（岩土工程专业论文）根式基础的数值模拟和简化计算.pdf

f f 燃必 合肥工业大学， ， 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 ， 。 士学位论文质量要求。一 。 答辩委员会签名：( ，工作单位、职称) 主毒：嫩念饥多吐天遴触 肪蝌，硇莨揪半阂司- 西南r ， f 一俐 砺红，一健紫瓦。蠹煞鲫兹莎匆 乏侈他虚：i 够良痼秽督渺、，用川 。 导师： 可以将每撇的全部或部铆仑文内容编入有趟嘴库主生彳亍检冤耄，可以采用影印、缩印或扫揲李复 胄i 怦段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论妇獬密后适用本括彩侈弗) 丫7 知 导师签名： 穆 签字日期：沙年朝阳签字日期：沙年细炉 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 螈f 呷耍7 毛 邮编： 一一一 摘要 在已有根式基础概念的基础之上，结合深基础的历史与现状，进一步深入 理解根式基础的概念。以根式沉井基础现场承载力试验为参考，利用f l a c 3 d 建立根式沉井基础的数值模型，并进行竖向承载力和水平承载力的数值模拟， 将结果与现场试验结果相比较，验证模型的合理性和适用性；结合数值模拟相 关资料，对根式沉井基础的承载特性进行分析和总结。利用数值模拟相关结果 对根式沉井基础的承载力进行简化计算，提出根式沉井基础承载力的计算方 法。建立不同沉井间距的根式沉井群井基础模型，进行竖向加载，对根式沉井 群井基础的竖向承载特性进行研究。 利用f l a c 3 d 接触面单元模拟沉井外壁与土体的接触、桩单元模拟根键所 建立的根式沉井基础数值模型是合理的、可行的，通过数值模拟得到的根式沉 井的承载力和现场试验结果基本接近。根式沉井基础中的井壁摩阻力、井底端 承力、根键反力等组成了一个复杂的力学体系。竖向承载力计算的分部计算法 和扩大化沉井计算法计算得到的根式沉井竖向承载力都和试验结果接近，能够 为根式基础竖向承载力的简化计算提供参考。对水平承载力的简化计算结果同 样是和试验结果接近。在根式群井基础竖向承载数值模拟中，沉井间距的大小 对沉井外壁摩阻力、沉井井底端承力以及根键反力的发挥都有着很大的影响。 关键词：根式基础、根式沉井、数值模拟、承载特性、简化计算、根式沉井群 井基础 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n ds i m p l i f i e dc a l c u l a t i o n o fr o o tf o u n d a t i o n a b s t r a c t b a s e do nt h ee o n v e n l i o n a li d e ao ff o t m d a t i o n s ，c o n s i d e r i n gt h eh i s t o r yo fd e e p f o u n d a t i o na n di t se x i s 衄c o n d i t i o n s , p r e s e n t san e wu n d e r s t a n d i n go fr o o tf o u n d a t i o n b y t a k i n gt h ep r a c t i c a lb e a r i l l gt e x to fm o tc a i s s o nf o u n d a t i o n 硒ar e f e r e n c e ，u s e df l a c 3 dt 0 e s t a b l i s ht h en m n e r i c a lm o d e lo f r o o tc a i s s o nf o u n d a t i o r l 硼 1 ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a lb e a r i n g c a p a c i t i e sa r en u m e r i c a ls i m u l a t e da r i dt h es i m u l a t e dr e s u l t sw e r ep r a c t i c a lo n e st ov e r i f i e d t h er a t i o n a l i t ya n da p n c a b i l i t yo ft h en u m e r i c a lm o d e l w i t ht h em a t e r i a l so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o n , t h eb 啦c h a r a c t e r i s t i c so f r o o t e 溜t i s s o nf o u n d a t i o na r cs t u d i e da n ds u i i l ：毗1 a 谳 b yu s i n gt h el l a t c dr e s u l t so ft h i sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o d t o c a l c u l a t et h eb e a r h a gc a p a c i t yo fr o o tc a i s s o nf o t m d a t i o n 硼1 en u r n c r i c a lm o d e lo ft h er o o t c a i s s o nf o u n d a t i o ng r o u p sw i t hd i f f e r e n ts p a c i i l ga l e 骼词蚯s l l e da n dv e r t i c a ll o a d i n g sa r e d o n et og e tt h ev e r t i c a lb e a r i n gp r o p e r a e so f t h e r m 啊1 ec o n t a c tb e t w e e nt h ec a i s s o n se x t e r n a ls i d ea n dt h es o i li ss i m u l a t e db yt h ec o n t a c t e l e m e n t si nf l a c 3 d ，a n dt h en u m e r i c a lm o d e lo f r o o ts t u bi ss i m u l a t e db yt h ep i l ee l e m e n t i ti sr e a s o n a b l ea n dp r a c t i c a lt od ot h i s 硼舱r e s u l t so fs i m u l a t i o na l ec l o s et ot h ep r a c t i c a l t e x t s t h e r ei sa c o m p l e xs y s t e m i nt h em o d e lw h i c hc o n t a i n st h e 伍c t i o m lr e s i s t a n c eo f t h e w a l l , t h eb o t t o mb c 厕n gc a 腑a n dt h er o o ts t u b 豫a c 6 0 nu s i n gt h es t e pc a l c u l a t i o n m e t h o da n dt h ev g l r l a l 既i l a 啦c a i s s o nm e t h o dt os i m p l i f yc a l c u l a t et h ev e r t i c a lb e a r i n g c a p a c i t yo f r o o tc a i s s o nf o u n d a t i o na n dt h er e s u l t s 卸b o t hc l o s et op r a c t i c a lr e s u l t i tc a nb ea b a s i sf o rt h e 豳哪坶c a l c u l a t i o no ft h ev e r t i c a lb e ；a r i i 】gc a p a c i t yo fr o o tc a i s s o nf o u n d a t i o n 1 1 l es i m p 珏丘e dh o r i z o n t a lb 跚i n gc a t a c i t yi sa l s oc l o s et ot h et e s tr e s u l t i nt h en u m 耐c a l 。 s i m u l a t i o no ft h ev e r t i c a lb e a r i i l gc a p a c i t yo fr o o tc a i s s o nf o u n d a t i o ng r o u p ，t h ef r i c t i o n a l r e s i s t a n c eo ft h ew a l l , t h eb o t t o mb c 础c a p a c i t ya n dt h er o o ts t u br e a s o na l eg r e a t l y a f f e c t e db yt h es p a d n gb e t w e e nc a i s s o n s k e yw o r d s ：r o o tf o u n d a t i o n ；r o o tc a i s s o nf o u n d a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；b e a r i n g c a p a c i t yp r o p e r t y ；s i m p l i f i e dc a l c u l a t i o n ；r o o tc a i s s o nf o u n d a t i o ng r o u p 致谢 三年的时光即将结束，回想这三年来所经历的点点滴滴，思绪万千。在这 期间，离不开导师的谆谆教导，离不开实习期间同事们的认真指导，离不开同 学和朋友的帮助，离不开家人的全力支持。在此，对他们表示衷心的感谢。 本文的撰写是在导师朱大勇教授和殷永高教授级高工的启蒙、指导和严格 要求下完成的。从最初的论文选题、资料的搜集，到论文的修改和定稿，都俩 不开两位老师的谆谆教诲。朱大勇老师有着渊博的知识和严谨的治学态度，殷 永高老师有着孜孜不倦的敬业精神和谦和平易近人的作风，都给我留下了深刻 的印象。从他们那里，不仅学到了理论知识和工程实践经验，还学到了很多为 人处世的道理，这些宝贵财富会是我终身受益，并激励我勇往直前。在此特向 朱大勇老师和殷永高老师深表谢意! 在这三年的研究生求学生涯中，许多老师和同学都给了我很大的帮助。真 诚感谢土木与水利工程学院的全体老师，特别是汪鹏程、黄铭、姚华彦、卢坤 林以及朱朝辉等诸位老师，他们的教诲为本文的研究提供了理论基础，并创造 了许多必要条件和学习机会。感谢沈银斌、汤正东、闰艳、王晨婕、蔡永祥、 师林、孙永前、伦冠海、王涛等，在我论文撰写期间，给予我的大力支持；感 谢苏文杰、张寅、张海骄、鲍大春等在日常生活中对我的帮助。 感谢我的父母和我的兄长，对我多年求学的支持和对我生活的关心，是他 们的鼓励和支持，给了我不断学习和进步的巨大动力。 感谢参加论文评阅的老师和答辩委员会的所有老师，以及出席答辩的同 学。 谢谢国家自然科学基金资助项目( 4 0 7 7 2 1 7 2 ；5 1 0 7 8 1 2 3 ) ，教育部博士点基金资 助项目( 2 0 0 9 0 1 1 1 1 1 0 0 1 4 ) 的支持。 知日 ，i ，j，- 、i 丫j 月 ：4 者年 作n加 目录 第1 章 绪论1 1 1 深基础概论1 1 1 1 深基础的定义与分类1 1 1 2 深基础的历史与发展_ 2 1 2根式基础概述3 1 2 1 根式基础的概念3 1 2 2 根式基础的承载机理4 1 2 3根式基础的发展与应用5 1 3 问题的提出及本文的内容5 1 3 1 问题的提出。5 1 3 2 本文的内容6 第2 章f l a c 3 d 及相关概念 2 1 摩尔库伦模型7 2 1 1 增量弹性法则7 2 1 2 屈服函数和势函数7 2 1 3 塑性修正8 2 2 接触面单元9 2 2 1 接触面概述9 2 3 桩单元1 2 2 3 1 切向耦合弹簧的作用。1 2 2 3 2 法向耦合弹簧的作用：_ 气0 ：。：、4 1 。，一， 一 第3 章根式沉井基础模型建立。：1 6 3 1 根式沉井基础概况16 3 2f l a c 3 d 模型基本假定1 7 3 3f l a c 3 d 接触面的建立1 8 3 3 1 接触面几何模型的建立1 8 3 3 2 接触面参数的选取参考1 9 3 3 3 接触面参数的选取2 0 3 4 模拟根键的f l a c 3 d 桩单元的建立2 4 3 4 1 根键桩单元几何模型的建立2 4 3 4 2 桩单元参数的选取2 5 3 4 3 根键桩单元与沉井实体单元连接关系的确定2 6 第4 章根式沉井基础承载力的数值模拟。k 2 9 4 1 根式沉井基础竖向承载力的数值模拟。2 9 4 1 1 根式沉井基础竖向承载力自平衡试验2 9 4 1 2 竖向承载力数值模拟根式沉井基础模型的建立。3 0 4 1 3 沉井及根式沉井竖向承载力的数值模拟3 1 4 2 根式沉井基础水平承载力的数值模拟3 4 4 2 1 根式沉井基础水平向荷载试验3 4 4 2 2 水平承载力数值模拟根式沉井基础模型的建立。3 5 4 2 3 根式沉井基础水平承载力数值模拟j 3 6 第5 章根式沉井承载性能数值模拟分析 5 1 根式沉井基础的竖向承载特性研究4 0 5 i 1 普通沉井与根式沉井的竖向极限承载特性4 0 5 1 2 根式基础的竖向承载特性一4 2 5 2 根式沉井基础的水平承载特性研究4 7 5 2 1 普通沉井与根式沉井的水平极限承载特性_ 4 7 5 2 2 根式基础的水平承载特性j 一4 8 第6 章根式沉井基础承载力的简化计算 6 1 根式沉井周边土体相关参数的选取5 2 6 1 1 极限摩阻力和容许承载力5 2 6 1 2 极限承载力5 2 6 2 根式沉井基础竖向承载力的简化计算5 3 6 2 1 分部计算法：5 3 6 2 2 扩大化沉井计算法5 5 5 3 根式沉井基础水平承载力的简化计算5 6 第7 章竖向荷载下根式沉井群井基础数值模拟6 0 7 1 群桩效应6 0 7 1 1 群桩效应的基本概念6 0 6 1 2 群桩基础的破坏模式6 0 7 1 3 群桩的承载特性6 2 7 2 根式沉井群井基础6 3 7 3 根式沉井群井基础竖向承载力数值模拟6 6 7 3 1 数值模型的建立6 6 7 3 2 根式沉井群井基础竖向承载力的数值模拟1 6 7 7 3 3 根式沉井群井基础竖向承载特性研究6 9 第8 章总结和展望7 5 8 1 结论7 5 8 2 展望。7 6 参考文献。 7 5 插图清单 图1 1 完整意义上的深基础工程。l 图1 2 传统基础和根式基础比较示意图4 图2 1 摩尔一库伦破坏准则。8 图2 - 2 接触面节点相关面积的分布l o 图2 3 接触面单元原理示意图1 1 图2 4 桩单元构件的局部坐标系及1 2 个自由度1 3 图2 5 对于桩单元来说的材料的剪切连接弹簧的强度1 3 图2 - 6 桩单元法向连接弹簧的材料特性1 4 图2 7 法向耦合弹簧的法向压缩强度符号表示1 5 图3 1 数值模拟根式沉井结构图及土层柱状图1 6 图3 2f l a c 3 d 根式沉井基础模型17 图3 3f l a c 3 d 整体0 2 ) 模型18 图3 45 0 0 0 0 k n 荷载下0 8 倍接触面参数2 0 图3 5 普通沉井竖向加载数值模拟q s 曲线2 2 图3 - 6 普通沉井竖向加载数值模拟q s 曲线2 3 图3 7 桩单元节点和单元编号示意图2 6 图3 8a 模型在1 0 0 0 0 0 k n 荷载作用下的竖向沉降速率云图。2 7 图3 - 9b 模型在1 0 0 0 0 0 k n 荷载作用下的竖向沉降速率云图。2 7 图4 1 自平衡法试验装置示意图2 9 图4 2f l a c 3 d 根式沉井基础模型( 无承台) 。3 0 图4 3f l a c 3 d 整体( 1 2 ) 模型( 无承台) 3 0 图4 4 普通沉井的荷载一顶部竖向位移( q s ) 过程曲线3 2 图4 5 普通沉井卸载完成后土体塑性状态指示块图3 3 图4 - 6 根式沉井的荷载顶部竖向位移( q s ) 过程曲线3 4 图4 7 普通沉井基础试验布置示意图3 5 图4 8 根式沉井基础试验布置示意图3 5 图4 - 9f l a c 3 d 根式沉井基础模型( 有承台) 3 6 图4 ，10f l a c 3 d 整体o n ) 模型( 有承台) 3 6 图4 1l 普通沉井的水平荷载一顶部水平位移( h y ) 过程曲线3 8 图4 1 2 普通沉井水平卸载完成后土体塑性状态指示块图3 8 图4 1 3 根式沉井基础水平承载力数值模拟h y 曲线3 9 图5 12 4 0 0 0 k n 水平荷载作用下基础及土体变形示意图5 0 图6 1 简化计算根式沉井结构图及土层柱状图51 图6 2 根键的计算简图5 3 图6 3 竖向沉降速率云图5 5 图6 4 水平荷载下根式沉井基础变位及5 7 图6 5 根键反力计算简图5 7 图7 1 群桩侧阻破坏模式6 l 图7 2 群桩端阻破坏模式6 1 图7 3 根式沉井群井基础的结构剖面图6 4 图7 4 根式沉井群井基础的平面布置图6 4 图7 5 单个根式沉井结构图及土层柱状图6 5 图7 62 2 根式沉井群井基础的f l a c 3 d 数值模型6 6 图7 7 根式沉井群井基础1 4 模型o 6 7 图7 8 所示各根式沉井基础q s 曲线6 9 表格清单 表3 1 数值模拟各土层的物理参数：1 7 表3 2 接触面粘聚力与摩擦角的参数2 0 表3 30 5 0 8 倍接触面普通沉井数值模拟竖向加载分级及基础顶部沉降值 ：! l 表3 - 4 不同接触面普通沉井基础5 0 0 0 0 k n 竖向荷载下沉降速率云图2 1 表4 1 普通沉井基础竖向加载分级及对应的基础顶部沉降值3 1 表4 2 普通沉井基础竖向卸载分级及对应的基础顶部残余沉降值3 2 表4 3 数值模拟加载分级及基础顶部沉降值。3 3 表4 4 普通沉井基础水平加载分级及对应的基础顶部水平位移值3 7 表4 5 普通沉井基础水平卸载分级及对应的基础顶部水平残余位移值3 7 表4 6 数值模拟加载分级及基础顶部水平位移值3 9 表5 1 竖向极限荷载下的接触面剪切应力云图。4 0 表5 2 竖向极限荷载下的接触面法向应力云图4 1 表5 3 竖向极限荷载下的基础及周边土体竖向位移云图4 1 表5 4 各级竖向荷载下接触面单元剪切应力云图一4 2 表5 5 各级竖向荷载下接触面单元法向应力云图4 3 表5 6 第1 层根键在各级荷载下的竖向剪切应力图4 4 表5 7 第7 层根键在各级荷载下的竖向剪切应力图4 5 表5 8 第1 4 层根键在各级荷载下的竖向剪切应力图4 5 表5 9 各级荷载下的基础及周边土体竖向沉降云图4 6 表5 1 0 水平荷载下的基础及周边土体竖向位移云图4 7 表5 1 1 水平荷载下的基础及周边土体水平位穆云图知4 7 表5 1 2 各级水平荷载下根键抵抗弯矩m z 图一积黑妻黑0 4 8 表5 1 3 各级水平萄裁下基础和周边土体的竖向桩移云图4 9 表6 1 简化计算各土层的物理参数51 表6 2 极限摩阻力和容许承载力5 2 表6 3 极限承载力5 3 表6 4 分部计算法计算结果5 4 表6 5 扩大化沉井法计算结果5 6 表6 6 根式沉井基础水平地基反力计算结果5 7 表6 7 根键水平反力计算结果5 8 表6 8 根键竖向反力计算结果5 8 表6 9 根式沉井基础水平承载力简化计算汇总结果5 9 表7 1 根式群井基础各土层的物理参数6 6 表7 2 模 表7 3 各 表7 4 井 表7 5 井 表7 6 根 第1 章绪论 1 1 深基础概论 1 1 1 深基础的定义与分类 任何建( 构) 筑物都是建造在一定的地层之上，建( 构) 筑物的全部荷载 都是下部的地层来承担的。受到建( 构) 筑物荷载影响的那部分地层即为地基， 而将建( 构) 筑物荷载传递给地基的结构即为基础。深基础即埋置深度较基础 形式，一般是由于浅层土质不良或者是满足不了承载力要求，而将基础设置在 较深的良好土层或者是承载力满足要求的土层之上。相比之下，深基础结构比 较复杂且施工难度也较大。但随着社会的发展，人们对土木工程提出越来越高 的要求，今年来各种高层建筑、大跨度桥梁日益增多，规模也越来越大，这使 得基础工程面临了巨大的挑战。为了能够满足上部结构荷载的要求，需要将荷 载传递到深度较大承载能力较强的土层中，深基础被广泛应用到土木工程中。 完整意义上的深基础工程如图1 - 1 所示： 图l - l 完整慈义上的深基础工程 目前常见的深基础有桩基础、墩基础、地下连续墙基础、沉井基础、沉箱 基础这五种类型。桩基础即为由设置在岩土层中的桩结构和连接桩顶的承台共 同组成的基础，桩基础是应用最为广泛的深基础形式。根据材料的不同、截面 的不同以及施工工艺的不同，桩基础有着复杂的分类。墩基础一般是指埋深大 于3 m 、直径大于o 8 m 、长径比小于6 的刚性基础形式，和桩基础有一定的相 似之处。一般地下连续墙可以定义为：利用各种挖槽机具，借助泥浆的护壁作 用，在地下土层中挖出窄而深的沟槽，并在沟槽内浇注相应的材料而形成的具 有防渗、挡土和承载功能的连续的地下墙体。沉井是无底无盖的井筒，一般是 由刃脚、井壁、隔墙等构件组成，在沉井内部挖土使其下沉，等达到设计标高 后，进行封底、填心、修筑顶盖，构成沉井基础。沉箱是有顶无底的箱形结构， 顶盖上装有气闸，用于工作人员、材料、土进出工作室( 箱体) ，同时保持 工作室在固定的气压下，施工过程中，借助输入工作室内的压缩空气，阻止 地下水渗入，便于施工人员在室内挖土使沉箱逐渐下沉，同时在上部加筑混 凝土，当其沉到预定深度后，用混凝土填实箱体形成沉箱基础。 1 1 2 深基础的历史与发展 1 、桩的起源和发展 我国的考古学家于1 9 7 3 年和1 9 7 8 年在浙江东部余姚市河姆渡村发掘了新 石器时代的文化遗址，出土了占地约4 万平方米的木桩和木结构遗址。经测定， 其浅层第二、第三文化层大约距今6 0 0 0 年，深层第四文化层约距今7 0 0 0 年。 这是太平洋西岸迄今发现的时间最早的一处文化遗址也是环太平洋地区迄今 发现的规模最大、最具有典型意义的一处文化遗址和木桩遗存。1 9 8 1 年1 月美 国肯塔基大学的考古学家在太平洋东南沿岸智利的蒙特维尔德附近的杉树林内 发现了一所支承于木桩上的木屋，经过放射性c 1 4 测定，知其距今已有 1 2 0 0 0 - - - 1 4 0 0 0 年历史。这可能是全球迄今所发现的人类最古老的建筑物和木桩 遗存。 自桩的起源以后，人类经历了漫长的木桩时期。直到1 9 世纪末，钢、水泥、 混凝土以及钢筋混凝土的相继问世，它们被成功地用作制桩的材料。1 9 世纪末， 在美国、瑞典等国分别打下了世界历史上最早的钢管桩和最早的钢筋混凝土预 制桩。1 8 7 1 年，在美国芝加哥市大火以后的灾后重建中，人们借鉴古代的掘井 技术创造了人工挖孔桩。1 8 9 9 年，俄国工程师斯特拉乌斯首创了沉管灌注桩新 桩型。人工挖孔桩和沉管灌注桩都是人类有了混凝土后对桩型的重大突破，它 们至今已百余年，仍在世界各地被广泛应用。 、随着科学技术的进步、土木工程经验的累积，桩基础工程产生了日新月异 的变化。从桩基础的发展过程来看，桩基础的发展主要体现在三个方面，即桩 的材料、成桩工艺以及桩型。 ( 1 ) 桩身材料：经历了从木桩、铸铁板桩、型钢桩、钢管桩、预制桩、预 应力钢筋混凝土桩、灌注桩的发展过程。 ( 2 ) 成桩工艺：从打入桩开始( 打入桩的工艺从手锤、自由落锤发展到蒸 汽驱动、柴油驱动和压缩空气驱动的各种动力打桩机、静力压桩机) ，发展了灌 注桩( 包括沉管灌注桩和钻孔灌注桩) 、水泥搅拌桩、螺旋桩等。 ( 3 ) 桩型：桩型或者是个比较模糊的概念，我也没有办法清晰地去描述， 因为它是无数土木工程人智慧和经验的结晶。伴随着竹节桩、扩底桩、变截面 2 桩、支盘桩、树根桩等新桩型的出现，桩基础有了更加广阔的发展空间。 2 、沉井和沉箱的历史和发展 沉并与沉箱也是深基础的重要类型。它起源于古代的掘井技术，具有悠久 历史。1 8 4 1 年法国工程师特力格最早创造了气压沉箱施工法，并于1 8 4 9 年用 于桥墩施工。1 9 5 2 年美国的第一个气压沉箱用于修筑跨越p e d e e 河的桥墩；1 8 7 0 年，气压沉箱在美国又被用于著名的圣路易斯城的e a d s 桥的桥墩，其平面尺寸 为7 2 英尺8 2 英尺( 约2 2 m 2 5 m ) ，下沉深度1 0 9 7 英尺( 约3 3 m ) ，并通过技术 改进，开创了气压沉箱的新技术，至今仍在被采用。直至二战前后，用这种方 法下沉了很多尺寸更大、埋藏更深的沉箱，然而由于气压沉箱造价较高且工人 的劳动条件差，故其使用受到了限制。工程应用中常通过比较后以沉井代替。 2 0 世纪3 0 年代，我国自行设计施工的第一座大桥钱塘江大桥正桥的 1 5 个桥墩全部采用了沉箱施工。解放后，富拉尔基重型机器厂的锻压机基础， 三门峡、黄河公路桥的桥墩、上海闸北电厂蓄水泵房等均采用沉箱基础。 近2 0 余年来沉井除了作为高层建筑、高耸构筑物、重型设备、高炉、高 架道路和桥梁等的基础外，也被较多地应用于盾构和顶管隧道施工作为始发井、 接收井；在采矿工程中作为竖井、排水井、通风井以及作为地下贮气罐、贮油 罐、蓄水池、变电站、停车场、防空洞、地下厂房等发挥了开发利用地下空 间的作用。 最近l o 年来，沉井逐渐向着大深度大尺寸发展，在许多特大工程项目中显 示了它的优越性。我国江苏江阴长江公路大桥( 1 9 9 4 年开工，1 9 9 9 年建成通车) ， 其北锚碇特大型沉井，长6 9 m 、宽5 1 m 、深5 8 m ，为当时世界最大规模的沉并。 它在平面上分为3 6 个隔舱，竖向共分1 1 节。分别由钢壳混凝土和钢筋混凝土 制成。江苏泰州长江公路大桥( 2 0 0 7 年开工，预计2 0 11 年建成通车) 中塔基础采 用矩形沉井基础，沉并平面尺寸为5 8 m x 4 4 m ，高度7 6 m ，是目前国内最大的深 水沉井基础。安徽马鞍山长江公路大桥( 2 0 0 8 年开工，预计2 0 1 3 年建成通车) 的锚碇也是采用沉井基础。 1 2 根式基础概述 1 2 1 根式基础的概念 。 殷永高于2 0 0 6 年提出了一种全新的基础形式根式基础。在沉井或沉管 中预留顶推孔，等到沉井下沉到设计标高后向土层中顶推预制的根键，在保证 根键与沉井的固结以后所形成的仿生基础即为根式沉井基础。在其概念上进行 扩展，根式基础是从传统的深基础演化而来的，利用仿生学原理，模仿了植物 根系，通过固结在基础上并伸入基础周边岩土体中的结构物根键来增加基 础与岩土体的作用面积，从而提高基础的整体承载力。对应常见的深基础，出 来根式沉井基础，我们还可以想到根式桩基础、根式墩基础、根式地下连续墙 3 以及根式沉箱。如图1 2 所示传统基础和根式基础的示意图。 传统基础根式基础 图1 2 传统基础和根式基础比较示意图 与传统的深基础进行对比，在特定地质条件下，根式沉井基础将会是个很 有优势的基础选择方案。 ， ( 1 ) 根式沉井基础基础刚度大，能承受对基础作用的较大弯矩，且有较大的 承载面积。 ( 2 ) 当其作为桥梁深水基础的另一个特点是在下沉工程中，可以自身防水， 避免了桩和管桩基础中的防水围堰。 ( 3 ) 同等条件下，根式沉井基础与普通沉井基础相比其获得了更大的桩土接 触面积，竖向抗压承载力有大大提高，抵抗水平或斜向作用力也有大幅度提高。 另外，抵抗力矩或水平力所产生的基础底拉力的能力也有一定程度的提高。 ( 4 ) 根式基础采用的施工工艺都是现在成熟的静压桩工艺和沉井施工工艺， 无噪音，对周边环境影响小。 1 2 2 根式基础的承载机理 相比传统深基础的承载机理，根式基础的承载机理更加复杂。以根式沉井 基础为例，相比普通沉井基础，根式沉井基础中沉井、根键以及周边土体组成 了更为复杂的相互影响体系，不仅要考虑沉井井侧摩阻力、井底端承力以及两 者之间的分配关系和相互影响，还要考虑根键与周边土体的相互作用以及其与 前两者之间的影响和分配关系。 竖向荷载作用下，根式沉井基础发生沉降并带动根键挤压根键下部土体。 根式沉井基础主要产生三个部分的土体反力：井侧土体提供的摩阻力级。，井底 土体的端承力既，根键下表面的土体反力瓯。这三者与基础项部竖向荷载q u 以及基础自重g 组成了平衡体系，可表示为： q = q 0 + q 品+ q l g 水平荷载作用下，根式沉井基础发生侧向变位和倾斜，带动根键发生水平 变位和竖向变位，此时根式沉井基础主要产生三个部分的土体反力：井侧土体 4 提供的水平地基反力皿，根键上下表面的土体反力昧，根键侧表面的土体反 力玑。这三者与基础顶部水平荷载e 。组成了力矩的平衡体系，可表示为： h ，对应的力臂= 只x 对应的力臂+ 玑x 对应的力臂+ 巩对应的力臂 1 2 3 根式基础的发展与应用 随着科学技术的发展和社会的进步，大跨径的桥梁建设也越来越多。基础 在工程中的重要性越来越大，对基础的要求也越来越高。我国的公路桥梁多处 于江河漫滩地区，特别是长江中下游区域，覆盖层深厚，表层地基土体承载力 低。如何充分利用岩土体的承载力，或有效地带动更多的土体发挥作用是当今 基础设计与施工的关键。一种结构有没有生命力在于它的工程适应性、可靠性、 施工可行性及经济效应。根式沉井基础基于常规的沉井，预制沉井节段后预留 根键顶推孔，采用钢板粘贴预封预留的顶推孔与节段一起下沉，以防止地下水 渗透。在沉并沉入预定标高进行封底，采用常规的静压桩施工工艺在很短的时 间内将预制好的根键顶入周边土体中，之后用特殊胶体灌浆封孔。将根键的主 筋扳弯与后浇内衬钢筋焊接固定，浇注沉井内衬混凝土，最后浇注封顶承台。 现场可以根据勘察地层土体的材料参数选择不同的根键材料和不同的根键尺寸 及布置，以保证根键与周边土体协调变形并不提前发生破坏。预制钢筋混凝土 结构构件( 或钢结构构件) 在预制、检测、顶推过程中以及防水方面都有很好的 保证，是很好的一种根键材料。 安徽省高速公路控股集团有限公司依托于安徽省合肥一阜阳高速公路跨淮 河大桥工程和马鞍山长江公路大桥项目，已经建成了数个根式基础，并对根式 基础进行了一系列的研究：根式沉井基础的竖向承载特性研究；根式沉井基础 的水平向承载特性研究；根式沉井基础群桩效应研究：根式锚碇基础研究等。 目前根式基础已经成功运用在安徽省合肥一阜阳高速公路淮河特大桥撑1 桥群2 3 墩下。 1 3 问题的提出及本文的内容 1 3 1 问题的提出 根式基础自提出以来，已经建成的根式基础还很少，关于的根式基础的试 验、数值模拟以及理论研究也很不充分。关于根式基础承载特性的研究还不够 深入，根式基础的数值模型还不够成熟，根式基础的承载机理还没有完整的理 论总结。 朱福春利用a n s y s 建立根式沉井基础的数值模型，在其中利用接触面单 元模拟沉井以及根键与周边土层的接触，能够考虑交界面的相对滑动、脱离、 接触以及周期性的张开和闭合；卢元刚利用f l a c 3 d 建立根式锚碇的数值模 型，在其中利用桩单元模拟根式沉井基础的根键，为根式锚碇模型的建立、计 5 算和分析提供了很大的便利。是否能将以上两点结合起来，建立根式基础的数 值模型? 根式基础的承载能力是明显优于普通的深基础的，但是根式基础承载能力 的计算目前还没有具体的规范。除利用现场试验或者是数值模拟得到根式基础 的承载力，是不是可以提出更加简化、更容易理解的计算方法来获得根式基础 的承载能力? 根式基础优秀的承载能力，也为现场试验带来一定的困难，因为一般情况 下很难施加极大的竖向荷载。单一的根式基础尚可以采用自平衡法进行加载以 达到较大的荷载，但在以根式基础群为研究对象时，现场试验就很难以完成了。 这时，就需要利用数值模拟的方法去进行研究了。 1 3 2 本文的内容 1 、本文首先介绍了深基础的概念、分类以及发展概况。随着土木工程的发 展，深基础工程面临日趋严峻的挑战。 2 、简要阐述根式基础的概念、特征及其发展状况。根式基础可以很好的适 用于厚覆盖层地区的桥梁工程建设。 3 、简单介绍f l a c 3 d 有限差分程序的相关概念，包括：摩尔库伦模型、 接触面单元和桩单元。 4 、利用f l a c 3 d 建立根式沉井基础的数值模型，并对其竖向承载力和水 平承载力进行数值模拟，得到根式沉井基础的承载力。 5 、结合已有的研究成果和数值模拟的结果，对根式沉井基础的承载能力进 二 行简化计算并与试验结果以及数值模拟的结果进行对比，提出了根式基础的简 化计算方法。 6 、建立根式沉井基础群井基础的模型，并进行竖向承载力的数值模拟，对 根式沉井群井基础的群桩效应进行研究。 7 、对根式基础的试验研究、数值模拟和理论分析可能的发展迸行7 展望。一 6 一一一 第2 章f l a c 3 d 及相关概念 2 1 摩尔一库伦模型 摩尔一库伦模型的破坏包络线对应于摩尔痒伦判据( 剪切屈服函数) 加 上拉伸分离点( 拉应力屈服函数) ，与拉应力流动法则相关联而与剪切流动不相 关联。 2 1 1 增量弹性法则 在f l a c 3 d 中，摩尔库伦模型的实现用到了主应力0 1 ，0 - 2 ，0 - 3 和平面 外应力仃，。主应力和主方向从应力张量分量计算( 压应力为负) 。 0 3 0 2 t r l( 2 1 ) 相应的主应变增量q ，血：，a 巳分解为： q = 衫+ 衅 净l ，3 ( 2 2 ) 这里的上标e 和p 分别指弹性和塑性部分，塑性分量只是在塑性流动阶段 不为零。胡克定律的主应力和主应变的增量表达式为： a o i = 喁鲜+ ( 鹾+ 嵫) 、 a 0 2 = + a 2 ( a e i + ) i ( 2 - 3 ) a i r 3 = q + t z 2 ( a e ；+ 彳) j 式中：= k + ( 4 3 ) g 和吃= k - ( 2 3 ) g 2 1 2 屈服函数和势函数 按照式( 2 - 1 ) 的假定，在应力空间和( o 1 ，0 3 ) 平面的破坏准则可以表 现为如图2 1 的形式。 由摩尔一库伦屈服函数定义的从a 点到b 点的破坏包络线为： f 5 = 0 - 1 一吒川+ 2 c m ( 2 - 4 ) 由b 点到c 点拉应力屈服函数定义为： f = 一0 3 ( 2 5 ) 式中：矽摩擦角； 。 c 粘聚力； 抗拉强度。 以= 器 材料的强度不能超过如下定义的矗的值： 2 面u ；u p 剪切势函数g 。对应于非关联的流动法则，其表达式如下： 9 5 = q a 3 m 势函数对应于拉应力破坏的相关联流动法则，其表达式如下： 7 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) g = - o - 3( 2 9 ) 对于剪切一拉应力处于边界的情况，摩尔一库伦模型的流动法则由如下所 示的方法，通过定义三维应力空间中的边界附近的混合屈服函数。定义函数 h ( o - , ，o 3 ) = 0 用以表示( q ，吧) 平面中厂5 = 0 和厂= 0 所代表曲线的对角线，此函 数的表达式为： h = 0 3 一仃+ 口p ( q 一盯p )( 2 1 0 ) 这里口p 和仃户是两个常量，其定义如下： o - 3 一o - j 2 0 ，7 图2 一l 摩尔一库伦破坏准则 口p = 1 + 川+ m 仃p = n 。一2 c 瓜j 一哐 - ， 。( 2 1 1 ) 2