n a lc o n f e r e n c eo no f f s h o r em e c h a n i c s a n da r c t i ce n g i n e e r i n g , s t j o h n s n e w f o u n d l a n d ，c a n a d a ，1 9 9 9 ：6 3 5 6 4 1 3 3 c a oj ，p h i l l i p s a u d i b e r tjmee la 1 n u m e r i c a la n a l y s i so ft h eb e h a v i o ro fs u c t i o nc a i s s o n si n c l a y j p r o c e e d i n g so ft h e 1 2 t hi n t e r n a t i o n a lo f f s h o r ea n dp o l a re n g i n e e r i n gc o n f e r e n c e k i t a k y u s h u ，j a p a n ，2 0 0 2 ：7 9 5 7 9 9 3 4 张克恭、刘松玉土