（岩土工程专业论文）根式沉井水平承载性能研究.pdf

摘要 根式沉井水平承载性能研究 ( 硕士学位论文) 研究生：付守印指导教师：童小东副教授 东南大学土木工程学院 摘要 为了发挥沉井的刚度大、承载力高和变截面桩可提高承载力的优点，安徽省高速公路总公司根 式基础课题组根据仿生学原理提出了一种新式基础根式沉井基础。它是在沉井井壁上预留顶推 孔待沉井下沉到设计标高后通过预留孔在土层中顶推预制的根键，最后通过封壁保证根键和沉井 周接形成的一种特殊基础， 本文通过沉井和根式沉井的水平静载荷试验、水平承载桩理论及三维数值计算，对沉井和根式 沉井的水平承载性能进行分析研究，主要工作如下： 1 通过对沉井和根式沉井的水平静载荷现场试验数据的处理分析，研究沉井和根式沉井的水平 承载性能： 2 使用m a t l a b 编写求解变截面桩的m 法和p - y 曲线法计算程序，分别采用b r o m $ 法、m 法 和p 吵曲线法对沉井进行分析，与现场实测数据对比表明：o b r o m s 法计算得到的水平极限承载力 和弯矩偏大； 忉法计算得到的力作用点位移、转角和井身位移与实测结果吻合良好，但弯矩最大 值的计算值比实测值大5 0 左右；现有p - y 曲线计算方法计算得到的力作用点位移与实测结果相 差较大； 3 依据现有的p - y 曲线计算公式、本文沉井水平静载荷试验数据和收集到的桩基水平静载试验 数据，提出了可适用于黏性土中大直径桩和沉井的p - y 曲线经验公式，并用本文的试验和工程实例 对其进行了验证： 4 采用有限差分软件f l a c ”对沉井和根式沉井的水平承载性能进行数值分析并与现场实测 结果进行了对比； 5 采用f l a o 对根式沉井进行了数值模拟，研究了不同角度根键对根式沉井承载性能的影响。 关键词t 沉井基础根式沉井基础水平荷载现场试验p - y 曲线f l a c ” s t u d yo n t h el a t e r a lb e a r i n gp r o p e r t i e s o f r o o t s t a l kc a i s s o n g r a d u a t es t u d e n t ：f us h o u y i , s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f t o n gx i a o d o n g d e p a r l m e n ! o f c i v i le n g i n e e r i n g , s o u l h e a s ! u n i v e r s i t y a b s t r a c t c o m b i n i n gt h ea d v a m l a g e so f c a i s s o na n dv a r i a b l ec r o s s - s e c t i o np i l e , h i g l l w a yc o r p o r a t i o no fa n h i p r o v i n c ep u tf o r w a r dan e wf o u n d a t i o ns t y l e - - r o o t s t a l kf o u n d a t i o n , w h i c hi sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f b i o n i c s t h ec o n s t r u c t i o np r o c e d u r ea m ：f i r s t l ys i n k i n gac a i s s o nw i t hr e s e r v e dh o l e si nt h es i d e w a l l d t h e np u s h i n gp r e f a b r i c a t er o o t s t a l ki n t ot h es o i lt h r o u g ht h ej a e kh o l ea f t e rt h ec a i s s o ns i n k e dt ot h ed e s i g n i e v e l f i n a l l yc a s t i n gm c 嘶t om a k es u r et h a tt h cr o o t s t a l ka ef i x e dw i t ht h ec a i s s o n i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ef i e l dt e s to f c a i s s o nf o u n d a t i o na n dr o o t s t a l kf o u n d a t i o nu n d e rl a m a l s t a t i cl o a d t h et h e o r yo fl a t e r a l l yl o a d e dp i l ea n dt h r e e - d i m e n s i o n a l1 1 1 1 1 1 1 e r i c a lc a l c u l a t i o n t h eb e h a v i o ro f c a i s s o na n dr o o t s t a l kf o u n d a t i o nu n d e rl a t c r a ll o a da ”s t u d i e d t h ep r i m a r yc o n t e n t sa g i v e , a s f o l l o w i n g ： 1 b ya n a l y z i n gt e s t i n gd a t ao fc a i s s o nf o u n d a t i o na n dr o o t s t a l kf o u n d a t i o nu n d e rl a t e r a lb l 址i cl o a d f i l eb e h a v i o ro f c a i s s o na n dr o o t s t a l kf o u n d a t i o n1 1 1 3 d e rl a t e r a ll o a di ss t u d i e d 2 t h ep r o g r a m si n c l u d i n gmm e t h o da n dp - ym e t h o da mw o r k e do u tw i t hm a t l a bl a | 1 9 u 鸩e c a i s s o nu n d e rl a t e r a ll o a di sa r m l y z e x lb yb r o m sm e t h o d , mm e t h o da n dp - ym e t h o d c o m p a r e 1w i t ht h e r e s u l t so ft e s t i n g , t h ef o l l o w i n gr e s u l t sc mb ec o n c l u d e d ：eu l t i m a t eh o r i z o n t a l b e a r i n gf o r c ea n d i n o m c n tc a l c u l a t e db yb r o m sm e t h o da l - l ：l a r g e rt h a nt h et e s t i n gd a t a ；吐ed i s p l a c e m e n ta n dr o t a t i o no f t l l ea c t i o np o i mo fl a t e r a ll o a da n dt h ed i s p l a c e m e n to fc a i s s o nc a l c u l a t e db y m e t h o dmi ng o o d a g r e e m e n tw i t ht e s t i n gd a t a b u tt h em a x i m a li l l o m n l ti s5 0 l a r g e rt h a nt l l et e s t i n gd a t a ；t h e d i s p l a e e m e n to ft h ea c t i o np o no fl a t e r a ll o a dc a l c u l a t e db yp r e s e n tp - ym e t h o di sd i f f e r e n tf r o mt e s t i i l g d a t a 3 a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gp - yc u r v em e t h o d , f s t i n gd a t ao fc a i s s o nu n d e rl a t e r a l s t a t i cl o a da n d c o l l e c t e dt e s t i n gd a t ao f c a i s s o nu n d e rl a t e r a ls t a t i cl o a d ，e m p i r i c a lf o r m u l ao f p - yc u i v cf o rl a r g ed i a m e t e r p i l ea n dc a i s s o ni nc o h e s i v es o i lw c a r r i e do u t t h e nt h ef o r m u l av , t a i sv a l i d a t e db yt e s t i n gd a t ai nt h i s p a p e ra n dat e s t i n gp i l e 4 u s i gf l a c 。p r o g r a mt om r i a l y z et h eb e h a v i o ro f c a i s s o na n dr o o t s l a l kf o u n d a t i o nt r a d e rl a t e r a l l o a d a n dc o m p a r i n gw i t ht e s t i n gd a t a 5 u s i n gf l a c 。p r o g r a mt oa n a l y z et h eb e h a v i o ro f r o o t a , a l kf o t m d a t i o nu n d e rl a t e r a ll o a d 1 1 1 ce f f e c t o f d i f f e r e n ta n g l eo f r o o t s t a l ki ss t u d i e d k e y w o r d s , c a i s s o n f o u n d a t i o n ；r o o t s t a l k f o u n d a t i o n ；l a t e r a l l o a d ；f i e l d t e s t ；p - y c u r v e ；f l a c m 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面使用过的材料。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：i 擅卑一日 期：型竺生三二，- 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：趟婢- 导师签名：- 二i 生l 日 期：竺望：! ：! 东南大学硕士学位论文 1 i 本文研究的目的和意义 第一章绪论 近年来，随着国民经济的增长，国家对基础设施投资力度不断加大，一些大型桥梁相继建成 为不影响江河的通航能力，桥梁均采用大跨径的方案这对桥墩基础的承载力提出较高的要求 在桥梁工程中，使用最多的是桩基础，其施工工艺相对成熟，施上剧期相对较短。通常采用群 桩基础来抵抗较大水平力、竖向力和弯矩，而群桩基础需浇注阻水面积很大的承台，需庞大的钢围 堰和工作平台施工不仅导致较大的集中冲刷，而且势必加大桥梁的净跨。 为了提高桩的承载力，工程技术人员研究出了“竹节桩”、“糖葫芦桩”、。扩径桩”、“挤扩支盘 桩”等变截面桩，这些变截面桩扩大了桩的比表面积( 桩的表面积与桩身体积之比) ，将荷载逐一分 配到桩身变截面处的土层上去，传至桩端的荷载较小，使桩端沉降量减少，可大幅提高桩的承载力 沉井是修筑地下工程和深基础的一种构筑物，它是在地面上用铡筋混凝土制成井筒形状作为基 坑坑壁的支撑，在井壁的保护下，用机械和人工在井内挖土使其在自重作用下沉入土中的一种地 下构筑物。沉井具有刚度大、承载力高，抗震性能好，内部空间可利用和适用土质广等特点吐沉 井承载力高，可采用一墩一基础的形式 为了发挥沉井的刚度大、承载力高和变截面桩可提高承载力的优点，安徽省高速公路总公司根 式基础课题组根据仿生学原理提出了一种新式基础根式沉井基础。它是在沉井井壁上预留项推 孔，待沉井下沉到设计标高后通过预留孔在土层中项推预制的根键，再保证根键和沉井的固接后形 成的一种特殊基础。由于根键在顶入过程中对土体产生挤密预压作用，可使根键底面土体的压缩和 沉降预先完成，根键底部与土相互作用产生端阻力，其侧面还可和士相互作用产生侧摩阻力对根 式沉井基础的竖向承载力试验和研究 2 1 表明：与常规沉井相比，根式沉井基础的竖向承载力可大幅 度提高。 本文研究的目的是通过试验和数值计算全面分析和研究沉井基础和根式沉井基础的水平承载性 能，研究根键对承载力的作用效果，为今后根式沉井的设计应用提供依据。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 沉井水平承载性状研究现状 在水平荷载作用下，沉井的承载性状与桩相似，即沉井发生水平变位，促使沉井周围士体发生 相应的变形而产生抗力，这一抗力阻止了沉井变形的进一步发展因此目前对于沉井水平承载性 状的研究均是借鉴水平承载桩的理论。 1 2 2 水平荷载作用下直桩研究现状 早先的设计工作者并不重 ! l l 桩的水平承载性能，假定直桩只能承受垂直力，水平力一般由斜桩 或叉桩承受。这主要是由于当时的施工水平所限，桩的直径和深度均较小，因而桩的承载力和刚度 都较低，所能承担的水平荷载电就较低。二十世纪6 0 年代初起，管桩和大直径钻孔桩的应用日趋普 遍，人们对水平承载桩的作用机理开始进行研究并积累了水平静载试验桩的大量数据，为大直径竖 直桩的广泛应用奠定了理论基础。 水平承载桩的工作性能是桩- 土相互作用的问题。不论是完全埋置桩或部分埋置桩( 桩的上段露 出地面以上) 都是利用桩周土的抗力来承担水平荷载，桩在水平荷载的作用下发生水平变位促使 桩周土发生相应的变形而产生抗力，这一抗力阻止了桩变形的进一步发展。 当水平荷载较小时，这一抗力是由靠近地面的土提供，而且土的变形丰要为弹性的，即桩周处 于弹性压缩阶段，随着水平荷载的增大，桩的变形加大；表层土将逐渐产生塑性屈服从而使水平 荷载向更深处的土层传递。当变形增大到桩所不能容许的程度或桩周土失去稳定时，桩土体系便趋 于破坏 1 东南大学硕士学位论文 桩土体系的相互作用与桩、土相对刚度，桩的入土深度有关，通常分为下列两种情况： ( 1 ) 桩径较大、桩的入土深度较小、土质较差时，桩的抗弯刚度大大超过地基土刚度。桩的相 对刚度较大。在水平力的作用下若桩顶自由，桩身将如刚体一样围绕桩轴上某点转动【图1 1 ( a ) 】； 若桩顶嵌固桩与桩承台将呈刚体平移【图1 2 ( b ) 】。此时町将桩视为剐性桩，其水平承载力一般由桩 侧土的强度控制 ( 2 ) 桩径较小、桩的入土深度较大、土质较密实时桩的抗弯刚度与地基土刚度相比一般柔 性较大，桩的相对刚度较小，桩犹如竖放在地基土中的弹性地基梁一样工作。在水平力及两侧土压 力的作用下，若桩顶自由，桩的变形将呈波状曲线。并沿着桩长深处逐渐消失f 图l2 ( a ) 】：若桩顶嵌 固，位移情况与桩顶自由时相似但桩顶端部轴线保持竖直桩与承台将呈刚性平移【图1 2 ( b ) 】。此 时可将桩视为弹性桩其水平承载力由桩身材料的抗弯刚度和侧向士抗力所控制。根据桩底边界条 件的不同，弹性桩又分为中长桩和长桩之分。中长桩的计算与桩的支承情况有密切关系；长桩有足 够的入土深度，桩底均按固定端考虑，其计算与桩底的支承情况无关 啊前可可 1 ) 桩城自由 o ) 桩顶嵌固( 4 ) 桩项自由m ) 桩顶嵌固 图1 1 刚性短桩图1 2 弹性长桩 目前对水平承载桩基本上有三种分析计算方法：地基反力系数法、弹性理论法、数值计算法 1 地基反力系数法 这是目前应用最广的一种分析方法。地基反力系数法应用w m k l e r 地基模型，把桩周土离散为 一个个单独的弹簧。某一弹簧受力时，仅该弹簧发生与作用力成正比例的压缩而与其它弹簧无关， 把地基土看作非连续介质且假定水平地基反力系数在整个位移过程中均为常致 价 口_ 一 ( 7 驴帕 m , d m (丑)(b) 圈1 3 土中部分桩的坐标系与力的正方向 设竖直桩全部埋入土中，在断面主平面内，地表面桩顶处作用垂直桩轴线的水平力h o 和外力矩 胁。选择地面桩周中心处为坐标轴的原点0 取桩的中心轴及与中心轴相垂直的方向为x 轴和y 轴【图 1 3 ( a ) 】假定桩的单位长度反力p 是深度z 与这一点桩的挠度y 的函数即p = p ( x ，) ，) 在桩上取 2 奎塑查兰堡主兰堡丝奎 单元体d x ，规定图示方向为剪力q 和弯矩m 的正方向，如图1 3 ( b ) 所示嘲。根据静力平衡条件可导 得桩的挠曲微分方程： j 4 r * + 口烈，。y ) = 0 ( 1 1 ) 式中，日为桩身截面刚度，y 为桩身水平变位，口为桩身宽度。 根据式( 1 1 ) 中p ( x ，y ) 的假设不同，其分析方法大致可分为以下三类： ( i ) 板碾地基反力法( 极限平衡法) 假定桩侧土体处于极限平衡状态地基反力的分布形态，按照作用在桩上的外力及其平衡条件来 求桩的横向承载力。土中弹性桩计算模型( 图1 3 ) 中，不考虑桩的本身挠曲变形，且地基反力p 仅 是深度r 的函数，与桩的挠度y 无关，即p = ，( x ) 该法首先由r a e s ( 1 9 3 6 ) 提出假定地基反力星一次曲线分布网部( 1 9 5 1 ) w b r o m s ( 1 9 6 4 1 9 6 5 ) ，s n i t k o ( 1 9 6 7 ) p l 等对其进行了发展。e n g e l 物部( 1 9 5 2 ) 提出了假定地基反力为二次曲 线分布的方法，此法己被入选到日本的沉井、沉箱设计指南【j0 1 中。日本港湾协会【i ”还提出了用于板 桩计算的位移曲线法。b r o m s 法是目前确定短桩水平承载力的常用方i 去， 极鞭地基反力法适用于埋八深度较小的刚性桩僵由于在确定桩的横向抗力时是采用极限状态 时力的平衡条件不考虑地基的变形特性，所以该方法不适用于一般桩变形问题的研究( 即不能用 于长桩及含有斜桩的桩结构物的计算) ( 2 ) 弹性地基反力法 弹性地基反力法假定土为弹性体，用粱的弯曲理论求解桩的水平抗力，假设单位面积上土抗力 p 的表达式为： j d ( t 力= w 。广 ( 1 2 ) 式中m 是由土的弹性性质所决定的系数，与指致f 、n ( f 0 、0 l m 时。t , o = o 9 p + 1 ) 对于本试验沉井，抗弯刚度e = o 8 5 1 5 4 x 3 7 9 x 1 0 7 = 4 9 6 1 l x l 0 8 k n m 2 ，桩的计算宽 度= 0 9 x ( 5 + 1 ) = 5 4 m ，m = 3 5 0 0 0 k n m 。由公式( 2 ，2 ) 计算得口= 0 2 1 根据砌= 2 3 1 查规范表5 4 2 得：沉井顶部自由时，。= 3 6 8 9 。代入公式( 2 1 ) 得泥面处水平位移= 6 m m 时 沉井水平承载力日= 7 4 7 2 k n 。 试验时，将上述水平承载力提高一倍作为无根键沉井的水平极限承载力，即取沉井的预估最大 试验荷载为1 5 0 0 0 k n 。根式沉井的极限加载值为在此基础上再扩大1 2 倍，即根式沉井的预估最大 试验荷载为1 8 0 0 0 k n 。 2 加载分级 根据公路桥涵施工技术规范( j t j 0 4 1 - 2 0 0 0 ) p o l 附录b 5 ，试验加载采用单向单循环水平维持 荷载法，每分级加载为上述预估最大试验加载值的1 1 5 ，每级卸载为分级荷载的2 倍t 第一级加载 值为分级荷载的2 倍。每级加载后第l h 内在5 、1 5 、3 0 、4 5 、6 0 m i n 时测读一次，咀后每隔3 0 r a i n 测读一次，位移量小于或等于0 0 5 m m h 即可认为稳定。 3 终止加载条件 当符合下列条件之一时即可终止加载： ( 1 ) 达到试验要求的最大荷载或最大位移( i o o m m ) ： ( 2 ) 在某级荷载作用下，力作用点处水平位移急剧增加、位移速率明显增大： ( 3 ) 地基土出现明显的斜裂缝 2 3 试验结果数据整理 2 0 0 6 年4 月2 4 日开始5 m 根式沉井基础首节沉井井壁混凝十浇筑，2 0 0 6 年8 月6 日整个沉井 井壁混凝土浇筑及下沉施工结束，2 0 0 6 年8 月2 3 日至2 5 日浇筑础封底混凝士。2 0 0 6 年l o 月2 8 日 至2 9 日对压入根键前沉井进行竖向静载荷试验，2 0 0 7 年3 月2 3 日至2 4 日对压入根键前沉井进行 水平静载荷试验。2 0 0 7 年3 月2 5 日开始项入根键。2 0 0 7 年4 月1 0 日顶入根键及封壁施工结束。l o 天后，即2 0 0 7 年4 月2 0 开始对压入根键后根式沉井进行水平静载荷试验。 2 3 1 水平荷载位移( h - y ) 曲线 1 压入根键前沉井基础水平静载荷试验 压入根键前，由电子位移传感器测得的各级水平荷载片作用下位移y 见表2 3 ，绘制水平荷载一 力作用点位移( h - y ) 曲线如图2 1 5 所示。 压入根键前，试验加载至第5 级荷载( 6 0 0 0 k n ) ，力作用点水平位移为8 6 2 7 5 m m ，加载至下一 级7 0 0 0 k n 时，水平位移迅速增大，压力不稳定，并且沉井基础受力面周围土体出现明显裂缝( 如 图2 1 6 ) 。根据公路桥涵施工技术规范( j t j 0 4 1 - 2 0 0 0 ) i 圳附录b 5 5 ，极限荷载 f 取h - y 曲线明 显陡降的前一级荷载即取前一级加载荷载值6 0 0 0 k n 作为沉井水平向极限承载力。 1 2 查妻查竺堡主兰竺堡奎 耋! ：! 堡塑丝萱亟茎茎型查! 堂望堑堕丝查! 堕墼：堡整耋 荷载级敦 加载值 力作用点位移( m m )力作用点以上0 5 m 处位移( 咖)反力基础位移( 衄吐) ( k j q ) 本级蜃计本级累计本级 景计 2 6 3 5 1 0 7 7 5 1 4 0 6 0 2 4 7 3 4 1 1 0 - 1 7 啪 1 9 螂 2 6 3 5 1 3 4 1 0 2 7 4 7 0 5 2 1 6 5 8 6 2 7 5 7 0 s 孵 5 n 9 2 5 2 7 8 0 1 1 3 5 5 1 4 9 晒 2 6 0 0 0 3 6 4 9 0 16 5 3 5 - 2 1 1 卯 2 7 8 0 1 4 1 3 5 2 9 0 4 0 5 5 0 6 0 9 1 5 卯 7 5 0 1 5 5 3 8 5 5 1 1 2 0 5 4 0 4 7 0 铂 0 6 6 - 0 秘 1 i 1 2 i 酯 2 1 3 2 毋 3 3 5 2 4 7 1 4 7 801 3 8 4 53 7 0 8 5i52 8 53 85 7 0_ 0 8 4 0 6 3 1 2 0 i 8 0 2 0 o ol o 2 0 0 03 0 0 01 0 5 0 0 0 ，k r 践l 图2 1 5 压入根键前沉井水平试验 h - y 曲线图 幽2 1 6 压入根键前沉井水平试验 沉井周围土体裂缝图 2 根式沉井基础水平静载荷试验 由电子位移传感器测得的各级水平荷载日作用下位移y 见表2 4 ，绘制水平荷载力作用点位移 ( h - y ) 曲线如图2 1 7 所示 荷载级教 加载值 ( 邺 力作用点位移( m m ) 本级 景计 力作用点以上o 5 m 处位移( 衄) 本缓景计 反力基础位移( 衄) 本级景计 i 2 4 0 05 8 9 05 8 9 0 6 1 0 56 1 0 50 5 1 0 5 1 3 6 4 8 7 2 8 4 0 0 9 6 3 7 5 5 5 2 5 0 6 7 9 5 4 钙5 9 ，6 0 2 6 3 8 5 9 6 4 5 1 4 5 2 1 6 9 0 2 6 6 4 5 3 6 啷 6 2 3 9 0 5 0 0 5 5 3 1 5 7 4 4 5 5 7 3 0 9 3 2 5 2 矗7 晒 1 1 1 l o 1 6 4 2 5 2 3 8 7 0 2 9 6 3 8 9 2 5 6 5 6 0 8 6 1 1 8 1 1 6 1 4 4 i 8 6 2 0 l i 3 6 2 5 4 3 7 0 5 1 4 7 0 0 9 b 1 0 8 0 05 0 4 0 5 1 1 27 9 55 7 9 0 0 1 2 3 5 3 01 6 4 1 0 6 4 水平位移迅速增大至1 1 2 7 9 5 m m ，并且根式沉井基础受力面周围土体出现明显裂缝( 如图2 1 8 ) 。根 据公路桥涵施工技术规范( j t j 0 4 1 2 0 0 0 ) 附录b 5 5 ，极限荷载风取h - y 曲线明显陡降的前 一级荷载，即取前一级加载荷载值9 6 0 0 k n 作为沉井水平向极限承载力 咖咖啪咖枷籼咖 2 4 5 6 4 2 i 2 3 4 5 6 7 舯 右- n ) 肇乏 * 东南大学硕士学位论文 i 舯 1 2 0 1 0 0 l 鲫 差6 0 喜舯 2 0 0 01 2 0 02 仲o3 6 0 01 8 0 05 c 0i 2 引0 09 oi o 舯o 水甲荷硅f k n ) 图2 1 7 根式沉井水平试验h - y 曲线图图2 1 8 根式沉井水平试验沉井周围土体裂缝图 3 两次试验- - y 曲线对比 将两次水平静载荷试验h - y 曲线绘制在同一图中对比，如图2 1 9 所示。从图中可以看出，在水 平荷载小于3 0 0 0 k n 时，沉井和根式沉井的位移基本相同，开始时沉井的位移偏小，是由于对沉井 水平静载荷试验后，土体变形未完全恢复存在残余变形，因此压入根键后进行第二次水平静载荷 j 式验时。第一级荷载作用下的位移包含了部分土的残余变形，位移略偏大；在水平荷载大于3 6 0 0 k n 时，沉井的水平位移发展较快，大于根式沉井的水平位移增长速度。这表明在水平荷载较小时，根 式沉井相比沉井承载性能的提高不明显，但随荷载增大，其提高越来越明显。 l 加 1 0 0 l 8 0 萼5 0 耋柚 2 0 02 0 棚哪洲舢i o o1 舢 术甲茼拉i 蚺l 图2 1 9 两次试验- t - y 曲线对比 对比两次试验的水平极限承载力可以看出：根式沉并的水平极限承载力是普通沉并的1 6 倍。 2 , 3 2 井身水平位移 本试验采用测斜仪量测得到井身水平变位。用测斜仪量测每级水平荷载作用下井壁内预埋4 根 测斜管的水平变位情况，分别取每个断面的平均值作为井身的水平位移。利用沉井顶部电子位移传 感器实测水平位移值，可推出沉井在各级水平荷载作用下的水平位移。本试验采用c x 系列测斜仪 进行测斜每级荷载下上层断面相对于下层断面( 间距0 5 m ) 的水平位移增加量少按下式计算( 单位为衄) ： o f v = 5 0 0 s i n o = k 二二 ( 2 3 ) 2 式中，曰传感器轴线与铅直线间的夹角( 度) ； x 为传感器水平位移系数( m m p s ) ； f 、占，为同一深度处传感器正、反测程读数( 1 1 6 ) 根据式( 2 3 ) 进行累加计算，并结合并顶实测位移可推算得井身水平位移。两次试验获得的井 身水平位移曲线分别见图2 2 0 和2 2 1 。 1 4 东南大学硕士学位论文 。1 萋； 妻。3 蚕： 主6 ； 求r f 迁f # n 叮o水1 似坼t 咖 0 2 04 0 6 0 80|00 02 0 加6 08 0 1 0 01 2 01 4 0 图2 2 0 沉井水平试验井身水平位移曲线图2 2 l 根式沉井水平试验井身水平位移曲线 从图2 2 0 和2 2 l 中可以看出，井身水平位移近似为直线，表明沉井和根式沉井的刚度较大，如 刚体一样围绕井身轴上某点( 力作用点以下9 l o m 左右) 转动。根据上章介绍的刚性桩( 图l ，i ) 和柔性桩( 图i 2 ) 分类此处的沉井和根式沉井为刚性基础。 2 3 3 地基土水平抗力系数的比例系数删和沉井的水平变形系数口 对于沉井水平试验根据每级施加的水平荷载与对应的力作用点处水平位移通过下章介绍的m 法迭代程序，可求出各级荷载对应的m 值。根据公路桥涵地基与基础设计规范( 盯gd 6 3 - 2 0 0 7 ) 【2 l 】附录p ，基础的水平变形系数按下式计算： 口：；晔 ve ， ( 2 4 ) 式中。丑基础的计算宽度： e ，基础的抗弯刚度。 对于根式沉井的水平试验，基础的计算宽度和抗弯刚度分节段变化，规范口”中定义的4 对根式 沉井不适用。 按照规范8 ”，沉井的计算宽度：6 0 = 0 9 x ( 5 + 1 ) - - 5 4 m 沉井的抗弯刚度取封底以上部分的 抗弯刚度为e ，= 4 9 6 11 1 0 8k l q - m 2 ，m 和a 的计算结果见表2 5 。 表2 , 5 沉井水平试验m 和口值 注；j 卜泥面以下基础入土深度此处沉井入土深厦h = ll m 从表2 5 中可得，a h 4 0 时。取a 算= 4 0 ) j = _ 百 等蔫竽选 小卜壶、等( 砂一警( 科+ = i 蜀2 积一言( 删6 + 鲁删一警 c l2 两1 ( 耐一嘉( 酬+ 等”一警蚓，一 2 0 3 ) d i2 委陋卜昙( 5 + 著陋) i ，百1 4 x 9 x 4 ( 删1 8 + ( 3 2 0 4 ) 4 2 喜芸= 一云c 酬+ 鲁9 一警c 卿 电扯；， 最= 孝警小扣5 + 等埘一育1 2 x 7 2 c 计+ 随删 呸= 丢鲁2 簖一昙6 + 等”警 d 22 昙警；刍2 一吾7 + 等衙) j 2 1 1 4 x 矿9 x 4 ( 甜) + 呜。丢警= 一妾3 + 等一警蚓 马2 三鲁= 一暑4 + 等，一1 1 2 x 矿7 x 2 ， g = 吉鲁斗蚤5 十等( 簖) 1 0 一1 1 3 x r g x 3 1 ，+ 见2 去警2 锨一昙c 删6 + 等u 一警俐 小妄訾= 一云( 甜) 2 + 百6 x l t 叫, ，一等笋 且。吉訾= 盖3 + 等。一1 1 2 x 厂7 x 2 1 3 + q 。i 1i d g = 一面3 ( 嘲4 + 等，一1 1 3 x 矿8 x 3 j 4 + d 。昙警一一扣5 + 等( 秽一百1 4 x 9 x 4 删+ ( 3 2 0 8 ) ( 3 2 仉9 ) ( 3 2 0 - l o ) ( 3 2 0 - 1 1 ) ( 3 ，2 0 1 2 ) ( 3 。2 0 - 1 3 ) ( 3 2 0 1 4 ) ( 3 2 0 - 1 5 ) ( 3 2 0 - 】6 ) 东南大学硕士学位论文 口桩的特征值，口= b 桩身计算宽度( m ) ；对于圆形桩：当桩的直径d s l m 时，6 0 = o 9 0 5 d + o 5 ) ；当桩 径d l m 时，b o = o 9 ( d + 1 ) 2 变截面桩的桩身矩阵方程式 对于变截面桩，将桩身按截面变化划分为多段，每段按等截面计算，然后利用整体的变形和内 力的协调关系，以求得全桩的解答。对于每一等截面段，m 法仍然适用。 如图3 3 ( a ) 所示，将变截面桩按截面变化划分为( 1 ) 、( 2 ) ( j ) 段，每段的分界节点为1 、 2 、3 j - l ，地面处节点为0 桩尖节点为j 。取出任何一段i 段桩身，如图3 3 ( b ) 所示，把坐标原 点d 置于上端节点i 1 处，这段桩身的挠曲微分方程为： 毒 ! 。a _ - _ _ _ _ _ 一 ， f i ( a )c o ) 图3 3 变截面桩的水平力作用分析 ( a ) 变截面桩分段；c o ) i 段桩身分析； ( c ) 虚拟桩 e 上。d 出 y 。+ 骂r 掰( 而i + 曲y = 。 式中，互、e 、危_ i 段桩身的抗弯刚度、计算宽度、长度： 卜1 表达i 段桩顶处( x = o ) 土抗力情况参数，x 0 i = 。 i ( 3 2 1 ) 对于i 段桩，采用虚拟桩法分析。如图3 3 ( c ) 所示，将坐标原点由i - i 点上移距离h 到d 点 假设o i - l 段为虚拟的与i 段桩截面相同的桩。即令一= 工+ h ( 一表示虚拟桩的) ，于是( 3 2 1 ) 可转化为 2 4 东南大学硕士学位论文 巨j 。矿d 4 y + 旦榭y = 。 上式( 3 2 2 ) 的幂级数解在前面等截面桩部分已介绍，其解为 y = y “a l + c p 口 o i b i + 口m “c + 口q ， o idjime 1 口 口。口。 矿= 缈 o i a 2 + 九岛+ m 棚i o i c ：+ 急岛o 也ja e l m ：口2 毋- “a s + c t e l q ，。马+ m - 。q + 鳗岛 q ：口，毋- 。；4 + 口：脚。；目+ 洲。c 。d 4 写成矩阵形式为 嚷 识 m 鸩 g 口2 巨，i r 4马c l i 呜垦c 2 2 f4 马g 1 4 目c 4 式中，、矿i 、j j i ，j i 、q k 虚拟桩桩身泥面处的位移、转角、弯矩和剪力； ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) 虚拟桩r = h 和工= h + 趣分别对应于实桩i 段桩的i - 1 和i 节点，即实桩i 段i - ! i 节点处的 转角、位移、弯矩、剪力等于虚拟桩工= h 和一= h + 愧处之值，与虚拟桩桩身泥面处) k ，垆k 、 纸、绋关系如下： a 弘1 纯i m i 1 a e l q 1 a 2 e i a y l 纯 m a e l q i 口2 e 1 4 局c ie ：l4 z 易c 2 d 2 i l4 马qbf 【a b 4c 4 d 4 j 且 马 马 e q c 2 c 3 c a y o j 伊o i m 。o i g e l q 叭 口2 e ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 由式( 3 二1 5 ) 和式( 3 2 6 ) 可得实桩i 段i 节点处的转角、位移、弯矩、剪力与i - i 节点处的关系： 叽盈整嘲rjiih1l 口肪易伪 o 埘o一卫盟巨叽乩一棚一棚 吩 + 岛 1j 历虏从历 东南大学硕士学位论文 劬 纯 f ： a ：e i l q 口2 e t i t = k c 1 d 1 1j 4 l 马 c 2d 2 ii 彳z b z gd 3i f4 马 c id 43 x o i + kl a , b 4 上式为任一段j 段桩身的矩阵方程式。 3 桩底部边界条件 对于等截面桩，可看作是仅有一段的变截面桩。桩底部( e p 桩身最下段j 节点处) 边界条件通 常有三种情况： 桩底部自由t 例如在松软土壤或岩石面上时t 此时乃0 、吼0 ；当不考虑桩尖转角 起的土抗力产生的弯矩时m j = 0 ，考虑时 屯= 一c h i j p j ( 其中c h 为桩底土的竖向地基反力系 数，c b = m h ) ：q j = 0 即 m l + c h i 产i a e 3 i l q j 口1 e l i i a j + g l j a 2 马+ c d j b 2 一【 a 蜀 c ，+ c h i # t 现+ c h i l d l c t轨 l ( 不考虑转角引起的土抗力产生的弯矩时，取c b = 0 ：考虑时取c b = m h 。下同) 即 桩底部铰接，例如在问隔土层中时，此时乃= o i 却j o ，m j 同上，g o 即 l a i蜀c jd l l 【4 + c h 彳2 马+ c h 马g + c h l i c z 岛+ c j j d , j = o = o ( 3 2 8 b ) 桩底部嵌固，例如桩端深入岩层0 5 m 以上时，此时乃= 0 吼0 ，鸩0 q j = 0 723( - 广 砘 1j n 仍胁胁厶岛厶d 夙历易历a 办瓜冉 。，l f f k巳 嚣幕 翟彘 1j 翟毒 一 l，墨丽 吖一 东南大学硕士学位论文 r a l 且c i 2 hb 4 c = o 一般对大直径桩，值较大。需考虑桩尖转角引起的地基土抗力弯矩。反之，对普通直径的桩 或弹性长桩，值较小。桩底妒值也很小，甚至接近于零，就可以不考虑这个影响。 4 求解方程 以桩底部自由为例介绍求解过程。 将式( 3 2 7 ) 逐段带回底部边界条件( 3 2 8 a ) 中。得 m j + c b j j 仍 醯1 l l q j a 2 e l = o ( 3 2 9 ) k = 4 ，+ 2 彳2 马+ 2 口2g + 芑c 2 。j + 盖d 2 k 。一。k 。c ，。， 已知桩身泥面处弯矩m o 和水平力q 0 ，由式( 3 - 2 9 ) 可求出泥面处虬和吼。根据泥面处肘o 、 q o 、儿和及式( 3 2 7 ) 可