沉井下沉側(cè)壁摩阻力離心模型試驗(yàn)研究

張 凱，馬建林，周和祥，羅朝洋，褚晶磊

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

沉井[1-3]以其整體性強(qiáng)、剛性好、承載力高、施工方便等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各類大跨度橋梁基礎(chǔ)。對(duì)于超深大沉井的設(shè)計(jì)與施工，其核心問題之一是如何準(zhǔn)確可靠地計(jì)算沉井下沉系數(shù)與穩(wěn)定系數(shù)以保證下沉過程的安全穩(wěn)定。而如何確定沉井側(cè)壁摩阻力的大小及分布規(guī)律，并在此基礎(chǔ)之上建立一個(gè)相應(yīng)的計(jì)算模型是確定上述參數(shù)的關(guān)鍵?，F(xiàn)行規(guī)范[4]對(duì)于深大沉井側(cè)壁摩阻力的計(jì)算方法是依據(jù)大直徑樁的下沉機(jī)理分析或針對(duì)中小沉井得出。雖然簡(jiǎn)單易行，但與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果[5]存在很大差異。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均做了相關(guān)研究。陳曉平等[6]以?？谀炒髽虺辆F(xiàn)場(chǎng)資料分析沉井下沉機(jī)理和受力特征，得出不同下沉深度下側(cè)壁摩阻力的分布規(guī)律及計(jì)算模型。王建等[7]研制了直接測(cè)量沉井側(cè)壁摩阻力的微型摩阻力儀器，并以此獲得了側(cè)壁摩阻力隨下沉深度的發(fā)展曲線，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了理論分析。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)存在數(shù)據(jù)波動(dòng)性較大，數(shù)據(jù)量有限等問題；而針對(duì)沉井側(cè)壁摩阻力的室內(nèi)試驗(yàn)開展得較少，并且試驗(yàn)結(jié)果均在1g重力場(chǎng)條件下獲得。離心模型試驗(yàn)借助離心力場(chǎng)模擬重力場(chǎng)，克服了重力場(chǎng)模型試驗(yàn)不能模擬原型重力場(chǎng)的缺陷，使模型具有與原型相似的邊界條件和受力狀態(tài)，可對(duì)沉井下沉過程中側(cè)壁摩阻力大小及分布研究提供很好的支持。

本文依托滬通長(zhǎng)江大橋29#墩沉井基礎(chǔ)，開展室內(nèi)離心模型試驗(yàn)，研究超深大沉井下沉過程中側(cè)壁摩阻力的大小及其分布特性，并在此基礎(chǔ)上提出可靠、合理的沉井側(cè)壁摩阻力的計(jì)算模型，試驗(yàn)結(jié)果可為類似的工程提供參考。

1 工程概況

滬通長(zhǎng)江大橋[8-9]位于江陰長(zhǎng)江公路大橋下游約45 km處，是滬通鐵路的控制性工程。主航道采用雙塔五跨布置，跨度為(168+462+1092+462+168)m。橋梁主跨位于28#墩和29#墩之間，主跨長(zhǎng) 1 092 m，設(shè)計(jì)為4線6車道公鐵兩用斜拉橋。

滬通鐵路為雙線Ⅰ級(jí)鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速為200 km/h，公路為雙向6車道高速公路。為滿足橋梁結(jié)構(gòu)承載力、沉降、防沖刷等要求，29#墩沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為倒圓角的矩形沉井基礎(chǔ)，平面尺寸為86.9 m×58.7 m。為方便吸泥下沉，平面布置為24個(gè)倒圓角矩形井孔，豎向由下部56 m的鋼沉井和上部59 m的混凝土沉井組成。29#墩沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 29#墩沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(單位：cm)

2 離心模型試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與裝置

2.1.1 土工離心機(jī)

試驗(yàn)采用西南交通大學(xué)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)的TLJ-2型土工離心機(jī)，其最大加速度為200g，有效半徑為2.7 m。

2.1.2 試驗(yàn)用模型箱

試驗(yàn)選用尺寸相對(duì)較大的自制模型箱，以減小尺寸效應(yīng)的干擾進(jìn)而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)用模型箱內(nèi)緣尺寸：長(zhǎng) 800 mm、寬700 mm、高700 mm，重心高度302.2 mm。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞装迮c3個(gè)側(cè)面板材質(zhì)為鋼板，正面采用有機(jī)玻璃，便于觀察模型箱內(nèi)的試驗(yàn)情況。在模型箱頂部相應(yīng)位置按照設(shè)計(jì)依次鉆孔，用于模型箱吊裝以及與加載裝置的連接。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞幱谒颅h(huán)境，為保證模型箱的密封性，在模型箱內(nèi)各接縫處涂抹一定厚度的玻璃膠。

2.1.3 試驗(yàn)用土的制備及其物理力學(xué)特性

選用粉質(zhì)砂土作為試驗(yàn)用土，平均粒徑為0.3 mm。在離心模型試驗(yàn)中，由于模型與材料縮尺的不一致，往往存在粒徑效應(yīng)[10-11]。本次試驗(yàn)沉井側(cè)壁模型的寬度與試驗(yàn)用砂平均粒徑之比為67，可忽略粒徑效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

試驗(yàn)中將砂土分層攤鋪并利用室內(nèi)輕型壓實(shí)儀進(jìn)行多遍夯實(shí)，直至到達(dá)設(shè)計(jì)高度。試驗(yàn)土樣全部填筑完成后，通過模型箱中預(yù)先埋設(shè)的注水管緩慢從模型箱底部向上注水，當(dāng)注水高度高于土面1 cm后停止注水，靜置24 h，以保證土樣的均一性。試驗(yàn)土樣為粉質(zhì)砂土，基本參數(shù)為：黏聚力0，內(nèi)摩擦角36.2°，天然孔隙比0.73，干密度1.56 g/cm3，飽和密度1.984 g/cm3,土顆粒密度2.7 g/cm3。

2.1.4 沉井側(cè)壁模型

沉井側(cè)壁模型材質(zhì)選用鋼板，由上至下以中心線為對(duì)稱軸依次布置2排土壓力盒以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。沉井側(cè)壁模型如圖2所示。

圖2 沉井側(cè)壁模型示意(單位：cm)

2.1.5 試驗(yàn)元器件

試驗(yàn)選用江蘇溧陽科源儀器廠研發(fā)的BW箔式微型土壓力盒量測(cè)沉井側(cè)壁外側(cè)土壓力大小；選用YWC型應(yīng)變式位移傳感器量測(cè)沉井側(cè)壁的下沉距離。

2.2 試驗(yàn)過程

2.2.1 試驗(yàn)安排

通過離心模型試驗(yàn)[12-15]模擬沉井連續(xù)動(dòng)態(tài)吸泥下沉的過程極為困難，因此試驗(yàn)選取沉井下沉過程中幾個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)階段性地分析其動(dòng)態(tài)下沉過程。盡管存在一定的誤差，但大大提高了試驗(yàn)的可操作性。

試驗(yàn)共分為4組，埋深分別為10，20，30，40 cm，離心加速度設(shè)定為90g，加載前保證沉井內(nèi)側(cè)土面與刃腳踏面相平。離心模型試驗(yàn)安排見表1。

表1 離心模型試驗(yàn)安排

2.2.2 試驗(yàn)加載

采用自行研制的加載裝置對(duì)沉井側(cè)壁施加豎向荷載，通過操作系統(tǒng)控制加載裝置緩慢勻速下降并通過加載裝置與沉井側(cè)壁上的連接裝置帶動(dòng)沉井緩慢勻速下沉。當(dāng)下沉距離達(dá)到2～3 cm后，停止加載。試驗(yàn)布置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)布置示意(單位：cm)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 沉井側(cè)壁摩阻力分析

根據(jù)上述試驗(yàn)條件，得到不同埋深情況下沉井側(cè)壁有效土壓力、摩阻力的大小及分布，見圖4。

圖4 不同埋深下沉井側(cè)壁土壓力、摩阻力分布曲線

不同埋深下沉井側(cè)壁土壓力分布曲線見圖4(a)。由圖4(a)可知：沉井側(cè)壁有效土壓力介于靜止土壓力與被動(dòng)土壓力之間，當(dāng)入土深度較小時(shí)，側(cè)壁有效土壓力更接近于被動(dòng)土壓力。隨著下沉深度的增加，沉井側(cè)壁土壓力逐漸增大，在入土深度達(dá)到2/3倍沉井埋深時(shí)，有效土壓力達(dá)到最大值，隨后由于沉井下沉使刃腳外側(cè)土體有向內(nèi)的趨勢(shì)，在沉井外側(cè)某一范圍內(nèi)形成壓力松弛區(qū)造成側(cè)壁有效土壓力減小，且在靠近刃腳附近其減小幅度更大，數(shù)值偏向于靜止土壓力。

沉井側(cè)壁摩阻力

fs=σatanφ

(1)

通過離心模型試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的σa和已知摩擦因數(shù)值0.47，由式(1)計(jì)算得到沉井在下沉過程中的側(cè)壁摩阻力的大小，不同埋深下沉井側(cè)壁摩阻力分布見圖4(b)。由圖4(b)可知：不同埋深下沉井側(cè)壁摩阻力整體呈現(xiàn)上下小中間大的分布形式。當(dāng)下沉深度較小時(shí)，沉井側(cè)壁摩阻力與入土深度基本呈線性關(guān)系，且埋深增加時(shí)其線性增加部分比例逐漸降低。當(dāng)下沉深度增加時(shí)，側(cè)壁摩阻力隨入土深度的增加先增大后減小。不同埋深下相應(yīng)的摩阻力極值在一定的下沉深度內(nèi)隨著下沉深度的增加而增大，且發(fā)生的部位逐漸下移。

3.2 沉井側(cè)壁摩阻力計(jì)算模型

根據(jù)離心模型試驗(yàn)結(jié)果，沉井側(cè)壁摩阻力呈現(xiàn)上下小中間大的分布形態(tài)，考慮幾種不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行結(jié)果擬合[16]，從而確定一種合適的計(jì)算模型。

3.2.1 拋物線形

根據(jù)離心模型試驗(yàn)結(jié)果，選取拋物線形函數(shù)進(jìn)行擬合。擬合公式為

f=C+B1h+B2h2

(2)

式中：f為沉井側(cè)壁摩阻力，kPa;h為沉井入土深度，m;C,B1，B2為擬合參數(shù)。

不同埋深下沉井側(cè)壁摩阻力拋物線擬合曲線見圖5，擬合參數(shù)見表2。

圖5 不同埋深下沉井側(cè)壁摩阻力拋物線擬合曲線

表2 拋物線形擬合參數(shù)

由圖5及表2可知：在一定的入土深度范圍內(nèi)，采用二次函數(shù)曲線對(duì)不同埋深下沉井側(cè)壁摩阻力的分布進(jìn)行擬合，其相關(guān)系數(shù)較高，可以很好地反映側(cè)壁摩阻力的大小及分布。但其擬合參數(shù)C，B1，B2規(guī)律性不強(qiáng)，且與土體性質(zhì)、埋深等參數(shù)之間的關(guān)系無法較準(zhǔn)確地確定，使其不便于工程應(yīng)用。

3.2.2 分段函數(shù)包絡(luò)線

考慮工程中的應(yīng)用方便，采用分段函數(shù)包絡(luò)線的形式擬合。擬合公式為

(3)

式中：μ為沉井側(cè)壁與土體之間的摩擦因數(shù)；γ為土體的有效重度，kN/m3；H為總的入土深度,m；Kz為增大土壓力系數(shù)，介于K0與Kp之間(K0為靜止土壓力系數(shù)，Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù))，考慮土體性質(zhì)等因素的影響，本次試驗(yàn)中取0.85Kp。

不同埋深下沉井側(cè)壁摩阻力分段函數(shù)擬合曲線見圖6。

圖6 不同埋深下沉井側(cè)壁摩阻力分段函數(shù)擬合曲線

由圖6可知：當(dāng)h≤4H/9時(shí)，側(cè)壁摩阻力隨著深度的增加而線性增大至極限側(cè)壁摩阻力；4H/9

4 結(jié)論

本文采用多功能數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)TLJ-2型土工離心機(jī)，對(duì)4組不同埋深下的沉井側(cè)壁開展離心模型試驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，得到如下結(jié)論：

1)離心模型試驗(yàn)利用離心機(jī)產(chǎn)生的離心加速度場(chǎng)代替1g重力場(chǎng)，可使得模型與原型應(yīng)力相等、應(yīng)變相等，可以更好地模擬沉井下沉過程中側(cè)壁摩阻力的大小及特性。

2)在一定的下沉深度范圍內(nèi)，沉井側(cè)壁摩阻力隨下沉深度的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，且當(dāng)入土深度為2/3倍沉井埋深時(shí)，沉井側(cè)壁摩阻力達(dá)到極大值。

3)依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別采用拋物線、分段函數(shù)包絡(luò)線形式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，二者擬合程度均較高?？紤]到工程應(yīng)用的方便，選擇分段函數(shù)作為側(cè)壁摩阻力大小及分布計(jì)算模型，并給出了計(jì)算公式，可為今后類似工程提供參考。