深大沉井基底土層承載特性研究.pdf

1、到目前為止關于深層土體承載特性方面的研究甚少。實踐中常把淺層土體在這方面的研究成果，通過簡單擴展或修正應用于深層土體。顯然，其結(jié)果的科學性、合理性和可靠性受到質(zhì)疑。隨著我國建設事業(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已達到超過百米的深層土體。上述簡單擴展或修正方法，再不能滿足對深層土體承載特性認識和計算的迫切需求。
　　本論文以中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題“超千米跨度公鐵兩用斜拉橋新結(jié)構(gòu)及施工關

2、鍵技術研究——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為基礎，通過理論推演、離心模型試驗、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平面尺寸和埋深變化規(guī)律的研究，揭示了深大沉井基礎的地基破壞模式，深入地研究了深大沉井地基極限承載力的計算理論。主要內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.首次將球孔擴張理論應用于深基礎基底土層承載能力的計算，推求了深層土體中球

3、孔擴張問題的極限擴孔壓力計算公式，該理論考慮了地基土在高應力環(huán)境下的破壞模式和非線性的強度特性，運用大變形理論反映基底及周圍土體的擾動和變形，將其應用于滬通長江大橋主塔沉井基礎地基承載力的計算，結(jié)果表明:極限承載力隨剪脹角的增加而增大，隨強度包絡線控制參數(shù)α的增加而減小;當以國內(nèi)規(guī)范方法作為參照標準時，建議剪脹角的取值范圍為5°～10°;當以國外理論方法作為參照標準時，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，為了更準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張理論，假定基礎下沉過程中基底為橢球孔擴張，同時考慮塑性區(qū)土體的大變形規(guī)律及非相關聯(lián)流動準則。將該理論應用于滬通長江大橋主塔沉井基礎地基承載力的計算，結(jié)果表明:極限承載力隨剪脹角的增加而增大;當以國內(nèi)規(guī)范方法作為參照標準時，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準;剪脹角不大于10°時，兩種擴孔理論的計算結(jié)果吻合良好;剪脹角大于1

5、0°時，橢圓孔擴張理論結(jié)果明顯小于球孔擴張理論結(jié)果，且二者的差值隨剪脹角增加呈增大趨勢。
　　3.基于離心模型試驗探討了飽和砂土地基中基礎的平面尺寸和埋深變化對地基承載力的影響，并與擴孔理論計算結(jié)果進行了對比分析，結(jié)果表明:基礎埋深不大于5m時，荷載-沉降曲線為陡降型，可取拐點對應的荷載作為極限承載力;基礎埋深不小于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對應的荷載作為極限承載力;砂土地基中，極

6、限承載力隨基礎相對埋深的增加近似呈指數(shù)型曲線增長;兩種擴孔理論均不適用于基礎埋深為零時地基極限承載力的計算;當剪脹角ψ=ψ/3～ψ/2（ψ為內(nèi)摩擦角）時，兩種擴孔理論的計算結(jié)果與離心模型試驗結(jié)果吻合良好，進一步驗證了兩種擴孔理論的合理性。
　　4.采用有限元軟件Abaqus進一步探討了基礎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算模型，并與國內(nèi)外常用的地基承載力計算理論進行了對

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側(cè)面相交;不同基礎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)范方法的計算值偏大，《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》等國內(nèi)現(xiàn)行常用規(guī)范的計算值偏于保守，而本文

8、推求的三種理論方法的計算結(jié)果與離心模型試驗結(jié)果吻合良好，均可用于估算砂土地基中深基礎的地基承載力。
　　5.對29號沉井基礎下沉過程中刃腳踏面的基底反力進行了監(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，兩種擴孔理論計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合良好，有效地驗證了兩種擴孔理論用于刃腳踏面土體承載力計算時的合理性。
　　6.現(xiàn)有工程實例的數(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施工期間的沉降觀測值近似預測基礎的工后沉降量;地基承載力建議按照沉降控制和球孔擴張理論計算得到的極限承載力再除以2.90～7.54的安全