边筒对圆筒外壁土压力分布的影响

边筒对圆筒外壁土压力分布的影响

过去，国内外科学家的研究主要用于支撑平面支撑墙中的地板压力，而对形状为曲线的大圆的地板压力的研究较少。对大转子外壁的地板压力计算方法采用成熟的方法，对大圆弧的新结构的推广应用较低。因此，有必要对大弹簧外壁的地板压力计算方法进行测试和研究。国内外计算大圆筒外壁土压力时,一般采用作用在圆筒曲面上总的侧向土压力与假想垂直平面上所作用的总侧向土压力相等的原则,用等效平面来替代圆筒曲面。由于圆筒曲面上作用的总侧向土压力没有成熟的计算方法,因此等效平面的宽度实际上也是无法精确求得的。对于成排而立的大圆筒工程,由于筒与筒连接部位凹入土体形成土拱的影响,使等效平面宽度与筒外径之间并非是常数关系,这是因为当圆筒直径趋于无穷大时,圆筒曲面逐渐退化为平面,从而可知,等效平面宽度与筒外径的比值随筒外径增大而增大,比值的最大值为1.0。对于成排而立的大圆筒,由于没有搞清楚改变筒外壁土压力环向分布的机理,所以筒外壁土压力计算的物理、力学概念不明确,没有分析边筒对筒外壁土压力影响的机理,影响的规律和范围。通过试验研究,搞清结构形状对土压力分布的影响,边筒对大圆筒外壁土压力的影响机理、影响的规律和范围,以寻求筒外壁静止土压力的近似计算方法。1模型试验的设备及操作为了要搞清楚作用在无底筒外壁上侧向土压力的规律,在交通部天津水运工程科学研究所结构试验厅的砂槽内进行模型试验,砂槽高3m、宽2.55m、长6m,在砂槽内并列放置了3个无底圆筒,中间筒为内、外壁抹环氧砂浆的测试钢筒,其两侧均为钢筒,承担槽壁阻力。试验时,砂槽底铺0.55m的试验砂,以模拟砂基床。模型试验的示意图如图1所示。在测试筒内、外壁及筒底共布置了147个土压力盒,它们分别在筒内、外壁的半个圆筒及筒底上,沿筒的横断面每隔20°布置一个土压力盒,沿筒轴线方向及筒底布置土压力盒如图2所示。试验圆筒内外均填细砂,砂的重度为16.8kN/m3,内摩擦角φ=33.7°。本研究通过对内外径分别为1.1m及1.2m、高为2.4m的圆筒,筒内填砂高2.4m,筒外填不同高度的砂在细砂地基上进行试验,另外还对内外径分别为1.5m及1.6m、高为2.4m的圆筒,筒内填砂高2.4m,筒外填砂高0.6m,在细砂地基上进行试验,测定筒外壁静止土压力值。2试验结果：外部壁静土压力根据试验测得筒外壁静止土压力的值如表1、表2及图3所示。3对筒外静土压力试验结果的分析3.1边筒对筒外壁土压力分布的影响1)由于大圆筒外壁为曲面,曲面与平面在同一介质中发生相对运动,曲面所受到的阻力要比平面受到的阻力小,由此可知圆筒外壁上作用的土压力可以用经典的平面挡土墙土压力公式计算值乘以曲面形状系数求得。2)如图4所示,对于方形无底筒,当有边筒时,由于筒与筒连接处为平面,所以整个挡土结构可以用平面挡土墙的土压力公式进行计算,即边筒的存在不改变筒前土压力的分布规律。对于筒壁为曲面的圆筒,它与方形无底筒的不同之处为:筒与筒连接处土体有凹入部分,凹入部分的土体会形成土拱,由此可知,改变圆筒外壁环向土压力分布规律根本的原因为筒与筒连接部位有土拱现象,它将对土拱以内的土压力分布产生影响,土拱以外的土压力可不考虑它的影响,因此边筒对筒外土压力分布影响范围只局限在土拱以内的部位,其影响的规律由试验结果来确定。根据以上分析,筒外壁上作用静止土压力的模式可作如下假定;①筒外壁土压力随距泥面的距离增加而增大,所以可以认为沿筒轴方向土压力的分布规律同平面挡土墙。根据圆筒外壁的土压力比相同高度平面挡土墙的土压力小的事实,可以引入小于1.0的形状系数,这样可以利用平面挡土墙的土压力计算公式来计算大圆筒外壁的土压力。从几何学角度来看,平板为圆的直径趋于无穷大时的特例,所以形状系数同筒的直径大小有关。②由于边筒的存在,改变了大圆筒外壁土压力沿环向的分布规律,这样可将筒外壁土压力沿环向分两个区域进行计算,其中一个区域处于土拱以外,它的土压力沿环向均匀分布,与孤立圆筒外壁的土压力分布规律相同。另一个区域处于土拱以内,它的土压力由于受到边筒边界效应的影响,土压力沿环向不是均匀分布。此两个区域的分界线设为θ0,则土压力沿环向均匀分布区域为0°~θ0,土压力沿环向不是均匀分布区域为θ0~90°。θ0值与大圆筒的直径大小有关,当大圆筒直径趋于无穷大时,大圆筒退化成平板,使筒与筒之间凹入部位土体的土拱消失,所以此时θ0就趋于90°。3.2对筒外静压试验结果的分析1土压力沿筒轴向分布由表1可知,对于外径为1.2m的筒,在±45°及180°±45°范围内的土压力沿环向基本上均匀分布,所以在进行数据处理时取以上范围内土压力的平均值,将此称为环向Ⅰ区域,取60°及120°位置土压力的平均值,称为环向位置Ⅱ区域,取80°及100°位置土压力的平均值,称为环向位置Ⅲ区域。现将不同沉入深度大圆筒外壁静止土压力的实测结果按以上的区域进行平均,其土压力沿筒轴向及环向的分布规律如图3所示。由图3的数据分析知,外径为1.2m圆筒的形状系数α=0.82分析结果从几何角度来看,平面挡土墙为大圆筒直径趋于无穷大时的特例,从而可知大圆筒的形状系数同筒的直径大小有关,为寻求形状系数同大圆筒直径之间的关系,本研究对沉入深度为0.6m,内、外径分别为1.5m及1.6m的圆筒外壁静止土压力进行测试,在试验时没有边筒,所以可以认为大圆筒外壁的土压力是均匀分布的,可将筒外壁等高度的土压力实测值进行平均。由表2的数据分析知,外径为1.6m圆筒的形状系数α=0.86。有关文献提供外径为0.8m圆筒的形状系数为0.67,根据分析知,筒径趋于无穷大时,圆筒退化成平面,其形状系数为1.0。根据以上试验数据,经理论分析得筒外壁静止土压力的形状系数α为:α=1−0.2(D1.2)−1.24(1)α=1-0.2(D1.2)-1.24(1)式(1)中:D——圆筒外径。4计算方法包括将地板外静压力计算4.1筒壁静土压力q0根据以上分析知,在大圆筒边筒影响区域以外筒外壁的土压力沿环向均匀分布,筒外壁的静止土压力qo可按下式计算:q0=α⋅K0γzα=1−0.2(D1.2)−1.24}(2)q0=α⋅Κ0γzα=1-0.2(D1.2)-1.24}(2)式(2)中:K0——库仑静止土压力系数;γ——筒外土体的重度;z——筒外土体从泥面到计算土压力点的距离;D——大圆筒外直径;α——圆筒形状系数。4.2大保压式大圆筒外壁土压力当大圆筒旁有边筒时,筒与筒之间连接部位的凹入土体会产生土拱而改变筒外土侧压力的环向分布,在Ⅰ区域,筒外壁静止土压力可按式(2)计算,对θ≥θ0区域(由测试数据分析知,外径为1.2m,θ0=45°),根据θ=θ0位置筒外土侧压力同Ⅰ区域,θ=90°时,筒外土的侧压力为0的事实,并根据据Ⅱ区域θ=60°及Ⅲ区域θ=80°土压力实测结果,对数据进行整理分析得θ≥θ0范围内,沉入式大圆筒外壁沿筒环向静止侧压力的衰减规律可按下式计算:qθ=e−0.813θ−2.0432θ−θ0π2−θ⋅q0θ0≤θ≤π2(3)qθ=e-0.813θ-2.0432θ-θ0π2-θ⋅q0θ0≤θ≤π2(3)式(3)中:qθ——筒外壁环向位置与筒最前点间夹角为θ的筒外壁土侧压力;q0——筒外壁Ⅰ区域的土侧压力;θ0——筒边界影响的范围,它与筒的直径大小有关,对于外径为1.2m的筒θ=π4θ=π4,对于其它外径的筒,θ0取值应通过试验来确定。从而可得沉入式大圆筒外壁静止土压力的计算公式:q0=αKoγzα=1−0.2(D1.2)−1.24}qθ=e−0.813θ−2.0432θ−θ0π2−θ⋅q0θ≤θ0θ0≤θ≤π2⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪(4)q0=αΚoγzα=1-0.2(D1.2)-1.24}θ≤θ0qθ=e-0.813θ-2.0432θ-θ0π2-θ⋅q0θ0≤θ≤π2}(4)为便于比较根据式(4)算得不同沉入深度大圆筒外壁土压力的计算值与实测平均值同列于图3中,由计算值与实测值比较可知,θ=80°的计算与实测值相差较大,这是因为受边界土拱的影响,筒外此范围填砂也较难均匀,θ接近90°时土压力较小,且测量误差较大。在θ<80°计算值与实测值比较吻合,所以可以用式(4)近似计算沉入式大圆筒筒外壁静止土压力。5大保元酸大比大5.2问题的主要内容对大圆筒进行受力分析时,必须要搞清楚作用在大圆筒壁上的土压力。以往对平面挡土墙上的土压力分布研究得较多,目前也有较成熟的土压力计算方法。但对于大圆筒外壁上的土压力分布规律及计算方法研究得很少,目前也没有成熟的土压力计算方法。通过本试验研究,对筒外静止土压力分布规律得出以下结论:1)本文考虑到圆筒和平面挡土墙的几何形状不同,同时考虑到平面为大圆筒直径趋于无穷大时的特例,指出了大圆筒与平面挡土墙几何图形的有机联系,根据实测数据提出了沉入式大圆筒形状系数的计算公式。2)大圆筒的形状系数并非是常数,它与大圆筒直径大小有关,但与大圆筒的沉入深度无关。3)边筒对大圆筒土压力影响的机理是筒与筒连接部位凹入土体产生土拱所引起的,筒径越小,土拱影响的相对范围越大,筒径越大,土拱影响的相对范围越小。4)本文指出了边筒的