基于土体位移-沉井下沉受力分析模型

1、基于土体位移-沉井下沉受力分析模型            摘要：对沉井的下沉进行分析，考虑土体的位移而建立了沉井受力分析模型。提出沉井所受的土压力为被动土压力，推出被动土压力与侧摩阻力的计算公式。依据该计算公式对某钢厂地下旋流池的结构进行计算和分析，指出在沉井结构中，沉井刃脚高度以及刃脚踏面的宽度对沉井的侧摩阻力和下沉系数影响较大。 关键词：位移 被动土压力 侧摩阻力 刃脚  0 引言沉井法是一种特殊的施工方法。沉井的下沉是在自重G作用下，克服井壁与土体的摩擦阻力R

2、f、刃脚反力Rj和浮力Nw来完成，见图1（a）。在沉井下沉计算中，一般假设沉井单位面积上的侧摩阻力随深度而变化：在浅土层中，侧摩阻力从地表起逐渐增加，进入土层一定深度后达到最大值，然后逐渐减少，达到一定的深度趋于稳定1，2。工程设计中，单位面积侧摩阻力q一般按规范或实测取值。折算深度的计算一般按照图1（b）方法进行。文献3提出按图1(c)的计算方法。对沉井所受的土压力，普遍观点认为沉井受主动土压力的作用，并根据Coulomb和Rankine土压力理论进行计算与分析。文献4提出沉井所受的土压力为被动土压力，并进行了论证。认为沉井下沉过程中井壁未受到土压力的作用，只是在刃脚处受到被动土压力的作用。

3、但是并未提出此土压力的计算方法。图2     沉井下沉模型(a)刃脚与弹性核；(b)沉井下沉的闭口系沉井下沉对地基的破坏形式主要是冲剪破坏和局部剪切破坏。被压缩的土体符合小变形的假定：土体的压缩量为： ，见图2（b）。井内及时取土，Rj0。沉井对土体的压缩为刃脚宽度的一半s，即土体从o-o面被挤压至c-c面外。沉井外土体土体被压缩后，土体产生相对滑动，达到土的抗剪强度，形成滑动面，土体被压缩后（图3），逐渐在沉井外形成一环绕沉井井壁及刃脚的压密体。环绕沉井的土体被压缩前后，内摩擦角  不变。作用下，克服摩擦阻力，下沉h深度。在此过程中，土体位移

4、：s=0；土的物理性质指标（、e、w、）保持不变。土体的位移与压缩直径d、壁厚0的园筒在土压力作用下挤压土体，使土体产生的位移s0。土的物理性质指标（、e、w、）发生改变，其中：、ee、ww，=。2沉井受力分析2.1 土体的位移根据上述的沉井受力模型，由Coulomb和Rankine土力学理论可知：在沉井下沉过程中，土体未产生位移，沉井所受的土压力为静止土压力E    2007-04-21        0；而在土体的压缩过程中，土体产生的位移从0增加到s。沉井所受的土压力从

5、静止土压力E0逐渐增大到Ep，Ep=(E0,Ep，见图4。综合以上两个过程可知：沉井所受的土压力为被动土压力。Ep           （1）其中，被动土压力系数折减系数： 及： ）       （2）可知，土压力随着土的重度增加而增加。因此，在计算土压力E0、Ep或Ep时，应考虑土体物理性质指标的变化对土压力的影响与变化。土体被压缩前：。则：层：粗砂层     10.0   

6、   20       20        0.6             0.45      16.0        200      25

7、0;                          0.50       2000根据工艺要求及场地情况确定旋流池结构几何尺寸，选择圆形、带隔墙的旋流池。由于场地限制，取旋流池外径D=9m，旋流池壁厚取较小值(D-d)/2=0.7m，旋流池内径d=7.2m，深度H=18.2m，刃脚高度

8、根据经验取h=2.0m3.2m，池底标高-16.2m。持力层为层粗砂层，地下旋流池的结构见图5。 sP；静止土压力系数k=1-sin0.5；刃脚外侧被压缩后的土体e0，w0，其重度按式（4）进行计算。侧摩阻力Rf的计算与下沉系数k的验算分别采用规范法、文献7的方法和本文的方法进行计算和比较，计算结果见表2。其中表2中Ea、Ep为沉井下沉中刃脚所受的最大土压力。表2   侧摩阻力的计算及下沉系数的计算计算方法  h          h0  

9、60;       q      sa     sp      s      ka      kp    k0    kp           

10、60; Ea     Ep      m     Ep      Rf      k          /m         /m     

11、   /kPa    /m     /m     /m                             /kN/m3   /kN/m   /k

12、N/m         /kN/m     /kN    2007-04-21        本文方法  2.4      h=2.4          -    -0.061 &

13、#160; 0.91  0.075   0.31   2.9   0.5   2.76   =29.34   478.1   2903.3  0.224  650.4   8270.8    1.38    2007-04-21        3.2

14、      h=3.2          -    0.061  0.91  0.125   0.31   2.9   0.5   2.76   =29.34   637.5   3871.3  0.259  1006   127

15、93.2   0。89从表2中可知：按规范法进行分析，取有效高度h0=(H-2.5)，刃脚高度、刃脚踏面宽度的变化，对计算的沉井的侧摩阻力Rf及下沉系数k均不存在任何影响。按文献3方法，取有效高度h0=(H+h)/2，刃脚高度从h=2.0m增加到h=3.2m、增加60%，沉井的侧摩阻力Rf由7392.2kN增加到7823.8kN，增加5.8%，下沉系数k由1.54下降到1.45，减少5.8%。以上两种计算方法的结果说明，目前的沉井结构设计实际上均未考虑刃脚结构几何尺寸、土体的变形对沉井受力的影响。采用本文方法进行计算分析，刃脚结构的几何尺寸如刃脚的高度h，刃脚踏面的宽度2s

16、的取值对沉井的侧摩阻力Rf和下沉系数k影响很大对沉井的下沉影响很大。当刃脚高度h2.8m，刃脚宽度2s0.25m 时，采用本文方法计算的侧摩阻力大于规范法计算的侧摩阻力。而当刃脚的高度h=2.0m，刃脚的宽度2s=0.15m时，计算的侧摩阻力仅为规范法结果的60%。当刃脚的高度h=2.0m，计算的侧摩阻力与文献5方法基本接近；当h2.0m时，计算的侧摩阻力均大于文献5的计算结果。在本文的分析中，假设刃脚外侧被压缩后的土体处于完全密实状态，沉井对土体的压缩仅假设为刃脚踏面下一半的土体。尽管如此，在保持刃脚高度h不变情况下，踏面宽度由2s=150mm增加到250mm，增加66.7%；侧摩阻力Rf增

17、加16%，下沉系数k下降12.7%14%。根据本文的计算公式：刃脚的高度主要与沉井和土体的接触面积有关。沉井的侧摩阻力与沉井和土体的接触面积成正比。因此，刃脚的高度越大，沉井与土体的接触面越大，则沉井的侧摩阻力越大。相应地，计算的下沉系数越低。表2中，保持刃脚踏面宽度2s不变，刃脚的高度h从2.0m增加到3.2m，增加60%；沉井的侧摩阻力Rf增加60%、下沉系数k约下降37.3%37.6%。对刃脚处所受的土压力进行比较，刃脚的宽度从2s=0.15m增加到0.25m，Ep/E0从1.36增加到1.58，增幅为16.2%上述分析表明，减少刃脚的高度和宽度均可减少沉井的侧摩阻力。因此，采用本文分析方法进行分析，可以为某些沉井设计、施工中存在的问题如：计算的沉井自重远超过沉井的侧面阻力，但施工中出现难沉、而沉井壁无孤石等异常情况；计算的沉井自重能