（水利工程专业论文）大圆筒码头结构与粘性土相互作用的研究.pdf

中文摘要 本文以沉入式大圆筒为研究对象，进行了大圆筒结构与粘性土相互 作用的室内模型试验，初步搞清了大圆筒结构在粘性土中的工作机理， 筒内、筒外土压力分布特性、大圆筒的抗倾性能、筒底地基反力分布及 结构变位情况等。 模型试验采用直径为l 。2 m 和1 6 m 的圆筒，与实际结构相比属于较 大的几何比尺。试验粘土的制备采用了真空固结，并按沉、埋两种方式 模拟了圆筒的沉放，并比较分析了其抗倾稳定性能。试验采用不同性质 的粘土共进行了四次粘土试验。 研究成果将为大圆筒结构设计计算方法的建立提供技术依据及有关 参数，并印证大圆筒结构的数值计算。 关键词：大圆筒结构抗倾稳定性 土压力分布粘土模型试验 a bs t r a c t i nt h i st h e s i s ，w er e s e a r c h e dt h es i n k i n g t y p el a r g e d i a m e t e r c y l i n d e r ， c a r r i e do u tt h em o d e lt e s to ft h ec y l i n d e ra n dt h ec l a y ，m a d ec l e a rt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es t r u c t u r ea n dt h es o i l ，t h ed i s t r i b u t i n go ft h es o i l p r e s s u r ei na n do u tt h ec y l i n d e r ，t h ea n t i c a p s i z i n gp r o p e r t y ，t h e d i s t r i b u t i n go ft h eb a s ep r e s s u r eu n d e rt h ec y l i n d e ra n d i t sd i s p l a c e m e n t p r o p e r t y t h ec y l i n d e rm o d e l sw e r e1 2 ma n d1 6 mi nd i a m e t e r ，t h e yh a dt h e l a r g eg e o m e t r i c a lr a t i o sc o m p a r e dw i t ht h ep r a c t i c a ls t r u c t u r e t h e p r e p a r a t i o no f t h ec l a yw a sc a r r i e do u tb yv a c u u m - c o n s o l i d a t i o nm e t h o d t h ec y l i n d e rm o d e l sw e r ei n s t a l l e di ns i n k i n ga n db u r y i n gm e t h o d ，t h e i r a n t i c a p s i z i n gp r o p e r t i e sh a db e e nc o m p a r e d w ec a r r i e do u t4m o d e l t e s t a l t o g e t h e ri nt w od i f f e r e n tt y p e so f c l a y t h er e s u l t so fr e s e a r c hw i l lg i v et h er e l e v a n tp a r a m e t e r sf o re s t a b l i s h i n g t h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o nm e t h o d ，a n dv e r i f y i n gt h en u m e r i c a lm e t h o d k e vw o r d s ： l a r g e d i a m e t e r c y l i n d e r a n t i c a p s i z i n gp r o p e r t y t h ec l a ym o d e lt e s tt h ed i s t r i b u t i n go ft h es o i lp r e s s u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文建本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基连盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的橱料。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。 学位论文侔菇签名：期灭 签字冗期：二矿厂年，月加r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解表鲞焘璺有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘璺可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段缣存、汇编以供查阅和借闽。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适滞本授权说明) 学位论文作者签名：李髯免导师签名微 ， 签字日期：b 哆年7 三月劢日 签字日期：少叶一年几月沙r 第章前言 第一章前离 。 孳l 砉 随着我厨国民经济的迅速发震及傲界经济一体化进程的加快，经由沿海港口的 进出口和转1 3 贸易保持较高的增长速度，按照这个趋势发展，不用多久我国港口压 船、压货和服港的情况又犍发生，尤茭是集装箱深水溶位和大型数货演位的紧张状 况更翻突密。因魏，深水枢纽港静建设褥莛一瑷夔婺手 务。禳攒交遂罄中长翔承运 交通发展规划拟定下世纪初叶深水泊位数达到】0 0 0 个，今后我阂深水泊位的建设需 求较大。目前我国老港区的岸线已摹本饱和，为适应船舶大型化的需要今后港区 凌彝多 海漾瘩区窝淤泥矮海寿、大泛犬潺入海蜀发溪，这些遣送要么拳潺渡大，要 么地基软弱。以前深水码头泊位的结构形式多为商桃和重力式沉箱结构，离桩码头 虽然初期建设投资少，倪其耐久性差，维修费用商。重力式码头对地基要求商，导 致工程投资大，且建设期长。因此髫翁惫露寻求一转麓工筠捷、造徐低、耐久橙妊 的新型深永码头结构。 大直径圆筒码头结构具有结构简单、受力条件好、施工工期短、造价低、耐久 憔好等优点。尤其是沉入式大圃筒结构，它适合予姆力层较浅鼠袭层较软的她质瞎 况，可将犬巍篱童接沆入鞔土串并这游力层。与泼箱重力式结构辐毙，壶予省去了 大开挖、抛石、夯实、憨平等工序，沉入式大圆筒绐构可降低造价2 0 芹右，在缺 乏砂石料的地区经济效蘸则更为明显。但由于对沉入式大圆筒结构的受力机醒、设 诗计冀方滋及藏工工艺簿没有进行避系统鼢研究，瓣照，箕王臻鞔理蠢寒完全攘清， 在设计参数选取上存在诸多问题，施工工艺也有待避一步开发，从而产牛了正程实 际需要与大圆筒结构设计理论和施工方法不成熟之间的矛盾，需要通过王 i f 论和试验 磅究来簿凌。 1 2 国内外研究概兕 1 2 1 国外沉入式大圆筒码头的应用实例 嚣入式大蚕篱熏予戆造码头戆第一令工疆实鲷是法国戆勒瓣弗尔港瓣冁聚摹 耶爱尔曼码头。该码头建予1 9 4 9 年，长3 0 8 m ，岸熬总高度为1 4 8 m ，爝直径9 o m 、 高1 6 2 l m 、壁厚为o 8 2 m 的大圆筒建成，埋深为6 l o m 。1 9 5 3q - 又在该溅用直 径l l l n 、平均高度2 2 m 、照厚0 9 2 m 的大圆篱建逡了长6 0 0 m 、商2 1 5 m 、蠼澡海4 孤的螽缓翰签翻国强这两痉码头静颧蕊图鲡强1 1 新示。1 9 6 2 年在法国豹敦刻 尔克港用赢径1 9 m 、高2 3 m 、壁厚为0 4 m 的大圆筒建造了一魔商为1 8 2 3 m 的装 弧中f 1 ；，。f 卸矿彳i 拍弼头，朋深为4 9 肼。教删尔兜港话彳矽5 灭斯厮矧蓟i 翻i - 2 所求。1 9 6 8 年 该池又川比托为2 1 4 3 m ，塑j t - 为l m 、岛为l i 2 l m j 大圆筒处池了一成ki8 4 m 的片壁式鹏头秘一应长5 0 7 m 、宽2 0 mf f j ，f ”7 型鹳头。另外妊川囊径为1 9 m ，妒j ， 为0 。6 m 筑丈强癸建逢了一篷一铡齑1 8 m ，菇一翻巍2 2 m 豹突缎妈头。 a ) 糖聚纂繇爱尔曼鹨哭谚热洛里运深痰码头 l 一壁内留张的钢筋涩凝土圆筒；2 一卸荷板：3 一翻滤棱体 图卜l 法国勒阿弗尔港两座大圆筒码头的结构断面图 1 一镄戆淡凝 ：鞠弱：2 一瀚臻；3 - 菇捉：4 扩l ；锺殇 i 靶i - 2 敷刎尔兜港 口4 i “码又懈i l 劬l | | 第争舸，f 脯力服从1 9 6 5 l ? ”甜i 泵川人圳饷水业j 矗头，如l ! 加选j 德汕j 丈验 1 们，：， 馅径5 5 m 、舟7 5 m ，丝 o | 2 m ，目! 深为2 m ，j l 断1 f 1 1 例蠡订1 冬li - 3 所，j ：。义如丸 依彼 ：j 渔港码头，j e 伯径6 5 m 、岛1 0 5 m 、世彤o 1 4 m ，妇! 深为2 m ，i 断l f i i 吲如俐 1 4 所示。 2 8 图卜3 里加达乌德湖实验性码头断面图 图卜4 - 克拉依彼得渔港码头断面图 在日本的神户，用直径1 6 m 、壁厚o 1 5 m 、总高为1 7 m 的两节圆筒建成防波 堤，沉入土中8 l o m ，其断面图如图1 5 所示。 h 卜5i i 小孙j i 啦的人恻的j ；j 波堤绀f ；：i l 乇i m f n 第一章前吉 1 2 2 大圆筒码头结构在我国的工程应用 这种结构目前在我国应用还很少，仅试建了几个沉入式大圆筒结构的码头 或试验段。1 9 9 0 年在天津港东突堤东护岸上沉放了三个筒径1 2 m 、高1 7 1 m 、壁 厚o 2 8 m 的大圆筒，其结构如图l 一6 所示。由于筒后回填速度过快，致使筒顶位 移达1 3 c m ，后经筒前抛石，筒后放慢回填速度，才使变形得到控制| l “。1 9 9 6 年 在广东番禺南沙联合码头中，采用2 6 对直径1 5 m 、壁厚0 2 8 m 、总高为2 5 2 6 m 的两节圆筒建成长4 0 0 m 的码头。圆筒共沉入2 1 2 3 m ，埋深为1 2 1 4 m ，其结构 如图7 所示。这是大圆筒结构设计、施工的一次大胆尝试，取得了一定的经验”。 o 型铲m # ， 0 图1 - 6 天津港东突堤东护岸大圆筒结构断面图 圉中尺寸标高除亍士明者外均以m 计 图1 - 7 广东番禺南砂联合码头结构断面图 第一章前言 1 2 3 大圆筒码头结构的研究状况 在试验研究方面，在二十世纪五十年代中期，法国工程师小组在勒阿弗尔港码 头薄壳沉井施工期间，完成了砂土中圆筒结构的垂直荷载试验。研究了不同内填料 密实度与薄壳垂直承载力的关系，确定了回填土接触摩擦力的值，并讨论了内部侧 压力的影响因素。前苏联曾于六十印代进行过一些模型试验，研究了薄壳与地幕土 和内填料相瓦作用，跟踪观测了薄壳州脚下的塑性区发展及薄壳沿地基土滑动面， 分析了结构系统的变形过程，对内填料侧压力、筒后土压力，筒后摩擦力进 丁了研究 。同期，还在里加进行了原型观测，量测了筒内外土匪力及结陶f ￥j 变型“。 我国从八十年代中期开始，结合工程对座床式圆筒结构进行了试验研究，分析 了筒内土压力，筒内填料参加抗倾的有效比，结构变位计算等。九十年代，天津大 学进行了一次粘土试验i2 0 l ，但采用的模型比尺较小( 模型内径仅为o 3 6 4 m ) ，难以 真实地反映出大圆筒结构与土的相互作用机理。 1 3 问题的提出 耳前在我国进行大圆筒码头设计时，大都凭设计人员的经验，还没有较成熟的 设计计算理论。目前的设计计算方法还具有一定的局限性，其关键是不少设计参数， 如筒内、外土压力分布规律，筒内土体对抗倾稳定的贡献方式及大小，地摹状况对 稳定性和破坏状态的影响等，均无法科学地确定。大圆筒码头结构设计计算中年要 存在以下问题： 1 1 筒内填料参加抗倾的重量比的确定 有底结构内的填料百分之百地参加结构的抗倾工作，而无底结构，简内土体只 能通过侧壁传递摩擦力及对筒壁压力的调整来抵抗倾覆力矩，由此而产牛的抵抗力 矩可折算为筒内土体的部分重量的等效抵抗力矩。这部分重量究竟有多大比例? 这 是个很难回答的问题。因为在圆筒的倾覆变形过程中，筒内土压力、筒内摩擦力、 筒底基地反力都将发生变化、重新分配并达到新的平衡。该重量比是个变数。天津 大学室内模型试验表明圆筒内的土体仅有3 6 4 5 参加抗倾工作，交通部四航局科 研所的室内模型试验所得参数也在这个范围。然而它与圆筒的直径、高度、筒内土 的性质等有直接关系，且在圆筒变位过程中是个变数，不能一概而论。筒内土参加 抗倾工作的重量比，目前还没有准确的计算方法，设计中只能根据试验结果取一个 3 0 到4 0 的经验值。这个数值往往与实际情况有很大的差异，甚至是不合王单的。 2 1 基底压力的确定 现行港工规范将座床式大圆筒结构视为重力式结构，因此计算摹底应力并验算 第幸前宣 抛石摹床和地摹的承载力，并控制摹底压力不出现负值。然而对于沉入式结构，后 趾为零是不是结构的临界倾覆状态呢? 回答是否定的。那么结构达到临界倾覆状态 时，摹底压力是如何分布的? 对于不同的地摹会有不同的结果。对于沉入式结构验 算地基承载力和结构稳定性时，必须确定该摹底压力的图形。 对于无底结构需要计算整体基底应力和局部基底应力。计算整体笨底应力时假 设筒内全部填料与圆筒成整体工作，这样就和有穗卦句样。局部摹底应力是指经圆 筒结构传到筒底土上的应力，试验1 4 1 表明此应力摹本上符合直线分布规律。因此这 两种摹底应力都可按偏心受压公式计算。关于抛石摹床的承载力已有一些试验研究 哪】。对于沉入式大圆筒结构，其持力层土体对筒底州脚的承载力类似于桩尖土，与 天然地基承载力不属同一概念，持力层的承载力有待深入研究。 3 ) 筒外土压力分布的确定 沉入式大圆筒结构的受力特点与座床式结构的丰要差异在于它除受筒内和简体 后的土压力外，还受筒体前的土压力作用。由于大圆筒为曲面，其土压力分布特征 与平面直立墙不同。从室内模型试验观测到的结构位移达不到产牛极限被动土压力 的条件，并且压力强度沿高度分布非常复杂。 4 ) 大圆筒的控制变位的确定 深埋式大圆筒结构设计中不是分析其抗滑和抗倾稳定性问题，而是要计算结构 的变位，并控制变位在容许范围内。值得注意的是，大圆筒的变位可分为两个阶段： 其一为施工期的变位，其二为使用期的变位，可将圆筒上部构件安装或浇筑作为两 阶段的分界点。对于深埋式结构，必须产牛一定的变位才会充分发挥土抗力而达到 稳定，因此第一阶段的变位可不作控制，而只限制第二阶段变位。 1 4 本文的主要工作 本文的研究，以沉入式大圆筒为研究对象，通过进行大圆筒与粘性土相瓦作用 的模型试验，研究大圆筒结构在粘性土中的工作机理，认清筒内、筒外土压力分布 特性、大圆筒的抗倾性能等，为设计计算方法的完善提供依据，为大圆筒结构的在 深水码头中的应用提供技术支持。 主要研究工作如下： 1 ) 筒内外土体对大圆筒抗倾稳定的作用 在维持圆筒结构抗倾稳定的过程中，筒前被动土压力、筒内土体的抗倾等效重 量矩、筒后摩擦力等因素起到重要作用，通过模型试验中实测的大圆筒所受的土压 力，分析研究筒前被动土压力、筒内土体及筒外摩擦力对大圆筒结构抗倾的作用。 6 第节前高 2 1 大圆筒筒壁内外及筒底所受的土压力 通过对大圆筒倾覆过程中筒内外各断面土压力强度的分布、筒底土压力强度的 分布以及各测点土压力强度变化过程的分析，总结大圆筒倾覆过程中土压力的分布 规律。 3 1 大圆筒的变位情况 通过对大圆筒倾覆过程中筒顶前后的垂直位移，筒项、筒底的水平位移的测量， 总结大圆筒倾覆过程中大圆筒变位的变化规律。 第一幸模趔试验 第二章模型试验 为了深入了解大圆筒与粘性士相可作用的机理，准确确定大圆筒结构在受外荷 载作用时筒内外、筒底所受的土压力以及大圆筒的变位惰况，为分析大圆筒结构的 抗倾性能和为其设计计算方法的完善可靠的依据，我们制作了一定比尺的大圆筒结 构模型，在圆筒中埋设压力传感器、位移传感器，在粘土中进行模拟现场情况的模 型试验，本次粘土试验共进行了四次，下面对模型试验的概况作简要的介绍。 2 。1 试验用土的选取与制备 2 1 1 试验用土的选取 试验用土的选取原则：由于大圆筒结构主要应用于沿海地区，因此，所选试验 土的丰要物理力学性质指标( 塑性指数，内聚力、内摩擦角等) 应在我国沿海地区 的主要物理力学性质统计值范围内，最好接近统计值的平均值。 我国沿海地区粘土的主要物理力学性质指标统计值如下【1 9 】： 粘土：i p = 2 0 2 7 ，w l = 3 3 3 8 ，w v = 1 8 2 4 粉质粘土：i p = 1 3 1 5 ，w l = 3 3 3 8 ，w v = 1 8 2 4 其中，i p 一塑性指数： w r 一液限含水量； w r 一塑限含水量。 通过对天津塘沽地区若干个取土地点土样物理力学性质指标的测定，最，l 舌选择 驴驹河粘土作为第l 、2 组试验用土，选择新城粉质粘土作为第3 、4 组试验用土。 2 1 2 试验用土的制备 试验用土的制备原则：所制备试验用土具有均质性：其丰要物理、力学指 标与大圆筒原型土的物理力学指标相接近。 试验采用不同的固结方法。其中试验l 、2 采用夯实、堆载预压固结，试验3 、 4 采用真空预压固结。 ( 1 ) 第1 、2 组试验用土的制备过程 第1 、2 组试验在3 “试验槽中依次进行，首先在试验槽中装入厚5 5 c m 经夯实 处理的中粗砂。将粘土凉晒风干，打碎过i e m 筛。分层填土，分层厚度5 1 0 c m ， 用水平尺刮平，用平板夯夯至设计标高，用喷头均匀加水，将试验土配制成含水量 3 0 左右的粘土。加水量的计算公式如下： m = ( i l u o ) ( 1 q o ) v r ( 2 1 ) 第审模型试验 其中，m 所需加水量； 1 ) 。预a d 制土的含水量； i 口一风干土含水量； v 风干土体积； p 一风干土天然容重。 土体配制到一定厚度( 约3 0 e r a ) 后，夯实两遍。配制达预定厚度后，进行压 载，固结一个月、土层力学性质指标达到要求后做试验。 ( 2 ) 第3 、4 组试验用土的制备过程 第3 、4 组试验分别在少、1 8 试验槽中进行。首先在试验槽内壁上做出等高线， 等高线间距5 c m 。池内四周铺塑料布，加5 5 c m 厚中粗砂垫层，垫层内安装底部水 平抽水管道。中粗砂顶铺一层土工布。 将粉质粘土凉晒风干，打碎过l c m 筛。分层填土，分层厚度5 1 0 c m 时，用 水平尺刮平，用平板夯夯至设计标高，用喷头均匀加水，将试验土配制成含水量3 5 左右的粉质粘土。 粘土层厚度达到1 o m 时，加项部砂垫层厚2 0c m 、插塑料排水扳( 间距1 0 m ) 、安装顶部水平抽水管道。将塑料布密封，其上加沉降盘，以观测土层的沉降量 。塑料布外加2 0 c m 厚湿粘土以加强塑料布的气密性。 在底部水平抽水管道中注水，使粘土层处于饱和状态。 024681 01 21 41 6 i 、 l i 图2 - 1 粘土层沉降固结曲线( 试验3 ) 0 2 681 01 21 41 61 82 0 仁姜 图2 - 2 粘土层沉降固结曲线( 试验4 ) 9 o m柚帅即 e)韪蟮 o m加删铀吣伯舳 ：5正墨器 第一市模掣试验 准备工作完成后，连接真空抽气设备，开始抽真空。膜内真空压力控制在一6 0 k p a 一8 0 k p a 范围内，其大小可由安装在池内的真空表和真空泵上的真空表显示。 用水准仪观测沉降盘的沉降量s ，并根据s t 曲线( 图2 1 、2 2 ) ，用下 面的方法计算粘土层的固结度： 在s t 曲线后部取t 卜t 2 、t 3 二点，使t 2 一t l _ t 3 一2 ，其对应的沉醉量分别为s l 、 s 2 、s 3 ，根据下面公式推算粘土层不同时期的固结度，则 u = i 一( m )( 2 2 ) 式中，u t 时刻平均固结度； a 、肛一待定参数； t 停载后天数。 经计算，抽真空1 5 天后2 “、l ”试验槽中的粘土层固结度均达到9 0 以上。 试验用土制备完成后主要物理力学性质指标如表1 所示。 2 2 试验设施与试验模型 2 2 1 试验设旌与设备 ( 1 ) 装卸土设备 试验l 、2 通过2 0 t 天车和卸土斗向筒内外填土，试验3 、4 通过5 t 天车和5 吨抓斗装卸土料。 ( 2 ) 试验槽 试验在试验槽内进行，第l 、2 组试验在3 “试验槽中进行，第3 、4 组试验分别 在2 。、1 4 试验槽中进行。1 4 、2 ”试验槽为钢筋砼结构，3 ”试验槽为砖砌结构。其规格 如下：l 。试验槽长7 7 m 、宽2 4 8 m 、高3 0 m ；2 4 试验槽长7 7 m 、宽3 6 m 、高3 0 m ；3 “试验槽长7 0 m 、宽3 6 5 m 、高3 t h n 。 试验槽的前端安装有水平加力设备。 ( 3 ) 加力设备 第l 、2 组试验通过千斤项、钢丝绳、水平横粱等对大圆筒施加水平挣力；第 3 、4 组试验用蜗轮蜗杆加力机对大圆筒施加水平拉力。蜗轮蜗杆式加力机由行星摆 线针轮减速机带动四组蜗轮蜗杆，每杆可加力l o 吨，移动速度2 m m m i n ，该加力 机加力均匀，易于操作。 第4 组试验中的筒后均布垂直荷载的加力设备由千斤顶，加力板组成，加力板 放于筒后回填土上，加力横梁连接在试验槽壁上，千斤顶放于加力板和加力横梁之 间，对筒后回填土施加垂直均布荷载。 蓦 隶 串 。 +阜+ ( 霉 一 _掣 掣 上 本尊薄舞瑶尊 g量寐撵本舞辔 舞喀 皑 坦蠼 茸 掣。 嚣 窭窭 窭g档 翅 丑 霎vl 喜 彘 正一 键x萎詈嘲l 囊v 罐 萎；l 餐 ii 簿隶ui 墨羹亳 茎霪占 蓄甏；堇 霉导跫 6dd 6 6 蓉羹一 露882簧譬 o o d 6。d o喜 型 掣强。 略剐霸h 剖 器手霉 ” 辱 品 鐾享g 一 孛 宕冥趟盎善 苫盛 葛 宣 篓篓羞 u d。d 晶趣甜。霉 丑嘲， 皤刮 孝鬓。 饰剖委鬓- 鬟磊_ 制驴 刊翻巾 簧一萋一誊n署寸罂幅碾 i _ n 噼 僻眯姆副箔峰裁瓣r刚霉州旺承帮 辞蟮贰蟛褂二_抵 第三章筒内外十体对犬圆筒抗倾稳定作用的研究 ( 4 ) 试验模型及传感器布置 试验模型为二个并列的无底圆筒，中间为测试筒，两边为边简用于克服槽壁阻 力以构成平面受力状态。 测试筒尺寸有两种，即直径1 6 m 测试筒和直径1 2 m 测试筒，其高度均为2 4m 。直径1 6 m 测试筒，内径1 5 m ，外径1 6 m ，壁厚0 0 5 m ，自重1 】8 k n ；直径】2 m 测试筒，内径1 ，l m ，外径1 2 m ，壁厚0 0 5 m ，自重9 9 6k n 。测试筒由钢板焊成， 为模拟混凝土粗糙度，筒内外采用环氧砂浆罩面。 测试筒的筒底、筒内、筒外分别布置土压力盒，如图2 - 3 所示。其中，在筒底 每隔3 0 0 布置一个土压力盒，共布1 2 个土压力盒。筒身只在0 。1 8 0 。范围内布置土 压力盒，每隔2 0 0 划分一个断面，共划分l o 个断面，在每个断面上的筒内、筒外由 下至上布置土压力盒并由小到大编号。编号时筒内测点以“”表示、筒外测点以“+ t 表示，例如，“1 - 1 ”代表1 断面筒内1 号测点( 筒内1 断面匿雨酽嘲0 点) 。 边筒尺寸为相应测试筒的一半，为半圆柱体形。边简上不安装测试传感器，边 筒外表面也用环氧砂浆罩面。测试筒及边筒上安装有宽约1 5 e m 、厚2 m m 的钢环套， 其在大圆筒上的位置可以上下调整，水平力通过钢环套均匀地施加于大圆筒上。 前半蕾 镄鞫_ 二淄 前半筒后半筒 i i - 5 ) 1 0 】 直径ih 大暖筒上正力矗布置田( 单位，_ o l 一 i ； 。 i 。 i ，2 。 t i 一5 m ) 6 1 0 ， 直径1 知大嚣膏土压力盘布置田 单位一 图2 - 3土压力盒布置图 丁jf_丑丑卦萧遘1q升才建 r_叶11引才斗卧升钟开11 第一带模掣试验 嘲2 - 4 2 试验2 简翻 3 巾叶”一。，纠r 十二”“ 疽篮铽竺：蛙瑷戮蝻 坚生4 巾组眇； 斗 罔2 - 1 一试骑4 简嘲 图2 - 4 各次试验简图 试验布置见各次试验简图( 图2 - 4 1 图2 - 4 4 ) 。试验l 4 均在槽底铺5 5 c m 厚 的密实中粗砂，以模拟砂土持力层地基，中粗砂容重7 为1 5 5 k n m 3 ，内摩擦角 d f 3 8 5 0 。 为量测圆筒变位，在筒前1 断面项部及中部、筒后1 0 断面顶部共安设了6 个 位移传感器，用以量测筒的水平位移、竖直位移和转角。位移传感器布置见试验简 图( 图2 - 4 1 图2 - 4 4 ) 。 加力设备位于筒前，距大圆筒约1 6 m ，加力设备通过托杆与三个筒相连。在 测试筒与加力设备之间。安装有b h r - 4 型荷重传感器，用以量测水平 奇力的大小。 水平加力点位于筒前，距筒项1 0 e m ，通过钢环套与大圆筒相连。 2 3 试验方法及测试仪器 ( 1 ) 试验仪器 土压力盒，位移计、荷重传感器通过导线与t d s 一6 0 1 数据采集仪相连，其数 值由数据采集仪自动记录和打印，经计算机处理后，可绘制各种试验曲线和图形， 便于处理试验数据。 ( 2 ) 试验方法和内容 共进行了四组大圆筒与粘土相互作用试验。各组试验工况介绍如下： 第一中模掣试验 第1 组试验用土为枯土，大圆筒直径为1 6 m 、高2 4 m ，测试筒及边筒筒内填满 粘土，筒后填枯土1 1 m ，筒前填中粗砂o 4 m 。待土体固结后，在筒顶分级施加水 平荷载。试验地点为3 。试验槽。 第2 组试验用土为粘土，大圆筒直径1 6 m 、高2 4 m ，测试筒及边筒筒内填满 粘土，筒前填中粗砂0 4 m ，筒后填粘土2 4 m ，并在筒后粘土上用堆载法分级施加 竖向均布荷载，最后一级均布荷载为q = 2 2 8 k p a 。待土体固结后，在筒顶分级施加水平 荷载。试验地点为3 。试验槽。 以上两组试验中，均先准备好筒底土，并作夯实处理。将二个空简均匀放下， 然后进行筒内逐级填土，待筒内填到预定高度后，再填筒外，直至达到预定位置。 填土及分级加载后均记录各测点的土压力值，并观测圆筒和筒外土体的变位情况。 第3 组试验用土为粉质粘土，大圆筒直径1 6 m 、高2 4 m ，测试筒及边筒筒内 填满粘土，筒前、筒后粉质粘土厚均为o 8 m 。在简顶分级施加水平荷载。试验地点 为2 “试验槽。 第4 组试验用土为粉质粘土，大圆筒直径1 2 m 、高2 4 m ，测试筒及边筒筒内 填满粘土，筒前粉质枯土厚0 8 m ，筒后填粉质粘土1 6 5 m ，并在筒后粉质粘土上用 竖向加力设备分5 级施加竖向均布荷载，最后一级均布荷载q = 5 2 5 k p a 。然后在筒 顶分级施加水平荷载。试蚴也点为1 馘验槽。 第3 、4 组试验，采用真空固结法制备土，先准备好中粗砂地摹，并夯实。然 后分层填土，土的含水量控制在3 5 左右。用塑料布包裹后进行抽真空固结。其中 第3 组试验采用埋入的方法安放圆筒。先开挖出孔洞，将二个空筒均匀放下，支撑 到中粗砂地基上，再在筒内逐级填土，待筒内填满后，再将筒外缝隙填满，直至达 到预定位置。而第4 组试验采用沉入的方法安放圆筒。先开挖出小于筒外径的孔洞， 将试验筒压入孔中，支撑到中粗砂地基上，再在筒内逐级填土，待筒内填满后，再 在筒外填土至预定标高。每次填土后均作夯实处理并静置几天。第3 组试验在筒顶 逐级施加水平荷载；第4 组试验，先在筒后土体上逐级施加垂直荷载，然后在筒顶 逐级施加水平荷载。分级填土及加载后均记录各测点的土压力值，并观测圆筒和简 外土体的变位情况，并据此分析大圆筒的工作状态和稳定机理。 第_ 三章筒内外七体对人圆筒抗倾稳定作用的研究 第三章筒内外土体对大圆筒抗倾稳定作用的研究 在维持圆筒结构稳定的过程中，简前被动土压力、筒内土体的抗倾等效重量矩、 筒后摩擦力等因素起到重要的作用，有关筒前被动土压力将在下一章中作详细讨论， 本章丰要讨论筒内土体及筒外摩擦力对抗倾的作用。 3 1 筒内土体对大圆筒抗倾稳定的作用方式 有底沉箱或圆筒内的填料可通过筒底和筒壁将自身重量百分之百地传递到结 构上参加抗倾工作。而对于无底圆筒，情况就相当复杂。筒内土体只能通过与侧壁 的相瓦作用来产牛抵抗力矩，维挣椭自镛定。在莉期翱驯确定筒内侧压力和摩擦力彭 布的方j 妨吠，j 州_ ，以捌噼鞍瞧遣矩的形声0 陷筒内士涔晰翘鲐椎用反映出爿乏，不失为种直 观盼方法。筒内土体在倾覆力矩作用下对筒壁的侧压力和摩擦力重分布，产牛的抵抗 力矩可折算为筒内土体的部分重量的“抗倾等效重量矩”，该重量矩与筒内土总重量 矩之比，可称为抗倾等效比，以f 表示。 当倾覆力矩为零时，筒内土压力和摩擦力沿筒的中心轴对称分布，此时摩擦力 的合力位于筒的中心轴上，筒内前后侧土压力的合力为零。此时的抗倾等效比可称 为静抗倾等效比以如表示。 当结构在倾覆力矩作用下发牛变位时，侧壁摩擦力的合力作用点后移，筒前后 土压力也会由对称转为非对称而产生抗倾力矩。当这种调整达到极限，即抗倾等效 比达到最大值。后不再增长，结构即进入临界倾覆状态。另外，当筒前被动土压 力达到极限或发生地基承载力破坏时，结构也会失稳。筒内摩擦力、土压力的调整 过程可参考图3 - 2 。 筒内土体的抗倾等效比与筒的形状、筒壁的粗糙度、筒内土性、筒底土性等因 素有关，且在结构变位直至破坏过程中是个变数。 3 2 粘土试验筒内外土体对大圆筒抗倾的作用分析 3 2 1 筒内土的静抗倾等效比 在直径1 6 m 的圆筒内填入不同高度的粘土，然后测量筒底压力值，并由此算 出静抗倾等效比。图3 1 绘出了圆筒在初始状态及受倾覆力矩作用时的受力分析不 意图。其中图3 1 ( a ) 为仅在筒内填土的初始状态；图3 - 1 ( b ) 为筒外填土后受倾覆力矩 作用时的状态。 第= 帝筒内外十体对人圆筒抗倾稳定作用的研究 l 儿 t = 0t ( a ) 初始状态b ) 受倾覆力矩作用时 图3 - 1 圆筒结构在初始状态及受倾覆力矩作用时的受力分析示意图 根据图3 - 1 ( a ) 竖直方向的力平衡可知： f c = n g o ( 3 - 1 ) 则： f o _ ( f r r ) ( w r ) = ( n g o ) w ( 3 - 2 ) 式中：如为静抗倾等效比； f 为筒内摩擦力合力； n 为作用在筒壳底部的基底反力的合力； w 为筒内土体总重； g o 为筒壳重量。 本次试验在将三个空筒均匀放下后进行筒内的逐级填土，并量测不同填高时的 筒底压力。根据( 3 2 ) 式及测得的筒底压力的数据，即可计算出静抗倾等效比。 将本次试验l 、2 、3 测得的1 6 m 筒筒内不同填土高度h 、不同h d 及根据( 3 - 2 ) 式求出的静抗倾等效比分别列于表3 1 、表3 - 2 、表3 - 3 中。试验4 的数据未列入 是由于圆筒采用了沉井式下沉方法，将筒下沉到中粗砂持力层上，在初始状态，筒 壁摩擦力支撑了筒重，因此无法分析静抗倾等效比，只能分析筒内外土体的j 壳f 唢| i 力 及其变化 表3 - 1 试验1 ，不同h d 静抗倾等效比试验值 h ，c m9 0 2 0 0 2 4 0 l l d 0 61 3 3 1 6 如， 一1 1 65 31 2 2 习 吲1 第三幸筒内外十体对人圆筒执倾稳定作用的研究 表3 2 试验2 ，不同h i d 静抗倾等效比试验值 h ，c mo1 0 02 4 0 1 1 doo 6 71 6 如， o5 22 4 9 表3 - 3 试验3 ，不同h d 静抗倾等效比试验值 h ，c m1 0 0 1 2 01 4 01 6 02 0 02 4 0 h d0 6 7 o 8o ，9 31 0 71 _ 3 31 6 如， 4 88 41 1 81 4 01 8 72 2 7 表3 2 和表3 3 中当简内填土至2 4 0 c m 时数据比较接近，而且与上节所述的砂 性土的试验结果比较接近。而试验1 的数据偏小，甚至出现负值，是由于筒内填土 时过渡夯实引起的。由于初次试验缺乏经验，在筒内分层填土时夯实过度，造成筒 底反力数据在填土后反而比放置空筒时小，造成如在填土初期出现负值，后期偏小 等。彳口这正说明了一个问题，即：不同的施工方法会有不同的静抗倾等效比，研究 抗倾等效比的变化过程及其所能达到的最大值矗。比研究南更为重要。另外，试 验1 粘土力学指标较差，也是其抗倾等效比偏小的原因之一。 3 2 2 筒外土体对抗倾的作用分析 本次试验当筒内填土到预定高度后，又在筒外进行填土、堆载，试验情况详见 第2 章。最后才在筒顶施加水平荷载，是为了得到试验圆筒的临界抗倾承载力。在 逐级加荷时，实测筒底、筒内外压力数据，据此分析圆筒筒内外土体对抗倾作用。 对试验圆筒的受力状态，即图3 - l ( b ) 中的a 点取矩，由力矩平衡得： ( f + g o ) 。r + e m f f + e p 。l p _ t 。l + n a + e 。+ l 。 ( 3 - 3 ) = ， f i r + mr ，d r l + n a g o r + e 。l a e p l p ( 3 - 4 ) 两边同除以( w r ) 得： f ，w + m r ( w r ) ：( t 。l + n a - g o r + e a 1 。一e p b y ( w r ) ( 3 - 5 ) 式中： f f 为筒内外摩擦力合力( k n ) ； w 为筒内土重( 1 烈) ； r 为筒半径( m ) ； n 为摹底反力合力。a 为n 到a 点的距离( m ) ； t 为筒顶拉力，l 为其到筒底面的距离( m ) ： e 。为主动土压力，l ，为其到筒底面的距离( m ) ： 第三幸筒内外十体对人圆筒抗倾稳定作用的研究 e p 为被动土压力，l p 为其到简底面的距离( m ) ； e m r 为简内土体及筒外摩擦力对圆筒产牛的附加抵抗力矩( k n m ) 。 m r 由二部分组成，其一为筒内土休对筒壁的摩擦力向筒后移所产牛的抵抗 力矩：其二为垂直筒壁的筒内土压力重分布产牛的抵抗力矩；茛二为简外土体对简 壁的摩擦力所产生的抵抗力矩。 在( 3 - 5 ) 式中，令： w = f i w ( 3 - 6 ) f = e m r ( w r l ( 3 - 7 ) 7 可称为参加抗倾工作的竖向力的筒内土体重量比。 7 可称为筒内外附加抗倾力矩的筒内土体重量矩折算比。 由( 3 - 5 ) 、( 3 - 6 ) 、( 3 - 7 ) 式可得： f = 7 7 + f 气t l + n a g o r + e a - l 。一e l , l p ) ( w r ) ( 3 - 8 ) f 可称抗倾综合折算比，它实质上代表着筒内土体的抗倾等效比f 与筒外摩擦 力对前趾点之矩的折算比0 【之和。根据( 3 - 5 ) ( 3 - 8 ) 式，按本次试验测得数据计 算出的7 ， ，f 随筒顶水平荷载的变化规律。并列于表3 4 表3 - 7 中。表中 骊_ 栏带峰”表示陶蔚窬0 压力为零比泰带一，表神膨早状态。 第= 帝筒内外十体对人圆筒抗倾稳定作用的研究 表3 - 4 目7 、f 、r 随筒顶水平荷载变化关系( 试验1 ) 竖向力折算 附加抵抗力矩 抗倾综合折算 比比 蠢 工况 折算比f 可i l0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 2 筒内填土o 1 m o 1 4 90 0 0 0o 1 2 8 3 筒内填土0 9 m 0 1 1 60 0 0 0o 1 3 2 4 筒内填土2 0 m 0 0 5 30 0 0 00 0 5 7 5 简内填土2 4 m o 1 1 40 0 0 0o 】1 4 6 筒内填土2 4 m o 1 2 2o o o oo 1 2 2 7 简后填土o 6 m o 1 3 00 0 0 00 1 4 2 8 筒后填土1 i m 0 1 5 6o o o oo 1 9 1 9 简前填砂0 4 m o 1 5 70 0 0 00 2 3 2 1 0 压载圊结 0 1 7 6o o o o0 2 6 3 1 1 重读 o 1 7 50 0 0 00 2 4 2 1 2 加载2 5 k n o 1 7 50 1 5 70 3 3 2 1 3 加载5 k n o 1 7 20 2 4 2o 4 1 4 1 4 加载6 5 k n o 1 6 6 0 2 8 90 4 5 5 1 5 加载8 k n o 1 6 00 3 4 l0 5 0 1 1 6加载1 0 k n o 1 4 7o 3 9 30 5 4 0 1 7 加载1 4 k n o 1 3 00 4 9 40 6 2 4 1 8 加载1 6 k n 0 1 2 90 5 3 30 6 6 2 1 9加载1 8 k n0 1 4 0 0 5 7 80 7 1 8 2 0加载2 0 k no 1 6 20 6 1 90 7 8 l 1 9 第= 节筒内外十体对人圆筒抗倾稳定作用的研究 竖向力折算比附加抵抗力矩 抗倾综合折算 比 菇 工况订 折算比7 l0 。0 0 00 0 0 00 0 0 0 2 内填土1 0 m 0 0 5 20 0 0 00 0 2 2 3 筒内填土2 4 m 0 2 4 90 0 0 0 0 2 4 9 4 筒后填土1 2 m 0 3 1 40 0 7 50 3 8 9 5 筒后填土2 4 m o 3 5 50 1 4 30 4 9 8 6筒前填砂0 4 m 0 3 6 90 1 4 90 5 1 8 7 筒后堆载4 k p a 0 3 6 7o 1 6 20 5 2 9 8重读 o 3 7 lo 2 1 50 5 8 6 9 筒后堆载8 k p a 0 3 6 90 2 3 50 6 0 4 1 0筒后堆载1 2 k p ao 3 6 l 0 2 7 00 6 3 4 1 l 筒后堆载1 6 8 k p a 0 3 5 90 3 3 40 6 9 3 1 2 筒后堆载2 2 8 k p a 0 3 9 6 0 3 8 8 0 7 8 4 1 3加载l k n 0 3 4 60 5 5 50 9 0 1 1 4加载2 k n0 3 7 80 5 7 90 9 5 6 1 5加载3 k n0 4 1 7 0 6 1 31 0 3 0 1 6加载4 k n0 4 2 90 6 3 01 0 5 9 1 7加载6 k n0 3 8 50 6 4 81 0 3 3 1 8加载8 k n 0 3 9 30 6 7 41 0 6 7 1 9 加载9 k n 0 3 9 20 6 6 41 ，0 5 6 2 0 加载1 0 k n 0 3 4 8 0 6 5 6 1 0 0 4 2 l 加载1 4 k n 0 3 7 7o 6 1 50 9 9 2 2 2 ，加载1 8 k n 0 2 9 20 7 3 31 0 2 5 第二带筒内外十体对人圆筒抗帧稳定作用的研究 竖向力折算比 附加抵抗力矩 抗倾综合折算 菇 工况 竹折算比7 比 l0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 2 筒内填土o 2 m 0 4 5 20 0 0 0 0 6 4 6 3 筒内填土0 4 mo 1 9 0 o o o o 0 2 7 5 4 筒内填土0 6 m0 0 7 7 0 0 0 0 o 1 2 5 5筒内填土0 8 m0 0 1 90 0 0 00 0 0 6 6筒内填土1 0 m0 0 4 8 o o o o 0 0 3 6 7 筒内填土1 2 m0 0 8 4 0 0 0 0 0 0 7 l 8 筒内填土1 4 m o 1 1 80 0 0 00 1 1 8 9 筒内填土1 6 m o 1 4 00 0 0 0o 1 3 8 1 0 筒内填土1 8 m o 1 6 30 0 0 0o 1 6 7 1 1 筒内填土2 0 m o 1 8 70 0 0 0 o 1 9 6 1 2 筒内填士2 2 m o 1 8 70 0 0 0 o 1 9 6 1 3 筒内填土2 4 m 0 2 2 70 0 0 00 2 4 0 1 4 筒外前0 2 m 0 1 3 70 0 0 0o 1 8 2 1 5 筒外前o 3 m 0 1 5 60 0 0 0o 1 9 8 1 6 筒外前0 4 m o 1 5 40 0 0 0o 1 9 9 1 7 简前后0 4 m o 1 3 20 0 0 0o 1 3 0 1 8 筒外前