（道路与铁道工程专业论文）铁路桥梁环形基础的理论分析及试验研究.pdf

j ! 皇奎望= 苎兰竖! 堂些堕兰 一一垒坐塑! l a b s n 谊c t r i i l gf o u n d 撕0 n ，w l l i c hj sc a l l e dd i a p h 姆1w a l l - l y p cf o u n d a t i 咖i nt 1 1 ew ( ) i _ l 畦j s an e wk i n d o ff o u n d a t j o nt h a td c v e l 0 p sq u j 嘲y ym t l es 【f l l c | i 】r a lf i c l d c 0 唧a r e d 州ms u i l l 【s h a n f o u n d a d o n ，d i 印h r 建伊nw a l i - t y p ef b 咖d a 咖h a s 吐1 ea 由a n t a g e ss u 曲a sb j g 一舀d 鲰h i 曲s 雌n g 由， f 亡w 鼯c a v a t i n gq u 卸t i l ya n dw j d es p eo f8 p p l i 衄t i 佣e 把e s p e d 枷弘t l l c 蜘do ff b u n d a t j o n s a p i 】l j e dj nt l l en o 曲w e s tl o e s s 陀百o i l ，b ym a l 【i n gt 】1 eb c s tu s co f 曲e1 0 c s st os 啪de r c c tw c u ， p e q 煳d i 删1 a i l y e x c a v a l ec o n v 曲j e n y 卸db e 0 i l e t o 州t u pc o n 髓n 】c t i 0 i l ，a 1 1 d m a k i | 1 9u s co f i t s s i d ew a l l ，s 伍甜o i lf b 瞄md e s j 鲫e l c s 0 ，“c a nr c d u c et 瞻0 0 n s l n | d j o nc o s te f 6 d e n u y i e c a u 啦血g 细n 幽t i 呻h a s b o ms u p e 打o r 帕曲a 血i 跚p r o f ，e n ，硼do v e ne c 0 帅o m j ce 订i j c f ，j t h a sb e a l 酣雠i 垤l ya 耐i c d 炯a d m t i l es t n 】c f u m la n dp u b l i c 响k s 矗e l d i i ls c v e m l a d c s 朋s ot l l en o 咖sf 研d e s i 印a n dc o n s i m c t i 帅h a v eb e c 】1e s l a b l j s h 司b u tt h ea 曲a ，t 血r i l l g f n d a t i 0 i is i l ii sp l a di nab e 舀n i l i l 呜s t 8 9 ei nr 托e 矗ty e a r s ，锄dt h ec o 丌s p 0 1 l d i n g 巾t h ef o r d c s 咖i sb l 卸k a tp 船e n t ，j t i s 酬c i 】l a t e d 删i n gt os u n ks h 啦f o 呻d a t i o na p p m 、a l d y b e 册u s et h ei c e l nd b o u tl h ed u gw c uf o u n d a t j o l la i l dt i n gd u gw e l lf o u n d a t i o ni t h en t h ef o r d e 魂斗o ft h ei a i w a y 州d g cj sn o n e t b et c x ti l l d j c a l ；。s i h a tt l l ec a l c l l l a t e dg i r e s sv a l u ct o 山e f o u n d a d o nj s 曲t 1 1 eb i gs i d ea n di st 1 1 eb j gd i c 佗n c ew i t ht h ea d l | a lv a l u e ，b e c a u s et h cn s m c i i o n e 廊c lt h a tm cv e n j c 出卸dh 莳i 加n t a l 翻c i 如mf b i c eo fs j d e lw a l l 0 i lr e s 椭j 旆1 9o nt l l ef 0 啪训a t i o n 煳石o na ：i l dt h ev 硎c a ld i s d l a c e m e n t0 ft l l es 仃i l d u r ei sn o l n s i d c 张di 玎s u n ks h a ar 州l d a 6 0 n s o ，i cw a s t e so f h eg n 曲e e 血gq u 卸蛞e s a s eo ft h eu n r c a s a b i cd e s j 印c b i l s e q u e n 咐i i 拓 i m p o n a 丌tt 0p u s h 出el d n do ff d u n 幽d o nt oa p p l ya n dd 计e 1 叩w i m i nt h e 仃翻印。一a t i o n e n 咖e e 血g j i ic h 矗i ab y s 协d y i i l g t h e 咖妯g 娜a c i t y0 f 1 1 】ed u g w e nr ) u n d a t 油锄d 咖荜d u g w e f o d a 硒n t h 呈st e mc a r r i e so nam o 咒t h o 甜u 曲r e s e a 托ho nd u gw e nf 咖n d a d o na n dd n gd u w e u d u n d 蚵o nt e s p c d j v c l yt 肿u 曲t h el h 刚c a l 粕d y s i s ，n u m 鲥曲lc a l c u l a f i o na n dt l l es p 。t oo d e i e x p e 曲e i 惦w i 也也e b 斌鲫u n do f 曲耐喇 咄e a 量d 燃o f 骶b 蛔0 z h o 州。i 烈【w a y 锄l s 咖c 曲ni nl ：l l e 一0 n h w 鹋t0 f ( a n e1 l i a 缸a 蹄e 6 f t l l e 咖d y 呲e x p 0 i l n d e dt o 岫 f 0 1 1 0 w 讯薛 a ne x p e 幽e n to f1 ：2 鼬m o d e l sh a sb e e n 币e ；d0 ni nt h ei o e s s 碍西叩d u gw c l i f o 呻d 蚵埘l 锄dr 如g d u g w 芒；l l 如嘶d 甜随j s m 醐证蝴：町e d 诧s p e 酣v 专吼a n d c o n 对e t e i s p 咖r c da 盘盯 c x c a v a 曲g m o i d 如g o n 印0 t a t c s t o f t i l e t w o 如u n i l a t i 0 t 1 s 谤m a d e 叫t h e 唧a y o f 删i n go n t i l e v e m ：a 1a n d 妊h o i i z o n t a ll o a d 蛐d 她时n g 抽e 西印妣矾我n dt h ed c 蠡叫血商o n0 ft h e f o u n d a d o 璐a n d t h e 刚畔s s u r ed 洲b u 曲go fm e 诫w 枷羽山eb a s c n 瑚t ，a n d t l l e6 e l d m c 龉u f e m 哪td a 妇i sg a i l l e dw b d i 胡b r e d 扬鼬h 柚d 吲t 盯；o f 吖d l u 妇gm e 锄t 卯”g 明p a d y m 北京交通大学博一：学位论文 a b s l r a c i o ft l l ei j n gd u gw e hf o u n d a t i o n m e c h a l l i c a lm o d e l so ft h ed u gw e l lf 叫n d 撕锄卸d 血gd u gw e uf b 岫d a t i o n - s o 订i n t e r a c t i n g f i l i l c t i 咖a r eb m i l g l l lf b n a r db yu s i n gm e c h 卸j c a lp 咖c i p l e t h cc a l c u l 州0 nf o 硼u l ao ft 1 1 ed u g w e uf o u n d a t i o nd e f o 瑚撕0 na i l dt h es t r e s sd i s t r i b u 6 0 ni sd e d u d e db ye s 协b i i s h i l l gab a l a n c e d d i 船r e n 糊e q u a t i o nb yo o n s i d 响gt i l e 雠妇f 0 忧e 0 ft 1 1 ef o u n 血l i o n ss i d cw a l ls o i l ，w h 汕卸s u p t h eb l a i l ko f t l l e f i d da i l dc a i lb e u s e d m t l l c d 商印w o r kd i i e d l y _ a 矗l l i t ee l 帅e n tc a l c i l l a 6 0 n s o 脚a i es u c ha sa n s y si sa p p l j c dt oe s 洲s 1 1d u gw e l l6 n d 鲥o 锄di i n gd u gw e l l 旬i l i l d a t i o n 一s o ni 呦c t i n gf 呻d i o n 删y s i sm o d d ，锄dt oc a r r y 彻n 啪e r i c a l 粕a l y s i s 锄1 l l es p o t e x p e i i i i l 切t a lr e s u l t s a m dj ti sc a l c l l l a 地d 粕da i l a l y z c dt l l a tt l l em 钯h 锄i c sr 印s c m a l j o no fm e 血g “g w d lf o 咖d a t i o n 邶d c rm e 卿l d i t i 0 1 lo f d i 仃e r c n td i a n l e 吼d i 自f e r e mr i 西d i t yo f t l l es o i lc o r e 锄dd i 疵f 舶tf 0 1 m l 扭i o n ，ss u p p o 晌培s ，t l l a l l 打n p o n 铘l t 咖d l i s i o ni so 眦n e d 脚c a t i o ni sc a m e d 锄t h ev a l i d i t yo f n l cc a l a l l a i j o nf o n n u l ad c d u c e di j lt h et e x t ，b yt h e w a y o fa d o p t m gd i 您：r _ e l l tc a a t i 0 i lt 1 1 e o r yt oa l l a l y z et h ef i r s tc l l g i n e e r i n gw o r ko ft l l e 豫i l w a y 嘶d g e ，s 堍d u g w e nf o u n d 撕0 ni l lo l i | 1 a t h em a i l lr c s ea i l c h0 0 n d u s i s0 f t h et e x ta r ee x 咖d e da st l l ef o u a w i i l g ： t l l e h 妇吼c a i t y i n g c a p a d t yo f m e 血gd u g w e f o u n d a t i o n i s 廿1 e s a r n ea s t l l ec 0 伽o n d u gw d lf o u n d a t i o no f 也es 棚e 出e ，c s p e c i a l l yi l l t i l e b e 咖i l i i l go fd e f o r m a t i o ns t a g c r 1 1 l e c a r r y i i l ga l p a c i t yo f 伍e 咖gd u g w e f o m l d a t i o ni s1 0p t 猢t s h j g h e rt h a l lt i l ec c 唾砌o n0 n e ；t h e v e n i c a lc a p a d t yo f t l l e 咖g d u g 、v e f o u n d a t i 叫i s 笛m u c ha s 缅e 8 6 删t o f t h e m m o n d u g 、w mf 叭m d a 廿o no f t i l es 锄es i z e ，w h i c l li sa 蛳e 锄a 1 1 c rt h a nt h ec ( m 椰o no n e a n dl h ef h n d i o n o f m eu p p e r 岫e rs o i lc 0 陀i s l j t l l e ，锄d l l e v e mc a ：i f o f c e i sa s m u c h 硒也e 4 p e r c 咖临o f w h a t i t i s i nt l l eb a s e m e n t c c m s e q u e n y ac o n d u o nc a i lb ee d u c b dt l l a tt l l ec a l l 呵i 1 1 9c a p a c i t yo ft 1 1 er i n g d u gw e uf o u n d 鲥咖i sl a w e rt h 锄t 1 1 a l0 ft l l ed u gw e f o 岫d a d o n 妯t h el o e s sr c 西帆1 1 l er e s e 删1 f e s u nj ss o m ed i 瓜勰嗽b c t w c c nj 叩趾a 壬l da 函a ，w l l i c hi sf e s u j t e d 曲m 吐l e 印a td j 妇f e r e l 妣o n t i l e q u a m y o f s 0 i l 柱獬m e 如啊d a ：t i 衄s t 锄d s 锄d 0 0 n s t r u c i i 0 1 i l m e t h 州o f t h e 咖c t u 溉 t h e c a i r y i i l g 嗣p a c i t yo f t l l e 她d l 唔w e u 如n 出畸蛳i se n h 柚d w h e n 诋s 甜0 0 f ed j a i l l e t e r i r l c r 髓s e s w h e n 拙l ed i 锄e t e ri i l c r e a s c st of o i l r f 0 韬，t l l ev 硎c a ld i s p l a o 啪朗t 卸dm ec a r r y i i l g c a p a c j t y i sn l cs 嘲ea s t l l a t o f m e d u g w 枷蛔n d 撕皿ev a f i 哪e 黝0 f s o i l r e l ! i 百曲yc a i l n o t b e n e g l c c t e d b e u 冁l h e p e f i p h e f a l b 龋娜n ts 仃e 蟠a i l d t h cb a r 0 0 fd i s p l a n 朋to f t h er i n g d u gw e nf o u n d a t i o n 协c r e a s e a n dd 。c 转a a l 。c 0 埘i n g ，t 0t l l ed 嘲| s c 卸de l l h 柚c e l i l e mo ft l l es o i l c o r ce l a 蚶cr a 的t h e ，e l a s t i c 喇i 0o f l l l es u p p 咖s 仃a n 曲o f t h cf o 岫d a t i o ni n s c s ，t i l e d i s p l a o 咖e n t 卸d 璋s 衄髑o ft l l ed u gw c uf 0 1 m 捌0 l li sc l o s e1 0t l l a to f 廿l er i n gd u gw e l l f o i l l l d 撕帆r a p i d l y - 1 1 l e r e f o r c ，t l l e 血塔d u gw e u 胁哪d a t i o ni s 血t o l ef o 呻d a 曲no fb e t t c r 北京交通人学博l 学位论文 a b s a c t s u p p o n i i l gs t m n j m ，b e c a u s et h ed i s p l a 嘲1 e n ta n ds l r e s sa p p m a c h m e nt h ea l l o w a b l ec a f r y i n g c a p a c i t y o f m e b a s e m e n t s o i l 曲c r e a s e s t o d 唧p l e e x p e r i m c n ti n d i c a t e ：u n d e rt h ef l l n n i 咖o fl h eo 肌姗t c rv e n i c a lh d ，t h ed i s 油u t i l l gs h a p e o ft 1 1 eb o n o m 鲥jc o m p i e ! 两o ns 仃c s sb 啪e 舶m s t i a j 曲i l i l l e 幻s h a p co fs a d d l e ，w i t l l 伽tt e n s 丑e s 骶s s w h e m e rt l l em a ) 【i n l 啪p r e s s j o ns 仃e s s0 ft l l eb o 湘ms o i lr e a c h e s1 0i h ep e 面s s i b l e v a l u ei st 1 1 ec o n d 咖t 甜0 n 1 1 1 eu p p e rs i d cw a l l sl c v e ls 0 订p r e s s u r ed i s t d b u t c 五泔m b l a u n d e r t h eh 面z o n t a ll o a df i l n d i 彻，t l l es t r c s so ft l l e 砌咖s o nm a i l l l yt h et e l l s i l es t f c s s ，w h i c hk c c pt h e s 喇曲tl i i l ed j s 喇b u t ea si l l el o a d 刚a r g t 粕e n t a 1 1 dt i l em a ) ( 打n 啪t 饥s i l es 仃e s si st h el o n l c d t e r i o n 皿eu p p c rs i d ew a l l sl e v ds o np r e s s w 弓i s 删锄印l a rd i s 砸b u t i o n p dm ev e r t i c a 】柚dh 0 i i z o n t a l 商t i c a ll o a d sc a r r _ yb e f o r c1 2s t a g e s ( e q u a lt ol h ed c s g nl o a d s s 组g ew i l i i it h ea c t i l a le n g 协e 嘶n 曲，t i 】i es 仰c t i l r c sl o a d d i s p l a c c m e n tc i | e sa st h es t a j g f tl i l l e f b 玎na p p e 弘w h i c he x p l a i l l sd 器t i cs o i l 曲e g i df o 唧d a t i o ni i l 缸a c t i n gt 1 1 e o f yc a l lr e f l e d 、吲lt o t 1 1 es t r e s ss i t u a t j 帆o ft i l ed u gw e l l 五汕n d a 6 帆a i l dt h c 血gd u gw d lf o u n d a t i o nu n d c rt 1 1 e 缸t 撕o n o fd e s i 印l o a d a l l dt h es u p p o s ep r 。c o n d i t i o n0 ft 1 1 et e x tr e d u c i | 1 9f o n n u l aj so nt l l eb a s eo ft h e a b o v et e s t0 0 西e l u s i o n ，t l l et 1 1 c o r y 柚a l y s i si sr e d u c e dp r 叩e f l y 锄di sw e h 石tt ot h ep r e c j s i o nl 汀t h e d e s i 印f u n h e 加o r e ，t h ec o n n o lp o i n ta 1 1 dt h e m a i l ld h 柚g e dr e g u l 碰t yo f t h em c o r yv a l u ea r 妇t h e n u m e r i c a lv a l u ei i lt h er e s e a r c hp l u d u c c i o ni st h es 帅ea st h ea c t u a lv a l u e ，a n dt h ef o 玎1 1 e rt w oi sa n t t l eh i 曲e rt h a l lt l l ea c t i l a l6 n e 1 ts h o w st h a tt h ct i e o f ym o d e l i nt h et e x tj s 啦灿a n dt h e c a l c u l 撕o na n da i l a l y s i sa r er e l i d b l ea 1 1 d 湖c v 曲a ts 疵 k e y w o r d s ：d u gw e h 如u n 出t i o n ，咖gd u gw e l lf o u n d 鲥彻，r a 妇w a yb r i d g e ，m e c h a n j c a i p i o p e n y ，n 啪商lc a l c u l a t i o n v 北京交通人学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 环形基础( 国内外也称之为：地下连续墙基础、地下连续壁基础等) 是目前国 外迅速发展起来的一种新型基础，它的主要形式是在地基土体内挖一条具有一定深度 的沟槽，放入钢筋骨架后灌注混凝土，形成地面以下的连续体结构，早期主要用于建 筑物的防水墙、地下室外墙及壁桩等。7 0 年代日本将连续墙基础应用于桥梁，在结 构形式、旌工方法和管理方法方面得到了很快发展，施工时将地下连续墙连接起来， 在平面上形成封闭的环状形式，里面的土体不挖出，上部有与其连接的刚性承台，形 状类似于沉井，故也称为地下连续墙沉井。由于这种基础不需要取出中间的土壤，比 普通沉井挖掘量小得多，节省了大量的工程材料，具有明显的经济效果。 日本在建立环形地下基础计算模型时一般采用两种形式”1 ：一是按刚性基础模 式，把基础作为刚体，基础周围地基用弹簧模拟，通过力的平衡来求解：二是采用弹 性地基梁模式，将基础当作地基上的有限长粱处理，地基的水平抗力考虑侧砥地基水 平抗力、地基水平方向剪力、基底地基抗力和地基剪切抗力。以上两种模式都认为基 础内侧土芯能够提供一定的刚度和摩擦力，因而环形挖井基础能获得比沉井基础更大 的承载力。 近些年来，我国也开始将环形地下基础陆续应用于桥梁基础。与传统的沉井基础 相比，由于环形地下基础有内外两个侧表面，受到更多的土体约束，应该具备更好的 承载力及稳定性能( 见图卜1 ) 。但是，这种基础内部土体是否如日本规范中假定的 那样，能够提供足够的竖向和水平承载能力? 这个结论对设计有较大的影响。出于这 方面的试验研究工作一直没有开展，从而影响了环形地下基础在我国桥梁工程的应用 实践。 上世纪9 0 年代，我国在修建宝鸡一中卫铁路时，考虑到该线位于西北黄土地区， 为了充分利用黄土壁立性好、垂直开挖方便、易于进行连续施工以及设计中可利用基 础侧壁土体摩擦力等特点，研究开发过挖井和环形挖井基础，以达到节省工程数量、 降低造价的目的。铁道部建设司专门立项( 铁建工科字9 0 0 2 号) 进行了工程试验研 究，探讨桥梁环形挖井基础合理的设计方法，以填补我国铁路桥梁设计规范的有关空 白。在宝中铁路建设首次应用了这种基础，并获得了成功。然而，由于上述试验工 作没有对这种基础的作用机理进行更加深入的研究，特别是没有开展数值理论分析和 北京交通大学博士学位论文 爿基础底面的有效面积。 2 ) 基础外侧表面地基土的极限摩阻力 q ，= 芝f 1 u z ( 1 2 ) 式中：g ，基础外侧表面地基土的极限摩阻力： 厶基础外侧第i 层地基土的极限摩阻力强度； u 基础外侧周长； 第i 层地基土的层厚。 3 ) 基础内侧土柱表面极限摩阻力 q ，z = 芝z ：u ：一3 ) 式中：q ，：基础内侧土：占表面极限摩阻力； “ 工：基础内侧土柱第i 层的极限摩阻力强度，其值与土芯的刚度有关，饭 岛启秀7 1 建议取五：。o ，棚存史郎俐建议取z ：= o 5 五，； u ：基础内侧周长； 卜第i 层地基土的层厚。 4 ) 基础容许承载能力 咒2 罢毋州 ( 1 - 4 ) 式中：民。基础的容许垂直承载力； e 安全系数； q 基础的极限承载力 q = q _ ，+ q ，。+ q ，：； 彬基础的有效重量； y 。爿排出土的有效重量。 5 北京交通大学博士学位论文 n b = nb 七w 。 式中：“基础底面垂直反力，：= 帆+ 彬 彬基础重量： 口基础底面与地基的摩擦角，取盯= 西，2 毋地基的内摩擦角： 爿基础底面的有效面积 c 1 基础底面与地基的粘聚力强度。 2 ) 容许水平承载力 式中：0 容许水平承载力： e 安全系数。 c 倾覆稳定性计算 图卜4 为倾覆稳定性计算模式。 l r l i _ u ll ：垒 “4 e 图卜4 倾覆稳定性计算图示 1 ) 极限抵抗力矩m 。的计算 m 。= 弓x + 只e + 只k g r u、 ( 16 ) ( 卜7 ) 7 固 目 生 一 i 第l 章绪论 卜6 ) ，该桥的7 号墩为气压沉箱基础，8 号墩为环形地下连续墒基础。此两桥墩施工 完成后，用钢缆进行了互拉试验，最大拉力为1 2 m n 。两墩所处的地质条件、平面尺 寸和入土深度都茇不多。试验结果表明，7 号墩最大水平位移鬣为1 7 9 m m ，残留位移 量为9 6 m m ，转角为8 书lo - 4 r a d 。8 号墩。述三项指标分掰为3 6 m m ，o 3 滩n ，2 书1 0 1 r 8 d 。 说蹭该轿采蹋的环形稳下连续墙基磷永平交位、转惫远磁替遥沉并，j 、。 一一一l l 曼土j 。 | 。 l 一上一1 r s 零 i 二：二夏霹 二j 三一 丽 一8 疆摄蔫黎壤7 号、8 鼍墩幂意图一 2 5 涟王方法 霞环形遗下逶续墙施工不髓设甏深护筒，因既在永下施工对就必须筑岛，细弼筑 岛沉并静德工方法。舅乡 ，l ；= l 于井籍静墙壁狭长，虽多有隔墙等复杂构造，致使抡稽 与灌注水下混凝蕤王终秃注一气霹藏，黉分单元按痔完戏。予是程宠挖与嚣挖鹃穗 与先灌注与嚣灌渡的墙之闽，不玟毒一令壤工蹶彦豹妥善安接勰题，还会窍一个接头 强度与构造阉题。 只本采用的备单元施工顺序安排的原则是：( a ) 先内偌外；( b ) 新开挖的单元要 远离刚灌注溉凝土的单元；( c ) 要尽快完成待灌注混凝土的空槽，尤其是接头。 1 3 圉内研究概况 我豳水利部门于5 0 年代后期曾农建筑领域使用了地下连续墙，近年来在基础工 程中广泛应用，般用于沿海软土地区的高层建筑的深基础，地铁和地下室外墙、防 渗墙及深基础防护等。广东省在1 9 9 5 年还专门编制了地下连续墒结构设计规范。 但是我闰在桥梁结构中使用环形地下连续墙基础还在起步阶段，很少直接用于承攮。 典型的例子有： 虎门大稀主跨8 8 8 m 悬索桥，西锚为熏力式镭，采用魄卞环形连续瑙圆形结 捣，壹经寿6 l m ，墙浮为8 0 e 蕊，平筠深度l 翻，嵌入菇纯密1 9 5 3 5 稚。 嚣1 章绪论 析等手段和方法，在这个领域内进行研究并取得突破性进展，最大程度地解决上述主 要问题。 1 4 本文的研究内容及方法 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 挖井及环形挖井基础受力行为的理论分析 ( 2 ) 挖井及环形挖井基础受力行为的有限元分析 ( 3 ) 挖井及环形挖井基础设计计算简化公式的建立 ( 4 ) 挖井及环形挖井基础现场模型荷载试验测试 ( 5 ) 挖井及环形挖井地下基础在黄土地区铁路桥梁工程中的应用 1 4 2 主要研究方法 ( 1 ) 对国内外相关的科研成果进行调研和分析； ( 2 ) 研究黄土特性及其对挖井和环形挖井基础受力的影响； ( 3 ) 进行现场模型荷载试验，研究基础变形的规律； ( 4 ) 研究基础基底和周边土压力、内外侧壁摩阻力的分布规律； ( 5 ) 采用理论分析和有限元计算，与试验结果进行对比，确定挖井及环形挖井基 础内力与变形的理论分祈方法。 5 本文主要研究成果 ( 1 ) 利用力学原理，提出了挖井基础与土相互作用的力学模型。建立了平衡微 分方程，推导出考虑基础侧壁土摩擦力时，挖井和环形挖井基础的变形、应力分布计 算公式。 ( 2 ) 在黄土地区进行1 ：2 比例模型试验，分别制作了挖井及环形挖井基础，进 行力学性能对比。现场施加偏心、中心竖直荷载和水平方向荷载并测试了两种基础的 侧壁、基底的土压力分布，并为评价环形挖井基础的承载力提供了直接依据。 ( 3 ) 应用有限元a n s y s 计算软件，建立挖井基础土共同作用分析模型，对 现场试验结果进行数值分析。对比分析结果表明：理论解、数值解和实测值的控制点 和主要变化趋势基本相同，前二者的数值均略高于实测值，表明本文提出的简化计算 公式正确并偏于安全，可以直接应用于结构计算和设计。 ( 4 ) 通过研究大量不同时代的黄土物理力学性质，收集有关土工试验数据并进 1 2 l 豪交避大学媾| ：学藏论文 行统计和分析，研究黄土的湿陷性等特性与挖井及环形挖井基础侧蹙摩阻力的关系与 机理。 ( ) 本文研究结浆袭骥，剥露现行铁隧耩粱惩莲中沉著基礁汁冀方法褥出的绝 著基懿赢部和鲷壁处应力德镶大，与实嚣绩溅有较大差黧，佼褥竣诗不舍理甭造成王 程上的浪费。 ( 6 ) 有限元和试验结果都证实：与相同外形尺寸的挖并基础相比，环形挖井基 础在水平荷载下的变形基本相同，而竖向承载能力相对稍小，约为前者的8 6 。说明 基稿海主蕊馋霓彭穗甚徽。 ( 7 ) 试验表明，在骚离和水平幅界蘅载前l 2 输段( 相当予实际工程中的澄计 荷载阶段) ，结构的荷载下沉曲线为直线状态，说明弹性土转0 性基础的泪互 作用联论能够较好地反映挖井及环形挖井基础在设计荷载作用下的受力情况。本之推 导的髓化公式假设前提藏魁然于这一结果，馊褥理论分析适当簿化势完全满足：p 壁设 谤匏赣发。 ( 8 ) 偏心竖向荷载作用下，基础底土的聪应力随荷载增大幽崽线分布变为马鞍 形曲线，不出现拉应力。设计时应以基础底最大压应力是否达到允许值为控制标准； 侧壁上部水平土压力为倒三：角分布。 ( g 求乎荣载终建下，蘩毒寰赢懿应力薅薅鼗增太基零爨簿纛线分套，鞋拉盔 力为主，斑以最大拉瘦力怒孬达到允许值为设计控制标准：铡鐾上都水平土压力为矩 形分布。 _ ( 1 0 ) 铁路工程实例分桥表明，采用本文掇出的简化公式进行计算，设计出昀挖 井及环形挖劳基础完全霹默满足工程的需要。 丝! 皇堡茎堇! ! 堑堕星二量主堑堡坌塑 一一一 第2 章挖井基础适应土层一黄土特性分析 本文所研究的试验及工程实践都是在西北地区黄土地基上进行的，因此有必要对 黄土地基的性质和特点进行论述和研究。 我国黄土的分布面积为6 3 5 3 万k m 2 ，约占全国陆地总面积的6 6 3 。主要分布 在北纬3 0 。4 8 。，东经7 5 。1 2 5 。之间，尤其在西起乌鞘岭，东到太行山，北起 长城，南抵秦岭的黄河中游地区，地袁几乎完全被黄土所覆盖连续分布面积达4 4 万k m 2 ，形成了地层连续、厚度大、而积广、蔚为壮观的黄。l 高原地貌景观，为世界 所罕见。 2 1 黄土的分布特征 2 1 1 黄土的特征 黄土是第四季干旱、半干旱气候条件下，陆相沉积的一种特殊土，一般具有以f 特征： ( 1 ) 基本色调是黄色，通常为黄褐、褐黄、灰黄或棕红等颜色； ( 2 ) 具有多孔性，有肉眼能看到的大孔隙，孔隙比一般为0 7 1 1 ，呈松散 结构状态，密度低； ( 3 ，质地均匀，颗粒成分以粉粒( 0 0 7 5 0 0 0 5 m ) 为主，约占5 0 7 5 ，几 乎没有大于o 2 5 m 叨的颗粒； ( 4 ) 碳酸钙含量多在1 0 3 0 之问，部分含有钙烦结核，并含有少量的溶盐和 易溶盐； ( 5 ) 具有柱状节理，垂直节理发育。赢立性强； ( 6 ) 天然状态下，含水率低，遇水易崩解，剥蚀： ( 7 ) 表层多具湿陷性，易产生潜蚀，形成陷穴。 一般认为风积成因的黄土不具层理，称为原生黄土。原生黄土经再次搬运而堆积， 具有层理，形成黄土质( 状) 土，称为次生黄土。典型黄土和黄土状土统称为“黄土 类土”，习惯上称为“黄土”。在铁路工程实践中，通常广义地将黄土及黄土状土按 塑性指数进行分类，塑性指数i p 1 0 时，称为砂质黄土i p l o 时，称为粘性黄 塑性指数进行分类，塑性指数i p 1 0 时，称为砂质黄土，i p l o 时，称为粘性黄 土。 北京交通人学博士学位论文 2 1 2 我国黄土的地层划分 中国黄土最早从下更新世开始堆积，并经历了整个第四纪，直到现在尚未结束。 黄土地层的划分，主要是针对黄河中游的黄土地层。 有关黄土地层的划分，由于目的、任务不同，划分的层次乃至重点也各不相同。 一般以工程为目的，与黄土的形成年代结合起来，将黄河中游的黄土地层划分为三大 组2 “： u ( 1 ) 老黄土，一般没有湿陷性，土0 母l i _ _ _ j o 警| | j 妻雾鏊蓦每! _ = = = i 薹 ；| 。f o 毫誊兰亏i 三三霍；| ；_ | | i 二i _ 童_ 曩。黉二| | | | 夏鬻每誊 。每至善? 薹| 0 哼黎鬓薷筵三一慧塞莹莹丽皇妻一号l i 童巍舞誊二。 j ! 鍪纠畔i ：警善互冀善妻芎雾薯，簿瑟夏萼萋薹参篓一尊嘉臻壁墨攀 羔冀囊i 一一纛罄坛鲤娃塑登。前瞳砉羹环形地蓐臻墙| ；薹j 卿例饕瑚噎瓣计算机辅助设计，日本在设计中的主要环节是总体稳定性计 算及位移量计算。 ( 1 ) 总体稳定性计算 总体稳定性计算按照极限地基反力法分别进行垂直承载能力、水平承载能力以及 倾覆稳定性计算，其计算方法如下： a 垂直承载力计算 1 ) 基础底面地基的极限承载能力 q p 目一爿 式中：q p 基础底面地基土的极限承载能力； 吼基土单位面积的极限承载能力 x 北京交通大学博士学位论文 岛。乓导型= 区( 1 2 )l 一“ 令卢=；堑=(12肛k。)1 一“ 故 ea=黟es ( 2 1 ) 卢值在理论上恒小于l，实际上黄土的实测常远大于e，而卢常大于1，因此式 (2一1)很难准确反映实际情况，土愈坚硬，差别愈大，只有在软土的条件下和e：才能接近。 本文在有限元理论计算时，采用了毛作为变形模量，根据基础实测变形反求；岛为2 5 g p a 。 222黄土的抗剪强度 黄土的特殊结构和物质组成，决定了其抗剪强度一较一般土复杂得多，其主要特 点是：、 ( 1 ) 不同年代的黄土抗剪强度不同。例如q 3 黄土高于q 黄土。 ( 2 ) 不同阶地的黄土抗剪强度不同。高阶地黄土( 年代久的) 的大于低阶地黄土( 年代新的)，特别是巾值更是明显，这主要是因为年代久的黄土因盐的胶结强度高 的缘故。(3)饱和黄土的抗剪强度比天然黄土有大幅度的降低。本文所进行的模型试验中，对场地土现场取样实验，其中，黄土的巾=177!o5。c21656kpa。23黄土湿陷性及其对桩和其它深基础的影响231湿陷惶黄土分类从工程建筑的角度或是从工程地质的角度，可将黄土分为两类(图21)，一类是不具有湿陷性的黄土，另一类是有湿陷性的黄土，这两种黄土的工程性质是不同的，本文所进行模型试验工程场地的黄土属于后者赍a。，；：+、肜反彩闶影畔夥彬髟黟a湿温混漫涅涩浸沮泣湟度求辰写及馇履庾戾屐a陷陪隆隋陌降略陆瞻阽隶；束是象樱琅泶戎衷a性牲惟住惶仕怪佳怔悭ix 第2 章挖井基础适应士层一黄土特性分析 黄土层。还有一层是新近堆积黄土层( q 1 ) ，这层土是近3 0 年来才被确认并划分为一 层的”“。 湿陷性黄土的最大特点，是在土体的自重压力或土的附加压力与自重压力共同 作用下，受水侵湿时将产生急剧而大量的附加下沉现象。由于各地区黄土形成的自然 环境和气候条件各异，即使同一时代的黄土，其湿陷性差别也甚大，某些黄土受水浸 湿后在自重的压力下即产生湿陷，称为自重湿陷性黄土；另一些黄土受水浸湿后只有 在自身重力和附加压力共同作用才产生湿陷，称为非自重湿陷性黄土。 ：鏊。二j 。1 一“+ 1 。 斗j 刚j 善二一 老f = 一一一一 一。 + l l 一 0 ： 一 ，。一 ：j 一一一 图2 1 黄土的工程性质分类 反映黄土湿陷变形特征的主要指标是湿陷系数。湿陷系数是指单位厚度土样在 土自重压力或附加压力共同作用受水浸瀑后所产生的湿陷量。前者称为自重湿陷系 数，用6 ：；表示；后者成为湿陷系数，用6 。表示。 2 3 2 新黄土的湿陷性特点 ( 1 ) 湿陷系数与竖向压力的关系 最大湿陷系数值的相应竖向应力的大小随黄土成因类型、形成地质年代以及埋藏 的深度不同而变化。在地表浅层的黄土，竖向压力不大时，便会产生较大的湿陷性； 深层黄土的最大湿陷性，产生于较大的竖向压力下。这个带有普遍性的湿陷性特点， 对于场地选择、工程评价、地基类型的确定与处理有重要的实际意义。 ( 2 ) 湿陷系数与深度的关系 各区黄土的湿陷系数均具有随深度增加而减小的规律“”。一般在地表和浅层渝 1 8 = i _ 1 地魁荆 * l 终， 生： 一 f 北京交通大学博士学位论文 陷性强烈，向深部湿陷性变弱，至一定深度湿陷性消失。由于地区不同，湿陷系数有 的呈中间深度增大( 如图2 2 ) ；有的地区湿陷性消失在2 m ，有的不足2 m 。大体可以 认为：分布在甘、陕等地的黄土，在5 7 m 以上的湿陷性强或较强，在此深度以下逐 渐由中等湿陷转为轻微湿陷，约在1 0 1 5 m 湿陷性消失。在山西、河南等地的黄土， 在6 8 m 以上为中等湿陷性，在此深度以下的多数转变为轻微湿陷，湿陷性的消失约 在8 l o m 左右。 本文所述的现场试验场地自重湿陷系数为o 0 1 8 o 0 3 6 。 由于铁路桥梁挖井基础的埋深一般都在8 1 0 m 以下，且无地下水，因此黄七湿 陷性下沉轻微并发生在上层，对基础的承载力的影响较小。 图2 2 湿陷系数隧深度的变化 ( 3 ) 湿陷系数与含水率的关系 黄士湿陷并不是达到浸泡饱和时才发生的，而是当浸水到一定程度便开始湿陷， 因此，土样的天然含水程度对湿陷值有显著的影响。试验表明土样的天然含水率硼最 终含水率之差值越大，则湿陷值越大；两者越接近，则湿陷值越小”。 2 3 3 湿陷性黄土对深基础产生的负摩阻力 ( 1 ) 负摩阻力的产生和发展 当桩和深基础位于自重湿陷性黄土地基中，在地基浸水发生湿陷时，地基土层的 沉降速率大于桩体的沉降速率，这时桩周土层对桩的侧表面就会产生向下作用的摩阻 力，使桩身产生负荷，即负