（岩土工程专业论文）大型沉井结构下沉过程中的受力特性研究.pdf

舢圳j j j j j 舢j i j j j i j j j j j j j j y 1 7 616 2 0 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大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：越迭。篮日 期：乒剑匦立 一 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：彳衅嶂导师签名：立喜虹日 期：业 摘要 大型沉井结构下沉过程中的受力特性研究 硕士研究生：郝志强指导老师：穆保岗副教授 摘要 随着我国大型桥梁建设的蓬勃发展，大跨悬索桥的相继出现，将主缆缆力传给基础的 锚碇沉井的下沉深度和平面尺寸逐步增大，结构受力特性发生改变，其施工过程中的各种 受力状况也更复杂，而以往的研究均基于中小沉井。本文通过对南京长江第四大桥北锚碇 沉井基础下沉的监控，研究了大型沉井下沉过程中的受力特性，主要研究内容如下： 首先，根据南京长江第四大桥北锚碇沉井的主要施工流程，确定了沉井下沉施工的主 要技术和关键措施，对沉井初始下沉时的受力特点进行了研究。 其次，依据沉井下沉过程中刃脚和隔墙的监控情况，通过对钢筋计的应力和钢板计的 应变数据进行整理汇总，绘制了沉井结构的应力应变随着下沉深度变化的曲线，并分析了 产生数据曲线变化趋势的原因。 最后，依据沉井下沉过程中侧壁土压力的监控情况，在对沉井侧壁土压力监控数据整 理分析的基础上，得出侧壁有齿坎的大型沉井侧壁土压力分布形式，并对形成这种侧壁土 压力分布形式的原因进行了初步探讨。 关键词：沉井；应力应变；侧壁土压力；监控；沉井下沉 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 l p r o p e r t i e so f s i n k i n g p r o c e s so f l a r g e c a i s s o ns t r u c t u r e s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：h a oz h iq i a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f m ub a o - g a n g d e p a r t m e n to fc i v i le n g i n e e r i n g ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a bs t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ev i g o r o u sd e v e l o p m e n to fl a r g e s c a l eb r i d g ec o n s t r u c t i o n ，l o n g - s p a n s u s p e n s i o nb r i d g ee m e r g e di ne n g i n e e r i n gs e c e s s i o n ，s i n k i n gd e p t ha n dp l a n ed i m e n s i o no fo p e n c a i s s o nf o u n d a t i o nc o n v e i e df r o mm a i nc a b l ef o r c ei sr i s i n g ，a n ds t r u c t u r ef o r c e dc h a r a c t e r i s t i c s h a sc h a n g e d ，a l s om e c h a n i c a lb e h a v i o ro fc o n s t r u c t i o np r o c e s se v e nm o r ec o m p l i c a t e d ，t h ep a s t r e s e a r c hd e p e n t so nm e d i u ma n ds m a l lc a i s s o n t h i sp a p et h r o u g hm o n i t o r i n gc a i s s o ns i n k i n go f n o r t ha n c h o r a g eo fn a n j i n gy a n g t z er i v e rf o u r t h b r i d g e ，r e s e a r c h i n g o i lt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fs i n k i n gp r o c e s so fl a r g e - s c a l ec a i s s o ns t r u c t u r e ，t h em a j o rc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h em a i nc o n s t r u c t i o np r o c e s so fn o r t ha n c h o r a g ec a i s s o no fn a n j i n g y a n g t z er i v e rf o u r t hb r i d g e ，e s t a b l i s h i n gt h et e c h n o l o g ya n dt h ek e ym e a s u r eo fc a i s s o ns i n k i n g c o n s t r u c t i o n ，r e s e a r c h i n go nt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc a i s s o ni n i t i a ls i n k i n g s e c o n d l y , a c c o r d i n gt om o n i t o ro nc u t t i n ga n dp a r t i t i o nw a l li nt h ep r o c e s so fo p e nc a i s s o n ， c h a n g e si ns t r e s s s t r a i no fc a i s s o ns t r u c t u r ew i t hs i n k i n gd e p t hh a sb e e np l o t t e db yc u r v e f i t t i n g s t r e s so fr e i n f o r c e m e n tm e t e ra n ds t r a i no fs p l a t es t r a i nm e t e r , a n da n a l y z ec a u s e so fc u r v e s v a r i a t i o nt r e n dw a sg e n e r a t e f i n a l l y , a c c o r d i n gt om o n i t o ro nl a t e r a le a r t hp r e s s u r ei nt h ep r o c e s so fo p e nc a i s s o n ，l a t e r a l e a r t hp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h i sk i n do fc a i s s o ns t r u c t u r eh a sb e e no b t a i n e db ya r r a n g e da n d m e r g e dt h em o n i t o r i n gd a t ao fl a t e r a le a r t hp r e s s u r e ，a n dd i s c u s s i n ga b o u tc a u s e so ff o r mt h i s k i n do fl a t e r a le a r t hp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n k e yw o r d s ：c a i s s o n ；s t r e s s s 仃a i n ；l a t e r a le a r t hp r e s s u r e ；m o n i t o r i n g ；c a i s s o ns i n k i n g 一一 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 问题的提出1 1 2 沉井的研究现状2 1 2 1 沉井基础受力分析研究现状2 1 2 2 侧壁土压力研究现状4 1 3 本文的工程背景及主要研究工作7 1 3 1 工程背景7 1 3 2 研究目的8 1 3 3 研究内容8 第二章大型沉井下沉过程的预分析9 2 1 沉井施工主要工艺流程9 2 1 1 沉井的制作1 0 2 1 。2 沉井的下沉和接高l l 2 1 3 沉井封底施工15 2 2 沉井下沉的难点及措施1 6 2 2 1 沉井下沉主要技术难点16 2 2 2 沉井下沉关键措施1 7 2 3 长江四桥北锚碇沉井抽垫工况时的受力分析1 9 2 3 1 北锚碇沉井的概况1 9 2 3 2 沉井抽垫工况时的受力特性2 2 2 3 3 沉井抽垫工况时的数值模拟2 3 2 4 本章小结2 5 第三章沉井内力监控及测试结果2 6 3 1 沉井内力监控方案2 6 3 1 1 沉井内力监控目的及内容2 6 3 1 2 内力监控仪器精度要求及选择2 6 3 1 3 仪器布置设计2 7 3 1 4 内力监控频率及要求2 8 3 1 5 数据处理技术2 8 3 2 沉井内力监控数据汇总及分析3 0 3 2 1 钢筋计应力情况分析3 l 3 2 2 钢板计应变情况分析3 4 3 3 本章小结3 6 第四章沉井侧壁土压力监控及结果分析3 7 4 1 场地地质条件3 7 4 2 沉井侧壁土压力监控方案3 8 4 2 1 侧壁土压力监控目的及内容3 8 m 一 一一 9 9 l 1 1 2 3 6 8 9 9 9 o 2 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 沉井基础是由内外墙形成垂直井壁、顶部和底部敞开的筒状结构物。施工时一般是先 在场地制作好井筒，然后在井简内挖土( 或水力吸泥) ，依靠其自身重量，克服外井壁与 土的摩阻力、刃脚土的支承力、水的浮力等而下沉，通过逐节接高达到预定深度后封底盖 顶形成沉井基础。 当前，沉井已广泛应用于桥梁墩台基础、取水构筑物、排水泵站、地下工业厂房、大 型设备基础、地下仓( 油) 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 程施工中具有以下显著特点：埋置深度很大、占地面积小、整体性强、刚度大、变形小、 稳定性好、无需板桩围护、挖土量相对大开挖少，对邻近建筑物影响较小，浇筑质量易于 控制，内部空间又可易于控制，且能承受较大的垂直荷载和水平荷载。沉井既是基础，又 是施工时的挡土和挡水围堰结构物，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，沉井有着广泛的应用前景【lj 。 随着国内外沉井下沉施工技术的不断发展，沉井的下沉深度和平面尺寸也在逐步增 大。国外在7 0 年代沉井下沉的深度就已经很深了，如前苏联建造了两座长7 8 6 m ，宽2 8 6 m ， 深2 6 o m 的矩形沉井。近年来，由于我国基础设施建设及经济发展的需要，桥梁建设开始 向宽阔水域、外海方向发展，加之地质条件的复杂化和水深的加大，超大型沉井基础结构 形式相继出现，如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【2 】长6 9 m ， 宽5l m ，顶面高程2 4 m ，底面高程5 5 6 m ：2 0 0 7 年开工建设的泰州长江大桥中塔沉井基础 1 3 ，下部是3 8m 高的钢箱沉井，上部是3 8m 高的混凝土沉井，沉井长5 8 2m 、宽4 4 1 m 、 高7 6m ，该沉井是国内下沉最深的水中沉井基础，在沉井施工过程中克服了江底地质复杂、 水文冲刷、气候多变等诸多难关【4 儿习；正在开工的马鞍山长江公路大桥南北锚碇沉井基础， 平面尺寸为6 0 2m x 5 5 4m ( 第一节沉井长和宽分别是6 0 6m 和5 5 8m ) 的矩形沉井，沉井 高4 1m ，共分8 节，2 5 个井孔，第一节是8m 高的钢壳混凝土沉井，其余节段是钢筋混凝 土沉井。 虽然工程结构本身分析的有关方法和技术相对成熟，但对于受力条件复杂的大型沉井 基础在下沉期间的沉井结构受力还处于摸索阶段，由于其工程经验少难度较大，研究深度 还不够，随着沉井基础向更大平面尺寸、更深方向的迅速发展，现有的设计和计算理论遇 到严峻的挑战，迫使我们更深入的研究其受力状态。要研究沉井下沉过程中的内力特性， 就要知道沉井的施工技术，了解沉井下沉的施工工艺，进而更好的帮助沉井设计。大型钢 筋混凝土沉井由于其几何尺寸较大，结构相对复杂，在制作和下沉过程中影响工程质量的 东南大学硕士学位论文 因素增多，多种情况和问题交替或同时发生的几率增大，故其施工工艺复杂，技术要求高， 尤其是沉井下沉过程中极易出现的倾斜、位移、扭转以及由于复合原因引起的井壁裂缝的 控制是一个很重要的技术难题，还制约着大型沉井施工技术的广泛应用【6 】。 目前的大型沉井结构多采用大沉井小方格布置原则，由于深度深常采取多次下沉方法。 下沉过程义分为排水下沉和不排水下沉两种方式，排水下沉时采取深井降水疏干基底的措 施，沉井井内取土采用高压水枪将土冲成泥浆，再用接力泥浆泵将泥浆排除井外。为保证 下沉均匀，坚持出土程序由内格到中格，再到外格，使之形成伞刃脚支承的锅底，取土部 位做到对称、均匀，循序渐进。这些施工顺序与以往的小型沉井有很大的不同。 然而在现有沉井基础的研究中，多为沉井的制作、下沉、封底等施工技术的阐述，对 沉井受力特点的分析及沉井设计特别是沉井裂缝的控制方面的研究还较少。 1 2 沉井的研究现状 1 2 i 沉井基础受力分析研究现状 沉井基础不断的用于大型桥梁桥墩和锚碇中，沉井施工工艺也不断的得到提高，国内 外很多学者对沉井的研究取得了突破性的进展，从沉井基础的整体稳定、受力机理、土体 的应力应变，侧摩阻力、沉井的强度及变形等方面做了大量的研究。我国在2 0 0 2 年由上海 市政工程设计研究院出版了给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程c e c s l 3 7 ：2 0 0 2 ， 该规程总结了原给水排水工程结构设计规程g b j 6 9 - - - 8 4 近十年的应用情况，吸取了国 内的工程实际经验和国外相关标准的内容，对沉井下沉和结构计算做出了相关规定。 目前国内外对于沉井基础下沉的的研究主要通过经验公式法、物理模拟法、现场测试 和数值分析法对沉井的内力、受力性能、周围十体的应力应变等方面进行了研究。 广西综合设计院的莫导贤【6 】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。 暨南大学的陈晓平【7 】以海1 5 1 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。 同济大学的叶建烈8 】通过将沉井看作几块不同支承条件的矩形板组成，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。 上海交通大学的王红霞【9 】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。 一2 一 第一章绪论 c a o t l 0 1 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。 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 1 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【l l 】。 l u k e t 记】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 r a m 的铝管制成的，试验得出了一些有益与 沉井设计的结论和建议。 e r b r i c h 1 3 】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 c 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 结果证明了该方法可以用来预测沉井基础承载力的实用性。 s u k u m a m 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。将软粘土看作理想弹塑性模 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1 1 4 1 。 在以上工程研究中，物理模拟法通过现场及室内模拟实验，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， 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，因此物理模拟法的理论研究不能直接用于实际工程。经验公式法通过现有的工程实例 资料的统计分析而总结出的经验理论，这种理论广泛用于目前的实际沉井工程中。数值模 拟法通过对模型的基本假定可以较好的模拟士与结构相互作用的复杂受力模型，但由于实 际工程中各种影响因素的复杂性和不确定的影响，建立精确的沉井下沉过程的力学模型很 难做到，没有很好的数值模拟方法值得参考。现场测试可以及时、直观地了解沉井下沉过 程中的受力情况，也可为建立沉井施工计算模拟建模、参数反演等提供实测资料，该方法 已广泛应用于沉井施工中。 沉井存在施工过程和永久使用两个阶段，在这两个阶段中，沉井结构的传力体系、受 力状态以及荷载的状况均不相同，沉井结构不仅要满足永久使用时的受力作用，还必须满 足在施工过程中的各种受力作用。而大量实践证明，不少沉井结构往往在施工阶段就出现 了裂缝，造成质量事故。现行资料和规范在计算沉井下沉阶段内力时，按照框架结构型式 东南大学硕士学位论文 进行内力分析，未能完全考虑沉井的空间效应和周围土体和沉井的共同作用机理，对沉井 下沉过程中的受力特性认识还不够深刻，因此有必要开展进一步的研究。 1 2 2 侧壁土压力研究现状 1 2 2 1 土压力理论介绍 大型沉井下沉施工过程中，侧摩阻力的大小是决定沉井能否顺利下沉的关键因素，侧 摩阻力是根据沉井井壁的土压力乘以土体与井壁的摩擦系数得到，而在沉井下沉施工实践 中表明，现行规范和理论公式的计算结果尚不能满足实际工程的需要。土力学中，计算土 体作用于结构上的作用力一般采用经典c o u l o m b 和r a n k i n e 土压力理论，计算简单，力学 概念明确， ( 1 ) 库伦( c o u l o m b ) 土压力理论【1 5 】【1 6 】 库伦理论确定挡土墙的土压力，不考虑土单元体的平衡，而是考虑整个滑动土体上力 的平衡。库仑土压力理论认为挡土墙的土体达到主动极限或被动极限时会产生一个楔形滑 动体，通过考虑滑动体的静力平衡来计算作用于挡土墙上的土压力。当挡土结构发生主动 或被动破坏时，墙后土体会出现一个主动或被动破坏面，并假设该破坏面为平面，以简化 计算。由破坏面、土体与结构交界面、土体上表面所组成的楔形体处于静力平衡状态，挡 土结构施加给楔形体并维持其平衡的作用力即等于挡土结构受到的土压力。同时库伦理论 还能够考虑墙背面与填土之间存在的摩擦力以及墙背倾斜的影响。该理论所导出的土压力 简化公式为： 主动土压力分布强度：巳= y z 吃 1 主动土压力：e 。= y 日2 k 二 被动土压力分布强度：e p = y z 后。 1 被动土压力：e o = 寺y 日2 砟 二 式中：y 土体自重； z 测点深度； 胃支护结构挡土深度； 足。、k ，分别为主动、被动土压力系数，可以根据挡墙形状、土体强度、土 与结构的接触面形状计算而得或根据经验取值。 该理论是根据无粘性士导出的，没有考虑粘性土的粘聚力。当挡土结构后为粘性十时， 可以采用换算的等值内摩擦角来进行计算。由于库仑理论假设破坏面为一平面，对于实际 的曲面滑动面有一定的差异，特别是被动破坏时，破坏面远非平面，采用平面滑动面将会 产生较大的误差。 一4 一 第一章绪论 ( 2 ) 朗肯( r a n k i n e ) 土压力理论【1 7 】【1 8 】 朗肯土压力理论假设挡土墙背面竖直光滑，在表面水平的半无限无粘性土体中，若整 个土体发生侧向拉伸达到主动极限平衡状态，侧向压力小于竖向压力，分别为q 、玛，而 q = y z ，假定土体破坏时满足莫尔库仑准则，可得主动土压力分布强度： = q = y z t a n 2 ( 4 5 。一等) = 7 z 吒 二 若整个土体发生侧向挤压达到被动极限平衡状态，侧向压力大于土体的自重应力，分 别为吼、q ，玛= 厂z 。利用莫尔库仑准则，可得被动土压力分布强度： 0 = 吒= y z t a n 2 ( 4 5 。+ 詈) = y z 七p 二 将朗肯土压力理论推广到粘性土层，需考虑由粘性土的粘聚力c 引起的拉力或压力( 与 深度无关，沿墙高呈矩形分布) 。贝尔( b e l l ) 和瑞赛( r e s a l l ) 提出了朗肯理论在粘性土中的 应用，主动、被动土压力分布强度表示为： 只= y z k a 一2 c 心 p p = y z k p + 2 c 0 kp 上述式中，厂为土体重度；z 为测点埋深；k 、k p 分别为主动、被动土压力系数，可 以根据挡墙形状、土体强度、土与结构的接触面性状计算而得或根据经验取值。 如上所述，朗肯土压力理论是从挡土墙后的土体单元进行局部分析而导出土体达到塑性破 坏时产生的土压力。该理论没有考虑土体与结构之间的接触条件，计算得到的主动土压力 偏大，被动士压力偏d , t 1 9 】。 ( 3 ) 静止十压力理论【2 0 】 计算静止土压力的关键在于静止侧压力系数k 的确定，影响侧压力系数的因素很多， 如士的物理性质、应力历史、应力路径、支护结构的特性等确定。k 的几种常用方法 如下： 对于正常固结的粘土和砂土可用杰克( j a c k ) 公式计算： k o = l s i n 口 考虑土体的应力历史，对超固结十可由下式计算： 如= ( 1 - s i n q , ) ( o c r ) 0 5 1 2 2 2 经典土压力理论在沉井基础应用中的局限性 库伦土压力理论、朗肯土压力理论和静止土压力理论均属于传统的土压力理论，以计 算简单的特点在工程实践中被广泛的应用，它们都是针对挡土墙的受力分析提出的同填土 理论，将这些土压力理论应用于沉井基础中有许多局限性【2 l 】： ( 1 ) 不能反映土压力的位移效应。实测资料表明作用在沉井结构上的土压力不是固定不 一5 _ 一 东南大学硕十学位论文 变的，它随着沉井的下沉和转动，作用在沉井结构上的土压力会随着其发展而不断的调整， 以满足土体本身的应力应变规律。 ( 2 ) 不能反映沉井的施工效应。土体的应力、应变与应力历史和应力路径密切相关。沉 井的施工一般要经过沉井下沉、沉井封底等过程，每一个过程都会 - 3 i 起沉井周边地基土应 力、应变的重分布。如沉井下沉由于土体开挖造成井底土体卸荷同弹，由于沉井的转动和 变位，时而对井侧土体挤压，时而远离土体，因而井侧土压力不断发生变化。 ( 3 ) 不能反映土压力的时间效应。对含水量较大的软粘土，随着时间的推移，由于受荷 载作用孔隙水的慢慢排出，空隙水压力消散，土体产生固结，从而土体性质发生改变，土 体应力、应变相应改变，而由土体固结引起沉井的下沉和转动，可使井侧土压力不断发生 变化。 ( 4 ) 不能反映土压力的空间效应。库伦理论、朗肯理论等都是在平面应变假设的前提下 提出的，对沉井等长、宽、高都较大的基础，土压力沿其周边的分布是极不均匀的，其空 间效应是不容忽视的。 1 2 2 3 地下水对土压力计算的影响 沉井、深基坑等深基础工程，因其施工特性，一般均分布在沿江沿海等软土地区，这 些地区地下水往往比较丰富。因此，受力分析时通常要考虑地下水对土压力的影响。传统 的土压力理论都没有涉及到地下水压力如何计算的问题，而在工程应用中，这些水压力问 题常影响到受力分析的准确性【i9 j 。 ( 1 ) 对于砂性土，工程中常采用水、土压力分算原则计算 广 p ：= y j h k ：一2 c 心k ：+ y w h 厂 e = h k p + 2 c 4 k p + 九h 式中：，土体浮重度； ，水重度； k 。、k 。分别为用有效应力强度指标确定的土压力系数； c 土的有效粘聚力。 ( 2 ) 对粘性土，目前还没有统一的计算原则。一些人建议采用总应力法，即水、土压力 合算；另一些人建议采用有效应力法，即水、土压力分算，虽然水、土压力分算概念比较 清晰，但在选取土体的有效参数时则比较困难，且无法考虑土体不排水剪切时超孔隙水压 力的影响。采用水、土压力合算时，土体的计算参数可以由直剪试验、不固结不排水三轴 试验或固结不排水三轴试验求得，试验方法简单易行。在利用总应力法将水、土混合计算 时，实际上往往偏高或偏低的估计水压力在被动和主动情况下的影响，偏于不安全。 图l - l 长江四桥总体图 该大桥北锚碇沉井基础的平面尺寸世界第一，下沉规模居世界前列，所处地质条件复 杂，特别是覆盖层较厚，其下沉过程中将面临诸多难题： ( 1 ) 沉井是复杂的空间结构，下沉过程状态是不断变化的，很难用简化的力学模型对 沉井结构计算得到不同工况下的沉井结构内力精确值； ( 2 ) 沉井自重和隔墙跨度都很大，当初始开挖成仅四周刃脚支承的不利工况时，沉井 隔墙底部的应力会加大，沉井可能会面临开裂的风险； ( 3 ) 本沉井侧壁成齿坎形状，是新型的沉井结构类型，第一次在工程中应用，沉井下 沉过程中的侧壁摩阻力形式尚未清楚，对沉井结构内力的影响尚还未知。 为确保施工的顺利进行，必须依据规范并结合以往的施工经验对沉井施工过程进行研 究并实施监控，通过研究为超大型沉井下沉技术积累经验，对国内大型桥梁基础工程施工 具有很好的指导和借鉴意义，从国内跨江、跨海大桥建设发展来看，沉井基础必将得到广 泛的应用，加强对大型沉井施工力学的行为研究，也是我国桥梁深水基础发展的迫切需要。 东南大学硕士学位论文 1 3 2 研究目的 本文的研究目的如下： ( 1 ) 根据南京长江第四大桥北锚碇沉井的施工特点，总结大型沉井施工技术的应用现 状，为研究大型沉井结构在下沉过程中的受力分析提供可行性依据； ( 2 ) 沉井结构在下沉过程中的受力特点； ( 3 ) 井壁土压力、侧摩阻力的大小及分布规律。 1 3 3 研究内容 ( 1 ) 依据沉井下沉期间的监控数据，对大型沉井结构的应力应变进行分析，研究下沉 过程中的内力特性； ( 2 ) 根据现场侧壁土压力实测数据，分析沉井下沉到不同深度时的侧壁摩阻力的分布， 并与传统沉井的侧壁摩阻力形式进行对比分析。 _ 8 一 第_ 章大型沉井下沉过程的预分析 第二章大型沉井下沉过程的预分析 2 1 沉井施工主要工艺流程 沉井基础主要是依靠自重克服与土体之间的摩擦阻力，不断下沉而就位的一种深基础 或地下工程。大型桥梁沉井基础平面几何尺寸大，结构比较复杂，入土深度深，需要多次 接高和分次下沉，且要穿越多种覆盖土层。在沉井下沉过程中由于自身重量大难以控制， 易出现不均匀下沉、倾斜、偏移等现象，一旦发生纠偏起来相当困难，由于下沉方式不当 而引起的井壁裂缝的出现也是一个很重要的技术难题，制约着沉井技术的广泛应用。沉井 施工方法存在的问题是施工工序较多、施工工艺较为复杂、下沉控制难度大、技术要求高、 质量控制要求严格、施工技术过程错综复杂。 沉井施工前需进行平整场地至设计标高，设置防水排水设施，通过地表换层对地基临 时加固，加固深度和加固后的地基承载力均应满足设计要求。排水下沉施工的沉井应设计 沉井布设位置图，计算基坑涌水量、降水对周围土体的影响范围和沉降量。沉井施工主要 工艺流程如图2 1 所示。 地基加固、表层换土ij 钢壳节段工厂制作i u 沉井放样钢壳节段现场u i 拼装，绑扎首节钢筋i 在沉井钢壳内注满水，对 地基进行预压小少于7 天 抽水并浇筑首节混凝士 + 绑扎第i 节钢筋，预埋第i + 1 节钢筋，浇筑第i + l 节混凝土 沉井排水干开挖f 沉就位 立模，绑扎第j 节钢筋 向仓内灌水至地面，后续预埋第j + l 节钢筋 沉井采用不排水卜沉 ， 浇筑第j 节沉井并养生 沉井下沉到设计标高 l + 吸泥下沉，保持仓内水位 清底、冲洗井壁 高于地下水位 浇筑封底混凝土 填充隔仓 抽水、按照设计要求施工 顶板，完成沉井基础施上 图2 i 沉井施工主要工艺流程图 争 东南大学硕士学位论文 2 1 1 沉井的制作 由于在首节沉井钢壳拼装及接高沉井混凝土浇筑过程中，地基不允许产生过大的压缩 沉降，以免发生突沉或严重的不均匀沉降而造成沉井倾斜甚至发生破坏。一般天然场地地 基承载力不能满足要求，必须对地基进行加固。地基加固一般采用砂桩复合地基加固法施 工，加固后的地基承载力通过平板载荷试验确定是否满足设计要求。然后进行基坑开挖换 填，为了满足钢壳沉井节段的安装和调平要求，钢壳沉井刃脚和隔墙下面设置一定数量的 素混凝土垫块，现场施工垫块布置如图2 2 所示。钢壳沉井节段拼装时，遵循一定的拼装 顺序进行，为方便吊机行走，吊机退出后才能进行下一节段沟槽的施工。拼装好的首节钢 壳沉井刃脚外围堆积砂袋用以抵御刃脚产生向外的弯矩应力，刃脚内围和隔墙周围用砂土 夯实限制水平位移，现场施工如图2 3 所示。 图2 2 沉井现场垫块布置图 图2 3 沉并现场刃脚施工图 2 1 2 沉井的下沉和接高 沉井下沉方式分为排水下沉和不排水下沉两种，其特点如下所述。 第二章大型沉井下沉过程的预分析 2 1 2 1 沉井降排水下沉 沉井下沉初始，开挖和抽垫是沉井下沉工作的第一步。抽除垫块时刃脚与隔墙以及地 基土应力均发生相应的变化，会直接影响到沉井结构的受力情况，因此抽垫时应对称均匀， 分段进行，使沉井不均匀下沉量达到最小，同时不能产生不均匀下沉或下沉量过大，防止 沉井产生较大的倾斜给以后纠偏带来一定的困难。刚开始下沉时，沉井中心位置较高，四 周土体对其产生的约束力较小，较容易产生倾斜，此时取土速度要慢，使沉井缓慢下沉。 开挖及抽取垫块采取对称均匀地由内向外分阶段进行，其施工顺序如图2 - 4 所示。 为了便于施工控制把沉井隔仓分为a 和b 两种表示，如图2 5 所示。沉井下沉初期， 采用小锅底吸泥下沉，不可过分取土，保持沉井底部良好的支承，避免仅刃脚( 井壁) 支 承。先用高压水枪冲刷沉井a 区中央各格的锅底，形成小锅底，降排水下沉后期可对称均 匀冲洗其它四周边b 区的井隔，保持仅刃脚( 井壁) 支承，逐步让沉井刃脚下沉，同时在 下沉过程中对沿井壁外围四周贴井壁堆放的中粗砂进行及时补充。 r ， ，1 l 。 一 r1 ll一 7 t l 、 j r1 l x； 、?氛 图2 - 4 沉井垫块抽取流程图 m i l l i 图2 - 5 沉井分仓编号图 a 区为下沉的中心区域，在整个下沉过程中可一直悬空，但锅底不宜太深，a 区隔墙 悬空控制在l m 以内，b 区隔墙悬空内壁控制在5 0 c m 以内，四周外墙不允许悬空，需要冲 刃脚时要做到对称、均匀，且开挖深度不宜太大。冲刷井孔内土体时要严格控制冲刷部位， 防止取土不均匀使沉井下沉产生大的偏位。由于隔墙跨度较大，在隔墙和隔墙交点处的土 体适当保留，以减少隔墙内的正弯矩【2 2 】。 每个井孔冲洗施工中，首先在吸泥机的吸泥龙头下方( 般造在锅底中央) 冲出一个 直径约为2 0 m 2 5 m 集水坑，在向集水坑四周外冲出几条水沟，然后可向四周开挖锅底a ， 被冲刷的土体将随着水流流到集水坑，被吸泥机吸出井外。为防止突沉和翻砂现象，引起 沉井较大的偏差，以及减小井外土体扰动坍塌等情况，可在四周刃脚旁保留o 8 m 1 5 m 的 东南大学硕士学位论文 土堤不被冲垮，待锅底开挖完毕后，再逐步均匀地冲挖土堤，第一步先冲挖四角的土堤b ， 第二步再冲挖四周的土堤c ，最后冲挖定位点处的土堤。其沉井排水下沉吸泥操作图和单 个井内吸泥示意图如图2 - 6 及图2 7 所示。 定位点 定位点 图2 - 6 沉井排水下沉吸泥操作图图2 - 7 单个井内吸泥示意图 沉井下沉离到位尚有l m 左右时，a 区格的隔墙悬空应逐步减小，控制在5 0 c m 左右， b 区格的隔墙控制在2 0c m 以内，且锅底逐渐减小，以能出泥为标准，并降慢下沉速度， 随着沉井下沉，b 区格应形成隔墙不悬空状态下的挤土下沉，若沉井不能下沉或下沉太慢， 为使沉井下沉可扫平a 区隔墙底，使其悬空，形成中心向四周近似梯度的受力工况，以便 下一节接高时，防止基底反力面积较大，使沉井项面产生负弯矩。 2 1 2 2 沉井不排水下沉 沉井基础采用不排水下沉施工时，借助空气吸泥机取土下沉。下沉时保持井内水位高 于地下水位l 2 m ，启动高压水泵至水下冲土，开启空气吸泥器，移动吸泥管，达到正常 冲吸土，先冲吸中间仓，然后根据实际施工过程的具体情况调整高差先后向着四周移动， 从而形成大锅底，循环作业，保证沉井在纠偏中下沉，吸泥下沉顺序和降排水吸泥下沉顺 序一样，也从a 区开始对称同步的扩散。下沉按照“定位准确、先中后边、对称取土、深 度适当 的原则进行【2 3 】。沉井不排水下沉施工工艺流程如图2 8 所示。 第二章大型沉井下沉过程的预分析 图2 - 8 沉井不排水f = 沉施工工艺流程图 沉井不排水下沉过程中的特点如下： ( 1 ) 沉井下沉的快慢主要取决于吸泥的快慢，砂层容易吸除，下沉较快；相反粘土层则 较难吸除，下沉较慢。 ( 2 ) 沉井入土的深浅是影响沉井是否容易倾斜的主要因素。早期入土浅，沉井的稳定性 差，易倾斜，但倾斜后容易纠正，后期入土深情形则相反。 ( 3 ) 沉井下沉速度均匀与否与沉降系数的大小及土层的物理力学性能有关。沉降系数