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摘要 根式沉井竖向承载性能试验研究及数值分析 硕士研究生：刘勇指导老师：童小东副教授 摘要 本文以江苏省自然科学基金资助项目( 项目编号：b k 2 0 0 8 3 1 4 ) 为依托，对根式沉井的竖向承 载性能进行了研究。 根式沉井是一种改进的基础形式，它是通过在预定位置下沉一个井壁有预留孔的沉井，待其沉 至设计标高时，通过井壁的预留孔压入预制的混凝土构件( 根键) ，最后通过封壁将根键和井壁连 成整体来共同承担上部荷载。 利用自平衡测试技术对安徽省淮河特大桥1 4 桥及马鞍山长江大桥根式沉井的竖向承载力进行了 现场测试，结合理论分析、数值模拟手段研究了根式沉井的竖向承载性能。主要工作如下： 首先，分析了在竖向荷载作用下：压入根键前普通沉井的侧摩阻力、端阻力的分布规律，井底 和井侧分担荷载比；压入根键后根式沉井的承载特性、根键的受力特点及其对承载力的贡献程度。 其次，运用三维有限差分软件f l a c 3 d ，对根式沉井的现场试验情况进行了模拟，计算结果与实 测数据较为吻合：分析了在竖向荷载作用下，在砂土层和黏土层中根式沉井竖向承载特性的异同。 最后，对比实测数据和理论计算结果，提出可对计算地基承载力的经典理论公式进行修正来估 算沉井和根式沉井的竖向极限承载力，并对修正系数的取值进行了探讨。 关键词：根式沉井竖向承载性能数值模拟f l a c 3 d 东南大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d ya n d n u m e r i c a la n a l y s i so nt h ev e r t i c a lb e a r i n g p r o p e r t i e so f r o o t - - c a i s s o n 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 ：l i uy o n g 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 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 b s t r a c t t h es u b j e c ti ss p o n s o r e db yj i a n g s un a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( p r o j e c tn u m b e r ：b k 2 0 0 8 31 4 ) b a s e d o nt h ep r o j e c to fh u a t h er i v e rb r i d g ea n dm a a n s h a ny a n g t z er i v e rb r i d g ei na n h u ip r o v i n c e ，w ed os o m e r e s e a r c ho nt h ev e r t i c a lb e a r i n gp r o p e r t i e so fr o o t - - c a i s s o n r o o t - - c a i s s o ni sa ni m p r o v e df o u n d a t i o ns t y l e i t sc o n s t r u c t i o np r o c e s si s ：s i n k i n gac a i s s o nw h i c h h a sj a c kh o l ei nt h es i d e w a l l a f t e rt h ec a i s s o ns i n k st ot h ed e s i g ne l e v a t i o n ，t h ep r e f a b r i c a t er o o t s t a l kw i l l b ej a c k e di n t ot h es o i lt h r o u g ht h ej a c kh o l e ，t h e nc a s tc o n c r e t et om a k es u r et h a tt h er o o t s t a l ka r e 缸e d 谢mt h ec a i s s o n s e l f - b a l a n c e dl o a dt e s tw a sf i r s ta d o p t e dt oc o m p a r et h ev e r t i c a ll o a dc a p a c i t yb e f o r ea n da f t e rt h e r o o t s t a l kw a sj a c k e d b a s e do nt h er e s u l t so ft e s t i n ga n dc o m b i n e dt h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo f f o u n d a t i o nt h e o r y , w es t u d yo nt h ev e r t i c a lb e a r i n gp r o p e r t i e so fr o o t - - - c a i s s o na n dm a n yc o n c l u s i o n sa l e o b t a i n e d f i r s t l y , w ec o m p a r et h ev e r t i c a lb e a r i n gp r o p e r t i e sb e f o r ea n da f t e rt h er o o t s t a l kw a sj a c k e dw h i c h i n c l u d e dl o a dc a p a c i t y ，d i s t r i b u t i o no ff r i c t i o nf o r c e ，l o a ds h a r i n gr a t i oa b o u ts i d ea n db o t t o m ，t h es t r e s s d i s t r i b u t i o no fc a i s s o nb o t t o m ，t h ep r o p e r t i e so fr o o t s t a l ka n dt h ec o n t r i b u t i o no fr o o t s t a l ki nd i f f e r e n ts o i l l a y e r s 。 s e e o n d l v ，w i t ht h ef r u i t ed i f f e r e n c es o f t w a r ef l a c 3 d ，n l er o o t - - c a i s s o nw a ss i m u l a t e di nt h em a n n e r o fs e l f - b a l a n c e dl o a dt e s t ，a n dc o m p a r e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h et e s tr e s u l t s b e s i d e s ，w ed os o m e r e s e a r c ho nt h ev e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t yo fr o o t - - c a i s s o ni ns a n ds o i ll a y e ra n dc l a yl a y e r f i n a l l y , a c c o r d i n gt os o i lm e c h a n i c a lp r o p e r t yi n d e xp r o v i d e db yg e o t e c h n i c a li n v e s t i g a t i o nr e p o r t w e c a l c u l a t et h ev e r t i c a lb e a r i n gc a p a c i t yb yu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo ff o u n d a t i o nt h e o r ya n dc o m p a r et oh e r e s u l t so ft e s t i n g p u tf o r w a r dac o e f f i c i e n tw h i c hc a nb eu s e dt oe s t i m a t et h eb e a r i n gc a p a c i t yo fr o o 卜一 c a i s s o nb e f o r es i t et e s t i n g k e yw o r d s ：r o o t - - - c a i s s o n v e r t i c a lb e a r i n gp r o p e r t i e sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf l a c 3 d 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。 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。 参 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着国民经济的增长，我国桥梁事业得到飞速发展，大跨径桥梁的设计和施工水平已达到国际 先进水平，桥梁基础工程也在理论和施工技术上有了新的发展。传统的桥梁基础主要有桩基础、扩 大基础、管桩基础、沉井基础、连续墙基础、沉箱基础或者以上基础的组合。 作为桥梁常用基础之一的沉井基础，是依靠自身重力克服井壁阻力后下沉到设计标高，然后经 过混凝土封底，使其成为桥梁墩台或其它结构物的基础。沉井在深基础中具有独特的特点：埋深大、 整体性强、稳定性好、具有较大的承载面积，与大开挖相比挖土量少，能节省投资，无需特殊的专 业设备，井内的空间亦可充分利用；缺点在于尺寸大、分隔多、施工难度大，并且施工时易偏位， 不易纠正。 我国跨越江河的大桥较多分布于长江、黄河等流域，这些地区表层土( 浅层土) 地基承载力一 般都很低，为了满足基础承载力的要求，大部分桥梁基础需将基础端部设置在较深的基岩或土层性 质较好的土层上，这势必增加基础的埋深，基础深度的增加，成孔质量的影响因素增多；同时，基 础埋深的增大也不利于整体稳定性【l 】。为此设计人员不断对已有的基础进行改进，使其满足承载力 和变形的要求。锥形桩、变截面桩、扩底桩、楔形桩、挤压支盘桩的出现有效地提高基础的承载性 能，其设计思想充分地利用了结构物周围土体的强度，通过增大结构物和土体的接触面积，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，减少桩端沉降量，提高承载力的同时 降低了工程成本。 在这种思想指导下，安徽省高速公路总公司提出了一种改进的基础形式根式沉井，该基础 根据仿生学原理，首先在预定位置制作下沉带有预留孔的沉井，然后通过预留孔顶推预制的根键， 最后浇筑封壁混凝土使根键与沉井形成一个整体，通过沉井与根键共同承受荷载，来满足上部结构 承载力和变形的要求。 1 2 沉井基础的发展现状 早在公元前两千年，人们就曾使用木材和石材沉井开挖吸水井，然而真正的发展追溯到1 9 世纪， 欧洲及亚洲不少国家先后在沉井施工方法上做了很多的试验和改进，成功地采用了压气沉井法、多 级沉井、淹水沉井、冻结沉井等等，使得沉井施工技术发展很快。自从1 8 3 9 年法国沙龙尼( s a l o n e y ) 煤田首次使用沉井施工法以来，在欧洲使用于地下工程中有1 5 0 0 多个【2 】。不少沉井下沉深度达到 5 0 m ，平面尺寸达到3 0 0 0 m 2 以上，有些特殊用途的沉井深度可达l o o m 以上。1 9 9 4 - - 1 9 9 6 年日本采 用壁外喷射高压空气的方法降低沉井侧面和土层的摩阻力，使其下沉的深度达到2 0 0 m 。由于空气幕 构造复杂，高压空气耗量大，下沉速度不易控制，控制的纠偏技术难度大，使其推广受到限制。5 0 年代起，欧洲开始广泛采用触变泥浆的办法来降低沉井下沉时的摩阻力，效果明显，这种方法至今 仍广泛应用。 国内从5 0 年代起沉井的施工技术也取得了很大的成就，仅仅上海基础工程公司5 0 多年中施工的 各类沉井就超过3 0 0 多座，应用范围从桥墩基础到江边取水房，从地下厂房( 如上海高桥热电厂，直 径6 0 m ，1 9 7 1 年) 到煤矿竖井( 如大屯煤矿主井，8 0 m 深，1 9 7 0 年) 。最大沉井面积j 2 蛭l j 3 5 0 0 m 2 ( 江 阴长江大桥北锚碇沉井，l x b x h = 6 9 m 5 l m x 5 8 m ，1 9 9 6 年) 。特别是6 0 年代南京长江大桥中发展了重 型基础、深水钢筋混凝土沉井，沉井施工方法也从下沉和浮运就位发展到利用原来结构悬吊制作下 沉( 如南昌八一大桥老桥加固，1 9 6 1 年：柳州大桥二号水中墩，1 9 6 7 年) 【3 】。江阴长江大桥是“中国 第一、世界第四”的特大跨径钢悬索桥，北锚碇选用了重力式锚碇配深埋沉井基础的方案，沉井南北 长6 9 m ，东西宽5 1 m ，埋深5 8 m ，采用了排水下沉、高压水枪冲泥、空气真空吸泥、空气幕等方法， 一1 一 东南大学硕士学位论文 保证了沉井顺利施工川。作为世界首座跨千米3 塔2 跨悬索桥，泰州大桥采用浮运沉井基础，平面尺 , - y 9 5 8r e x 4 4n l ，其下段为预制的矩形钢壳结构，高度为3 8 m ，在长江上首次采用如此规模的钢壳浮 运混凝土接高的沉井，为深水基础的采用提供了技术经验5 1 。 1 3 根式沉井的演变及特点 随着我国桥梁事业的发展，各种特大、大型、中型桥梁对地基承载力的要求越来越高，传统的 基础形式已经满足不了承载力与变形的要求，为此人们不断地改进基础形式，先后设计出锥形桩、 变截面桩、扩底桩、楔形桩、挤压支盘桩等，其设计思想都充分地利用了结构物周围土体的强度， 在桩身不同位置扩大横断截面，形成桩身截面沿深度变化的异型桩，增大结构物和土体的接触面积， 将荷载逐一分配到桩身变截面处的土层上去，以获得最大的承载力。根式沉井也是由此演变得来。 1 3 1 变截面柱的特点及各自的适用条件 扩径变截面桩包括变截面桩、扩径桩、结节桩( 糖葫芦桩等) 如图1 1 9 i ：示。扩径变截面桩的扩 径位置是选择土层力学性质较好的地段扩径，以增大桩身截面面积，将轴向荷载逐一分配到各扩径 处的土层中去，减小桩端的沉降量，并大幅提高单桩承载力。 镀彤锻形桩扩径桩多缀扩径桩支鬣桩綮稽芦桩 r _ _ _ - l 断 雨 彤 坟 、i ， 桩体土、钢。钢钢筋钢筋钢翳钢藤 材辩筋澎凝上浇凝土概凝土混凝土混凝 1 3 1 i 锥形桩 图1 i 扩径变截面桩的类型 锥形桩属于混凝土预制桩的一种，截面形式主要有圆形和正方形，考虑到制作和施工等因素，截 面以正方形居多。根据建筑物的类型、用途和工作条件，锥形桩可采用各种不同的外观形式。如桩身 全部为锥形体，或下段为锥体上段为棱柱体，可以是实心桩，也可以采用方孔或圆孔的空心桩，材 料主要由钢筋混凝土构成。 锥形桩的施工，一般以打入或压入为主，这种桩截面要大于一般的预制桩。由于锥形桩的楔状 外形，在进入土时，与普通预制桩相比，对土体产生的作用是不同的。普通预制桩对土体以剪切破 坏为主，侧向压缩为辅。而锥形桩正好相反，使土体产生侧向的压缩，要比普通预制桩大得多，桩与 土体之间产生的侧向摩擦力要比普通预制桩更大；但锥形短桩端部的承载力比普通预制桩要小。一 般在设计时作为承载力的安全储备，可忽略不计。当锥形桩的截面随其高度而改变时，桩与其周围 土的共同工作情况就发生了根本的变化。荷载作用下锥形桩周围土体更加密实，并在一定的范围内， 土的容重和强度也有一定的提高。因此，锥形短桩之所以有较高的承载力是因为在提高了摩擦力的 同时，又加强了土的局部结构，达到了双重目的，是普通预制桩所不具有的。 第一章绪论 锥形桩的承载力在很大程度上与密实区的性质有关。通过试验可以发现：锥形桩体积愈大，锥 角愈大，密实区内土体密度和密实区体积愈大，承载力愈高。在工程中为准确评价桩的承载效力， 以单位承载力( k n m 3 ) 来表示，即单位体积桩的承载能力【6 】。锥形短桩的单位承载力，不仅与地基条 件和桩的体积有关，而且与锥角有关，它随着锥角的增加而增加，但锥角的增加是在一定的范围之 内的。这是因为锥角超出构造要求，在施工时，土的侧向压缩会逐渐转变成剪切破坏，摩擦力会大 大降低，虽然这时端部承载力会有所提高，但总的承载力是下降的。所以在各种土质条件下，锥形 桩的单位承载力随锥角的增加而增加；但并不是在任何地方都可以使用大角度桩，因为在考虑土的 变化状态的同时，还要考虑土的密实性对施工的影响，所以在密实和中密实的土中应选用锥角为5 。 9 0 的锥形桩，而在疏松的土壤中，则最好选用锥角为9 。1 3 。的锥形桩【7 j 。 锥形桩属于摩擦桩，一般适用于浅基础的设计，特别是适用于地基条件不佳时，如由不均匀的 复合土层所组成的地基，或处于强水侵蚀的黏土地基中。当构造处理适当时，对于地震烈度为7 8 度的地区也显示了它的优越性。 1 3 1 2 扩底桩 扩底桩一般都是灌注桩，根据施工方法可分为挤土式灌注桩( 如静压灌注桩、沉管灌注桩) 和 非挤土式灌注桩( 钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩) 。根据底部扩大头的方法不同，有夯扩桩、静压 扩底桩、机械扩底桩、人工挖孔扩底桩、压力注浆扩底桩、爆破扩底桩和胀扩体扩底桩。 扩底桩桩身成孔的施工和传统桩无异，主要区别在桩端扩大头形成，一般根据现场地质条件来 确定具体的形成方法。挤土桩一般设置双层钢管( 套管和内管) ，落锤作用管内的碎石或干硬性混 凝土柱塞上形成扩大头；或通过成孔后在孔内灌入一定量的混凝土挤扩形成扩大头；或桩成孔后在 桩底部放入炸药包，再在孔内灌注适当混凝土，引爆成扩大头。非挤土桩的扩大头通过扩孔机的扩 孔刀反复张缩、旋转切削土块形成。 扩底桩一般属于摩擦端承桩，一般情况下桩的摩擦力先发挥作用，随着荷载的增大，桩侧摩阻 力承担荷载的比例相对减小，桩端阻力分担的比例相对增大。扩底桩的荷载传递受扩底相对直径( d 田、桩底土相对刚度( 玩佤) 、桩的相对刚度( 毋佤) 和桩的长径比( l d ) 等因素的影响。扩底 桩的破坏模式与桩基或浅埋独立基础的破坏模式不同，先是桩底土被压密，接着桩底土两侧出现微 量侧胀，扩大头边缘下土体出现局部剪切区，扩底桩的斜面上部出现松动或临空( 砂土不出现临空 现象) 。桩底土始终表现为压缩变形为主、局部剪切为辅的受力变形机理。 扩底桩在国外研究和应用具有较早的历史，苏联、日本在扩底桩技术方面取得很大的成就。日 本在1 9 7 8 年起就大力发展扩底桩的施工，在我国应用较晚，大概在2 0 世纪8 0 年代初才开始应用，形 式也主要是人工挖孔扩底，主要用于旧建筑物的托换和锚固工程。受到地下水位、地层、深度的影 响，用机械钻孔代替人工挖孔后，扩底桩的应用越来越广泛。现在扩底桩不仅用于建造工业民用建 筑物，也用于市政工程、桥梁工程、码头、输电塔等设施的基础。 1 3 1 3 挤压支盘柱 早在1 9 6 9 年，印度的d m p h a n 对支盘桩进行小规模的试验和研究【l 钔，并对最佳的盘间距进行了 探讨。国内挤扩支盘桩技术创始于2 0 世纪9 0 年代初期，由张俊先生发明，北京俊华地基基础工程公 司研制开发出第一代锤击挤扩装置，取得了显著的经济效果【l 纠。 支盘桩是一种新型的钢筋混凝土灌注桩，从承载特性上看是属于摩擦端承桩，从承载功能上看， 既是理想的抗压桩又利用基础的抗拔要求。支盘桩由桩身、分支和承力盘三部分组成，与普通直杆 桩相同，支盘桩的桩身内一般都设计钢筋笼，分支和承力盘内没有钢筋，分支和承力盘的位置和数 量是根据工程的地质条件、上部荷载分布的具体情况进行设计确定的。支盘桩首先用钻机开孔，根 据土层性质情况，自上而下，用分支器挤压孔壁土层，形成支盘，这样可以扩大桩径，增加了桩与 土层的接触面积，借助于支盘端阻力，调动各个土层的承载能力，减少桩端的阻力，从而使桩的沉 东南大学硕士学位论文 降量减少到最小值，提高桩的承载力。这种桩的特色在于保持了传统桩的侧摩阻力和端阻力，还增 加了支盘端阻力，大大提高了承载能力。 在竖向荷载作用下，承力盘首先从上盘提供承载力，达到极限状态后，承载力下移到底盘，支 盘桩的底盘是提供桩的安全储备和控制桩的沉降。由于支盘桩承力盘底部无沉渣且盘底的土经过挤 压密实，荷载作用后就能提供较大的端阻力，有效地减少建筑物的沉降与变形。与传统桩型相比， 支盘桩能充分利用桩身周围的硬土层，改变传统桩的受力机理，变摩擦桩为摩擦端承桩。 施工工艺上，支盘桩工艺适用范围广，适用性强，不受地下水位的限制，与打入式预制桩相比， 施工低噪音、低振动、泥浆排放量少，具有很好的抗拔能力。单方混凝土承载力为相应直孔桩的2 倍以上，产生显著的经济效益。支盘受周围土体的支撑，使其建筑结构满足其抗震的要求。 1 3 2 根式沉并的提出 基础的发展，承载力、变形、造价日益成为建筑领域的关注问题。对于桥梁工程来说，基础不 仅需要承受竖向荷载作用，还有很大的水平向荷载，这就需要提高基础的抗弯和抗压刚度。类似改 良型桩基的思路，根式沉井是一种异形沉井，是在原有的沉井基础上，在井身适当部位通过预留顶 推孔，待沉井下沉到设计标高后，在预留孔位置水平顶堆预制根键，在沉井内壁设置后浇带，将根 键和沉井浇筑成整体的一种特殊基础( 见图1 2 ) 。施工过程中根键的顶入对土体产生挤密预压作用， 根键周围土体的压缩和沉降预先完成，减少工后沉降。根键的存在增大了沉井的表面积，发挥了周 围土层的强度，提高了单井承载力。 图1 2 根式沉井外形图图1 3 树根外形图 根式沉井是依据树根( 见图1 3 ) 的抗压、抗拔机理，结合变截面沉井的形状进行构思、研究而 发明的一种新型基础形式，是对沉井技术的改进，井身分支( 根键) 受到土体的支撑作用，不仅改 善了井身刚度，提高了沉井的抗压、抗拔力，而且增加了沉井的稳定性，提高了抵抗水平荷载和地 震荷载的能力。与一般大直径桩相比，根式沉井是个有潜力的选择方案，体现在： ( 1 ) 根式沉井作为桥梁深水基础，避免了桩和管桩基础中的防水围堰； ( 2 ) 根式沉井有着普通沉井的优点，基础刚度大，能承受对基础较大的弯矩，根式沉井获得了 更大的井土接触面积，竖向和水平承载力极大的提高； ( 3 ) 桥梁中的锚碇基础需承受较大水平荷载，根式沉井有更大的接触面积，能抵抗水平力所产 生的基础拉力：根式沉井为端承摩擦型，根键受周围土体的支撑，使其建筑结构稳定耐震， 沉降变形更小。 ( 4 ) 根式沉井承载力的可调性，由于地下土层是随机分布的，其物理力学性能随深度变化，因 此各层土的承载力也不同。根据承载力设计值大小，可选择力学性质较好的土层作为根键 持力层，达到提高承载力的目的。根键的分支数可根据承载力设计值大小、层间距及土层 的力学性质而定； ( 5 ) 根式沉井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 第一章绪论 境影响较小。 1 4 本文主要研究内容 本文通过淮河特大桥l # 桥5 m 、8 m 直径和马鞍山6 m 直径根式沉井的试验，对根式沉井的竖向 荷载作用机理进行研究，对比压入根键前后沉井的承载力，分析了根键受力特性；并结合试验数据 提出根式沉井承载力的估算经验公式：利用有限元软件对实际工程进行数值模拟，对实测数据加以 论证；分析了根式沉井在不同土层中的承载特性，为以后工程中根式沉井的优化设计提供了依据。 本文主要的研究内容为： ( 1 ) 首先采用自平衡测试技术，分别对淮河特大桥1 。桥外径为5 m 、深1 2 m ，外径为8 m 、深 2 6 m 的根式沉井以及马鞍山长江大桥外径为6 0 m 、深3 9 m 的根式沉井进行了压入根键前和压入根键 后的竖向承载性能测试，确定了根键压入前、后基础的竖向承载力，并研究了基础的分层摩阻力和 端阻力的分布规律。 ( 2 ) 研究了根键对竖向承载力的作用效果，以及在竖向荷载作用下，根键的受力分布形式。 ( 3 ) 研究了普通沉井和根式沉井竖向极限承载力的计算公式及其破坏形式。 ( 4 ) 采用岩土工程数值分析软件f l a c 3 d 分别对淮河特大桥l 。桥8 m 外径普通沉井和根式沉井 进行了数值模拟。 ( 5 ) 利用输入相关参数，用f l a c 3 d 模拟了土层分别为黏土和砂土时，压入根键前、后根式沉 井的竖向承载特性。 第二章工程背景及根式沉井的施工工艺 2 1 工程背景 第二章根式沉井的施工工艺 传统的桥梁基础主要有大型沉井基础、地下连续墙基础、地下连续墙和钻孔灌注桩组合基础及 扩大基础。这些基础形式有其自身的优越性但也存在些许不足。大型沉井刚度大，整体性好，井壁 预制下沉过程中混凝土的质量有保证，但尺寸大，施工难，易产生不均匀沉降；地下连续墙体施工 难度大；钻孔灌注桩需要增加钻孔深度，不利于保证成孔质量和桩身稳定性。 因此，为满足大跨桥梁建设的需要，针对厚覆盖层的地质特点，安徽省高速公路总公司提出一 种全新的基础形式根式沉井。该基础利用仿生学原理，首先在预定位置制作并下沉带有预留孔 的沉井，然后通过预留孔顶推预制的混凝土构件( 根键) ，最后浇筑封壁混凝土使根键与沉井形成 一个整体，保证沉井与根键共同承受荷载，来满足结构承载力和变形的要求。 2 2 根式沉井施工工艺 根式沉井施工采用预制节段、分段安装的方法进行。施工前清除地表层植被，做好临时排水措 施，地面存在坡度时，应进行整平，换填土层材料时宜选用砂垫层，换填厚度根据压力扩散及持力 层地基承载力计算确定。根式沉井的施工流程如图2 i 示。 图2 1 根式沉井施工流程图 2 2 1 根式沉井施工的关键和难点 根式沉井施工前，对地基承载力要求、导向架受力、下沉系数进行详细的计算；为确保沉井能 准确下沉到位，在采用大刚度导向架定位的前提下，需要在下沉过程中对沉井连续观测，及时预防 并纠偏；现场地层地下水位丰富，在井壁预留孔位置如何有效地进行井壁防水，以及在根键顶推过 东南 学硕士学n 论z 程中不漏水；顶推根键过程中如何防止根键不水平而引起根键难压入的情况；压入根键后如何保证 根踺和沉井井壁形成整体，如何保证根键顶推的高效、高厦。本工程结合淮河特大桥1 4 桥和屿鞍山 长汀大桥工程的现场试验研究，总结井固化了根式沉井施- 工艺，分析其技术关键，验证了根式沉 井施工工艺的可行性，为后续阿娄型根式沉井的施工提供经验。 2 2 2 沉井制作及下沉工艺 2 2 2 1 沉井的制作 首i # 沉井施工时挖除袁层土、分层回填粗砂压实井铺设枕木，枕木上用砂浆找平，砂浆洒水养 护后支内模板( 见图2 2 ) 绑扎钢筋，待钢筋绑扎完成后进行外模板支屯( 见罔2 3 ) ，备节沉井 的混凝土按实际方量进行浇筑控制混凝土坍落度控制和初凝时司，按规范要求分层浇筑振捣，各 节沉井施工缝处凿毛。 图2 2 首节沉井内模安装图2 3 首节沉井井模安装 2 2 2 2 沉井的下沉、对接 沉井下沉前，需要对下沉系数进行详细的计算。针对沉井在浇筑过程中不易稳定、部分节段在 f 沉过程中f 沉系数偏小等情况，根据现场条件，分别采用抓斗取土、空气幕、部分降排水、压配 重的施工工艺，保证沉井旌工顺利进行。 首节沉井下沉，利用导向架对下沉全过程进行导向，减少偏位和倾斜。沉井浇筑完成并达到9 0 强度后开始下沉施工，对称拆除沉井底部的垫术，并及时地回填粗砂，井内采用抓斗取土下沉，按 中间向刃脚的顺序均匀对称取土下沉时保持垂直，随时注意正位。下沉过程中，在沉井的东南西 北四个方向分别可吊铅锤，用于观测沉井偏斜情况，采取纠正措施不断地对偏差进行纠偏，最终定 位。接高时，可开启空气幕辅助下沉，当沉井下沉到高设计标高时，放慢下沉速度，以平稳下沉为 主，严格控制周边高差、位移做到有偏必纠。 沉井的施工按照立内模、绑扎钢筋、预埋根键外钢套及空气幕管道、立外模、混凝上浇筑的顺 序进行。沉井接高过程中，沉井刃脚悬空下沉系数较大时易出现不稳定的情况，可采取对刃脚回填 砂上的措施队满足稳定性要求。每孜沉井快下沉到位时，开启空气幕挤土下沉，使刃脚周围土体密 实，以增加沉井的整体稳定性。 沉井韵接尚应该符合：曲接高前应该尽量纠正倾斜，接高处的两节沉井的中轴线应该重舍；b 1 接高前不得将刃脚掏空避免沉井倾斜，接高加重应均匀、对称进行：c ) 混凝士的接缝应按公路 桥涵施工技术规范( j t j 0 4 1 2 0 0 0 ) 第十一章的有关规定处理。 沉井下沉到位后，用空压机接气管将沉井刃脚冲洗干净并使持力层趋于平坦，用封底导管进行 封混凝土浇筑。 2 2 2 3 封底施工 第= 章【程背景厦根北井的施i i 艺 沉井下沉至设计标高后，榆验基底的地质情况是否和设计相符，沉井底血应该半整尤浮泥t 清 除井壁隔墙和刃脚与封底混凝土接触面处的污泥如沉井到达设训位置后继续下沉应该进行沉降观 测满足设计要求后方可封底。 封底采用刚性导管法进行灌注封底混凝土时应该根据导管的作用半径厦封底面积来确定需 要的导管间隔和根数：用多根导管灌注时，应进行 5 计导菅的间隔和根数t 防止混凝土发生夹层， 灌注过程中导管应随着混凝土面升高而镣徐提升，导管埋深应该与导管内混凝上下落深度相适应。 时刻注意混凝，l = 的堆高和扩散，正确地调整坍落度和导管埋渫，待混凝土强度达到设计值后再抽水 凿除表面松动层。 2 2 3 根键的制作及顶推工艺 2 2 3 1 根键的制作 为提高混凝土构件质量，便于沉井的施工，根键集中预制。根键截面采用十宁形截面，沿长度 方向设置定坡度，保证顶进的顺利进行端部用钢套便于项进后的焊接。根键钢套和模板由钢结 构加工厂匹配加工，内外钢套固定在钢桁椠胎膜上，统一编号。根键的制作流程为根键底模安放 在枕木上井调平垫宴安装内钢套及钢刃脚安装钢筋笼焊接顶板安装根键外模 浇筑混凝土并振实吊装就位安装。 2 , 2 3 2 根键的顶推工艺 根键顶进采用自下而上的顺序进行，顶推装置主要包括3 6 0 。回旋可调顶进半台( 见图24 ) 、 5 i 慢速卷扬机、l o o t 防回缩大行程多级千斤顶( 见图2 6 ) 、3 0 0 t 太行程快速千斤项等( 见图2 7 ) 。 顶进施工平台由轨道承蕈粱、轨道( 见图2 5 ) 、顶进平台、钢支垫组成，其强度和刚度应满足根键 顶进的受力要求。 图2 4 根键3 6 0 。可调顶进半台图2 5 高强度耐磨滚轮 图2 6 l o o t 防回缩大行程多级千斤项 圈273 0 0 t 人行程快速千斤顶 j 、m 学学论i 根键顶进之前，应清理根键预留孔，安装橡胶l 冰胶带；将= i 支垫吊垒顶进、p 台，顶进平台整 体放置根键预留- f l e a 下05 m 庄右处便于根键就位：根键采用吊装央其吊至预留孔位置，顶推前将 根键、千斤顶、钢支垫调节髦条轴线h 控制角度偏差井用抄平尺和景角器配合检验( 见同2 8 ) 。 报键和平台之间采刷铡棒支整，咀减小在顶推过程中与平台的摩擦，利用水准尺来测量根键足吾水 平以及和预留孔是否在同一条直线上( 见图29 ) 。 。拇鳍震辫 图2 8 根键顶进曲位置训僚图2 9 根键顶进 顶进过柙中先采用行程太，顶进速度快的i o o t 防州缩人行裨多级干斤丁页顶进根键等截面部分， 再用3 0 0 t 大行程快速千斤顶将根键顶进垒指定位胃，婀刊t 行程下斤顶 l 台顶进，有效地提高，根键 顶进工效和止水效果。 根键顶进完成后进行沉， _ 内壁凿毛，再按设计要求安装钢筋阿片，浇筑混凝上使得根键和井壁 形成一个整体。 2 3 根式沉井基础防水、根键止水工艺 根式沉井防水、l e 水分为6 步设置，依次为井壁防水橡胶i l 冰带i l 冰挤密式构造止 水快迷顶进朱瑞快凝止水内衬水久j l 水，通过采取多道l p 水措旌，确保根键在顶推前 不漏水、顶进过程中安全、顶进完成后完全止水的目的。 井壁预留孔位置根据地下水位展大压强讣算挡水板的应力，挡水板在根键顶进过程中还必须 破碎。经过现场反复试骀，最终确定采用高密度乙烯板( 见同21 0 ) ，其强度、刚度、韧性、耐腐 蚀性、摩捧系数等特性均满足施工要求，即既能满足沉井下沉时抵抗高水监的要求，义能满足根键 在项进时破碎而离散。挡水板在沉井浇筑之前、钢筋安装过程中通过螺栓固定在外钢套上，挡水扳 间隙用透明的胶带封好，安装时确保其与外膜之间青几厘米距离，使批水板外侧有一定的混凝土层 隔水。 井壁上根键预留孔布置环状橡胶止水带填充预留孔和根键之问的间隙，达到止水效果。橡胶止 水带形状和硬度均通过试验研究后确定，考虑安装方便、止水良好、易于压缩、根键顶进过程中不 被根键带走等功能要求。橡胶止水带安装在井壁中部，并在钢外套安装时同步安装到位。根键内外 钢套匹配制作，前后蹬置坡度，随着根键的项进，根键、外钢宴、j = 水橡胶之间越来越紧密，利用 挤密式构造达到止水效果。根键顶到位置后，须将内外铡套焊接成整体，咀利于止水和受力。 第一章i 程背景厦根式沉井的施t 艺 氍瓣 图2 1 0 外钢套沉井外侧挡水板阿2 1 i 根键顶进后止水效果 当根键顶破高密度聚乙烯挡水板后，利用防回缩大行程多级千斤顶顶进根键，这样利于减小水 压小平衡时间，提高项进效率的同时保证防水效果。当根键到位以后，焊接内外钢套，舫i r 被动土 压力下根键的回缩，并在末端预留槽内涂快凝防水材料彻底止水。 待上述步骤完成后，根键的末端钢板上焊接钢筋网片，分节段浇筑混凝土内村将根键和井壁 连成整体井永久止水，周21 1 显示根式沉井根键施工后未发现漏水。 通过根式沉井现场试验的研究，根式沉井施工工艺需进一步优化，保证工程质量。 沉井方面：酋节沉井必须精确定位，有利沉井下沉到位后的精度控制；在前几节制作过程中， 刃脚必须回填土，防止因不均衡浇筑而倾斜；浇筑混凝土时对外钢套位置加强振捣：分节浇筑过程 中，注意观测，保证沉井的均匀下沉：沉井顶部预埋齿形钢板或型铡，增加沉井和承台的连接力。 下沉过程中导架的刚崖直接影响了下沉的垂直度，沉井刃脚内侧布设空气幕管道，下沉时遇到地下 水情况时，利于通过吹气清除刃脚砂土有效减少井端阻力，增大下沉系数。 根键方面：根键内外钢套及模板满足规范要求，预制过程中耍使内钢套安装时中心线与钢筋笼 中一l s , 线一致；根键预制完成后，对混凝土有棱角处磨圆减少棱角在顶推过程中对止水橡胶的“切 割”效应；根键数量多时宜从下层往上层预制，注意编号，便于堆放和吊装：顶进时采用3 5 0 t 防回 缩大行程千斤顶顶进，有效地提高了根键顶进效率，也有利于顶进过程中止水。 2 4 根式沉井的挤扩作用 在根键顶推过程中，根键携带能量对四周的土体做功，迫使土颗粒移动。其对土体的作用可分 为两个阶段： 2 4 1 挤压阶段 在根键施工初期，土体以水平向位移为主，推动或挤密了前方的土颗粒。随着根键的顶进，十 颗粒逐渐向前和向四周运动。当根键顶进到设计位置时，其上下端的土体受到的挤压作用最强，挤 密效粜最好。在挤压应力作用下，j l 隙水压力上升，但是由于挤压应力大于孔隙水压力，有教应力 将迫使的土体产生塑性变形，这时原状土体结构被破坏。对于砂土，有效应力将迫使土体颗粒在移 动过程中颗粒重新组合，达到紧密状态，增大土体的密度和强度；对于黏性土，挤压应力大于土颗 粒之间的吸附力，土体的结构发生破坏，产生很大的孔隙水压力，但随着时间的延长，孔隙水压力 逐渐消散，其强度不断恢复，并高于原状上。 2 4 2 固结阶段 根键施工后土体中存在一定的孔隙水压力，土体在此压力下固结。对于砂土孔隙水压力消 散较快，在挤压过程中基本完成排水固结作用，砂土进一步密实；对于黏性土t 孔晾水压力消散需 要较长的时间，消散的过程中，颗粒间重新形成排列结构，上体的强度逐步恢复和提高a 东南大学硕士学位论文 在整个挤扩过程中，土体的位移量和运动方向是一种非常复杂的动态过程，是和挤压应力仉土 体的压缩模量最、泊松比v 等相关，其关系可用下式表达： 阍 a - - o ， 式中： 嗣地基土的刚度凝聚； 厶卜一土体的位移； m 挤压应力。 正是由于这种挤密效应，根键上下端的土体得到了挤密，土体的内摩擦角、凝聚力、压缩模量、 侧压系数均有所增加，压缩性减少，使得土体的力学性质都高于原状土。 2 5 本章小结 本章介绍了根式沉井在富水厚覆盖土层下沉井下沉、根键顶进、根键止水等施工工艺，验证了 根式沉井制作和下沉工艺的可操作性，为后续同类根式沉井的施工提供了经验。 第三章竖向承载力试验情况及结果分析 第三章竖向承载力试验情况及结果分析 3 1 竖向承载力试验的目的、依据及意义 根式沉井是一种新型基础，在荷载作用下，沉井的井身、根键及周围土体的受力机理( 包括荷 载传递，内力分布，沉井、根键荷载分担比及根式沉井破坏形式) 尚未完全研究清楚，需要依托现 场工程试验来研究荷载作用下的受力机理，分析基础的受力特性，为新型基础形式的广泛应用提供 前提条件，为工程设计提供参考意见。 本工程依据施工单位的施工工艺方案、 公路桥涵地基与基础设计规范、 公路桥涵施工技 术规范、桩承载力自平衡测试技术规程、建筑基桩检测技术规范等，对淮河特大桥1 4 桥 外径为5 m 、深1 2 m ，外径为8 m 、深2 6 m 的根式沉井马鞍山长江大桥外径6 0 m 、深3 9 m 的根式沉 井进行了压入根键前和压入根键后的竖向承载性能测试，并根据试验结果对根式沉井的受力机理进 行研究。 3 2 竖向静载荷试验概况 2 0 0 6 年1 1 月对安徽省淮河特大桥1 4 桥5 m 、8 m 直径的根式沉井进行压入根键前的竖向承载力 测试，2 0 0 6 年1 2 月对淮河特大桥1 4 桥8 m 直径根式沉井进行压入根键后的竖向承载力测试，2 0 0 7 年5 月对淮河特大桥1 4 桥5 m 直径根式沉井进行压入根键后的竖向承载力测试。2 0 0 7 年1 1 月笔者参 与了马鞍山长江大桥5 ”根式沉井压入根键前后的竖向静载荷试验。根据已有测试数据，笔者对根式 沉井的竖向承载特性进行了理论分析，其中淮河特大桥1 4 桥5 m 直径根式沉井压入根键前承载特性 已经进行详细分析 1 1 。 3 2 1 工程概况 安徽省阜阳至合肥高速公路淮河特大桥1 4 桥墩采用根式沉井，沉井高度为2 6 m ( 含2 5 m 厚承台) ， 主体采用外径为8 m 的空心钢筋混凝土圆沉井，壁厚o 8 m ，封壁厚0 4 m ，底部封底厚2 m ，上部封 顶即承台高2 5 m ，封头承台下设牛腿构造，井壁处布置11 层根键，每层间距l m ，层与层之间按照 梅花型交错布置，每层沿管壁环向均布8 根( 见图3 1 ) 。 t a ) 撮式沉井盘丽 图3 1 淮河特大桥1 4 桥8 m 直径根式沉井示意图( 单位：m m ) m 1 2 - - 东南大学硕士学位论文 同时，在该工程用根式沉井附近，另设一个纯试验研究用的小型根式沉井，该根式沉井高度为 1 2 m ，主体采用外径为5 m 的空心钢筋混凝土圆沉井，壁厚0 4 m ，底部封底厚l m ，井壁处布置1 0 层根键，每层间距1 m ，层与层之间按照梅花型交错布置，每层沿井壁环向均布6 根( 见图3 2 ) 。 c o ) 1 - l 嗣珈隔 2 i - 3 征玉三三三函8 口 l 型l一! 盟扛妒i - b o j ， 婴一一i j l _ 2 ( c ) 拯键洗蔼雕 。3 ( c ) 搬耕萄稠 ( 1 擐式沉片芷瘫( d ) 撤健半面圈( 0 ，3 嬲西田 图3 2 淮河特大桥1 “桥5 m 直径根式沉井示意图( 单位：衄) 马鞍山长江大桥南锚碇采用根式沉井，沉井采用空心钢筋混凝土圆管，设计埋深3 9 o r n ，外径 为6 0m ，壁厚0 8i 1 1 ，底部封底厚4 5 m ，上部封顶承台高3 o m ，封顶承台下设置牛腿构造。根式沉 井在沉井管壁处布置1 4 层根键，层间距为2 o m ，按照梅花型布置，每层沿管壁环向均布6 根，根 键长度3 6 m ，封壁厚0 4 r n 。如图3 3 所示。 嵌v 孬夺 ( t l 搌式既井立面 ( d ) 撮键乎萄暖 图3 3 马鞍山长江大桥6 m 直径根式沉井示意图( 单位：蚴) 1 3 第三章竖向承载力试验情况及结果分析 3 2 2 场地地质条件 淮河特大桥1 # 桥桥区属暖温带半湿润季风气候与北亚热带湿润季风气候过渡带，区内地层分区 属华北地层区，地貌单元为淮河冲积平原，具河谷、河漫滩及一级阶地微地貌，地势较平坦，地表 出露地层为第四系全新统、上更新统，其下伏基岩为上太古界霍邱群、上寒武统、下奥陶统、二叠 系、白垩系、下第三系。桥位区主要地层概况见表3 1 。 表3 1 淮河特大桥l 。桥位