（岩土工程专业论文）马鞍山大桥根式基础水平承载性能研究.pdf

摘要 马鞍山大桥根式基础水平承载性能研究 ( 硕士学位论文) 研究生：张添文指导教师：龚维明教授 东南人学土木： 程学院 摘要 根式基础是在沉井基础的侧壁上压入根键，形成类似于树根结构的一种基础，它通过沉井和根 键共同承受荷载，来满足荷载和变形的要求。 本文在马鞍l l l 长江大桥南锚碇基础的沉井和根式基础进行两次水平静载荷试验的基础上，采用 水平承载桩理论方法和数值计算方法，对该试验的沉井和根式基础的水平承载性能进行计算、比较 和分析，主要工作和结论如下： 两次水平静载试验，取地面处水平位移1 0 m m 所对应的荷载为水平承载力设计值，该地区根式 基础的水、p 承载力比同深度同直径的沉井的水平承载力提高约1 2 0 。 使h jm 法和n l 法对试验沉井( 外径6 m ) 进行计算和分析，并与现场实测数据对比：在地面处 水平位移小于1 0 m m 时，m 法和n l 法计算大直径桩( 沉井) 的工程设计参数均具有较高的参考价 值。 采用有限差分软件f l a c 3 d 对沉井和根式基础的水平试验进行数值模拟，并与现场实测结果进 行对比：f l a c 3 d 数值软件可以较好地模拟非线性大位移的水平试验。对比实测结果，进一步分析了 沉井和根式基础的水平承载性能：沉井和根式基础在水平荷载下对外侧土体的影响范围，根式基础 根键的水平抗力等。 根据上述三种方法的计算分析，得出了一些供施工和设计等参考的建议和结论。 关键词：沉井根式基础水平静载试验水平承载力m 法n l 法f l a c 3 d a b s t r a c t s t u d yo nt h eh o r i z o n t a lb e a r i n gp r o p e r t i e so f m a a n s h a nb r l d g e sr o o t s t a l kf o u n d a t i o n g r a d u a t es t u d e n t ：z h a n gt i a n w e n s u p e r v i s o r ：p r o f g o n gw e i m i 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 r o o t s t a l kf o u n d a t i o ni st op u s hp r e f a b r i c a t e dr o o t s t a l ki n t ot h es o i lt h r o u g ht h er e s e r v e dh o l ea f t e r c a i s s o ns u n kt ot h ed e s i g n e dl e v e l ，t h e nt h ec a i s s o na n dr o o t s t a l kw o r kt o g e t h e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s o fi o a da n dd e f o r m a t i o n b a s e do nt w oh o r i z o n t a ls t a t i ct e s t so nc a i s s o na n dr o o t s t a i kf o u n d a t i o no fm a a n s h a ny a n g t z er i v e r b r i d g e ss o u t ha n c h o r a g ef o u n d a t i o n ，t h ea u t h o rc a l c u l a t e s ，c o m p a r e sa n da n a l y z e st h et e s tr e s u l t sb y a d o p t i n gt h e o r e t i c a lm e t h o da n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d n er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： t h et e s t ss h o wt h a tt h eh o r i z o n t a lb e a r i n gc a p a c i t yo fr o o t s t a l kf o u n d a t i o ni sa b o u t12 0p e r c e n th i g h e r t h a nt h a to f c a i s s o n sw h e nt h el a t e r a ld i s p l a c e m e n to f m u dp l a n ei sl o m m c a i s s o nu n d e rl a t e r a ll o a di sa n a l y z e db ymm e t h o da n dn lm e t h o d c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so f t h e t e s t s ，t h ef o l l o w i n gr e s u l t sc a nb ec o n c l u d e d ：t h ep a r a m e t e r sc a l c u l a t e db yb o t hmm e t h o da n dn lm e t h o d i ne n g i n e e r i n gd e s i g na 他o f g r e a tr e f e r e n c ev a l u ew h e nt h el a t e r a ld i s p l a c e m e n to fm u d p l a n ei sl e s st h a n l o m m ， b yu s i n gf l a c 3 dp r o g r a mt oa n a l y z et h eb e h a v i o ro fc 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 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 , t h ea u t h o rf i n d so u tt h a tf l a c 3 dp r o g r a mi sa b l et os i m u l a t et h e b 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 e r a ll o a dw e l l a tl a s t w i t ht h eh e l po ff l a c 3 d p r o g r a m ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h es o i ld i s p l a c e m e n to u t s i d et h ec a i s s o na n dr o o t s t a l kf o u n d a t i o na n dt h e b e a r i n gp r o p e r t i e so f r o o t s t a l ku n d e rl a t e r a ll o a d a c c o r d i n gt ot h et e s t s ，c a l c u l a t i o na n da n a l y s i sa b o v e ，t h ea u t h o rm a k e ss o m es u g g e s t i o n sa n d c o n c l u s i o n sf o rc o n s t r u c t i o na n dd e s i g n k e yw o r d s ：c a i s s o n ；r o o t s t a l kf o u n d a t i o n ；h o r i z o n t a ls t a t i ct e s t ；h o r i z o n t a lb e a r i n gc a p a c i t y ；m m e t h o d ；n lm e t h o d ；f l a c 3 d l l 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。 研究生签名：主蓬越日 期：2 塑：! 兰：纠 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：主垄幺匕一导师签名： 第章绪论 第一章绪论 1 1 沉井和根式基础概述 把不同断面形状( 圆形、椭圆形、矩形、格形、多边形) 的井筒或箱体，按边持上边下沉的方 式使其沉入地下，即为沉井( 剖面示意图如图1 1 ) 或沉箱。也有人把沉，l ：称为开口沉箱，把沉箱称 为闭口沉箱。沉井具有刚度大、断面大、承载力高、抗渗能力强、耐久性好、适用十层范嗣j “、施 - t 深度人，施工给周罔地层中土体造成的位移小等优点；而移c 井施丁存在的问题是工序复杂、技术 含量商i 。 矿 l ； ； ； ； # 2 ： 毫 裂屡 徽 ；c 又盯 孽 ； 一 ：， l 兰竺 j 7 ， z 菇： i 笙 ； k7 筇 匿 擞缪 黝 图1 1 沉井示意图图1 2 根式基础示意图 沉井基础是以沉井法施i ：的地下结构物和深基础的一种型式。是先在地表制作成一个井筒状的 结构物( 沉井) ，然后在井身的嘲护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到 预定设计标离后，再进行封底，构筑内部结构。 在各类基础中，使用最多的足桩基础，其施工工艺相对成熟，施工周期相对较短。为了提高桩 的承载力，j t ：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 截而桩，这些变截面桩扩大了桩的比表而积( 桩的表面积与桩身体积之比) ，将荷载逐一分配到桩 身变截面处的上层| ：去，可大幅度提高桩的承载力。 综合沉井的刚度大、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基础庄，其剖面示意图如图1 2 ，并申请了 国家专利。它是在沉井井身上预留顶推孔，待沉井下沉到设计标高后通过预留孔在土层中顶推顶制 的根键，再固结根键和沉井而形成的一种特殊基础i 引。根键断面叮以为方形、矩形、十字彤等。由 于根键在顶入过程中对上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 部与上相互作用产牛端阻力，其侧面还可和土丰h 瓦作用产生侧摩阻力，简单地说根键可以调动基础 周围的十抗力。故根式基础可以提高竖向承载力和水平承载力，降低深度和造价。 1 2 本文研究的目的和意义 随着岩土工程技术的不断发展，各种肇础技术也日趋成熟。特别是随着计算机科学在工程巾的 广泛应用，使基础工程从设计、施工、剑管珲等都日趋数值化，基础技术更朝着信息化方向发展。 随着高层建筑、跨江大桥、跨海大桥等的兴建，对基础的载荷、变形等提出了更高的要求，因此， 各种皋础技术又而临着新的挑战。 基础工程随深度的增加，不确定因数增多，施工难度提高、造价提高、工期延长。社会在进步， 科学在发展，效益要提高，在市场经济条件下，工程质齄高、进度快、造价低的苛刻要求，迫使基 础技术人员向更好的基础技术迈进，没计出各种肜式的基础来提高基础承载力和满足变形的需要。 根式基础就是在此背景下由安徽省岛速公路总公司根式基础课题组提出。“马鞍山人桥锚碇新 技术研究根式锚碇基础”该课题是交通部和= ；c ：徽省交通厅联合攻关课题，已绛做了一些研究和 探讨，对根式基础的蝼向承载力试验和研究1 3j 【4 l 表明：与同地区同直径同深度的沉井相比，根式基础 的峪向承载力可大幅度提高。对呈刚性的根式基础的水平承载力试验和研究【5 l 表明：与同地区同直 径同深度的沉，f ：丰h 比，根式基础的水平承载力可大幅度提高。 本文研究的口的是在文献【4 】和【5 】等j 【作的基础上通过试验、理论计算和数值计算进一步分析和 研究沉井基础和根式基础的水平承载性能及其在外侧土层中的影响范围，并研究根键对水平承载力 注：文献1 5 】等称为根式沉井基础，本文称为根式基础，下文引文或图表等有称根式沉井基础的。所指一致。 i 东南犬学帧l ：学位论文 的作用效果，为今后根式基础的设计、应用提供依据。 1 3 国内外研究现状及存在问题 1 3 1 沉井研究现状 1 8 3 9 年，法国s a l o n e y 煤田首次使用沉井施t 法。沉井基础慢慢广泛应用于桥梁、烟囱、水塔的 基础：水泵房、地f 油库、水池呸井等深井构筑物和盾构或顶管的工作井。目前，不少沉井下沉深 度达到3 0 m ，j f 面尺、j 达到3 0 0 0 m 2 以上，有些特殊的用途的沉井深度可达i o o m 以上。1 9 6 6 年日本 竣上的h 铁有明3 号讧井沉井深达2 0 0 3 m 引。 国内从5 0 年代起，沉井的l ：程应用发展很快。特别是随着越江、跨海湾、海峡大桥的必建，沉 井基础广泛应用为深水基础，6 0 年代在南京长江大桥中发展了重型沉井、深水钢筋砼沉井和铡沉井： 芜湖长江大桥是困内采用板析结构建造的一座公路、铁路两片j 的桥梁，它的桥台制作也用沉井基础； 海u 世纪大桥两主塔基础了采用了沉井基础形式。在2 0 世纪末兴建的江阴长江大桥北锚沉井整体规 模位居“中国第一，世界第阴”，其形状为矩形多孔( 格) ，长6 9 m 、宽5 l m 制作高度及下沉深度均 为5 8 m ，内设纵横各元道隔墙，把沉井分隔成3 6 个仓，井身厚度为2 m ，隔墙厚度为i m ，由于临近长 江，地下水源丰富，到地下3 0 m 处，己无法排干井底的水，故改用高压水枪冲泥、真空吸泥的方法 对砂土以吸为主，对黏土以冲为卡，提高效率，到了最后l m 时，还采用空气幕方法帮助下沉，该 沉井总取土方2 0 6 万m 3 ，耗时2 0 个月。该沉井的顺利完工，标志着我国的沉井施上水平已达到国 际先进水平1 4 l 【7 l 【引。 1 3 2 变截面桩研究现状 变截面桩是在等截面桩基础上发展起来的，在桩基设计中，为了增加桩十接触面积和更大地发 挥备土层的承载潜力，在桩身的不同化置扩人其横截面，形成桩身截面沿深度变化的特型桩1 9 】。国 内外对变戗而桩的竖向承载力已经进行了大量的研究，对变截面桩的水平承载性状研究较少。 l 、锥形桩 锥形桩是一种外形呈倒锥形的桩，如图1 3 。水平截面可为圆形、三角形、四边形或五边形等。 它足前苏联于七十年代提出的一种新型预制砼桩笨，其对传统的预制桩进行了形状卜的改变，从而 获得了较好的技术和经济效果。前苏联科学工作者于乌克兰波尔塔瓦市施工现场做了大量不同桩型 锥形桩的试验，得出了锥角在6 0 0 1 3 0 之间的锥形桩效益最好，锥形桩单位体积的承载能力最高，当 地面下为不太厚的密实士层，特别是在下卧层为软土的情况下，采用锥形桩会达到相当好的经济效 果的结论i i o i 。国内上海：i ：程化学没计院张来建提出根据现代力学原理，利用倒锥体的斜面，把一部 分垂直向卜的力变为水平力，在锥体土层巾形成有利的三向受压应力状态，能充分利用硬壳层的力 学性能，比大然地基或者短桩地基显著减少了垂直向f 的单位面积衙载，从而提高承载力和减少沉 降量。倒锥形桩于1 9 9 9 年获困家专利，专利号9 8 2 2 4 4 4 2 。 图1 3 锥形桩示意图图1 4 爆扩桩示意图 2 、爆扩桩 爆扩桩包括桩柱和扩大头两部分，桩柱一。般是用钻机或人工挖孔成孔，孔底放入炸药然后在孔 内灌入适晕砼，通电引爆，这时孔底形成一个像人蒜头的空腔，爆后瞬间。桩孔内的砼落入扩大头 内，接着放置钢筋骨架，再浇灌砼柱体，这样即形成一个完整的爆扩桩柱基础i 垃l 。如图1 4 所示， 它与孔扩底桩的区别在于扩底办式不同【1 1 。 我围在2 0 世纪6 0 7 0 年代开始使用爆扩桩基础，爆扩桩基在1 9 6 2 年由建工部六局在冻土地区 试用，对解决冻十基础施工，取得了卓越成效。北京于1 9 6 4 年冬开始进行了一系列的试验，以期为 设计和施i ：提供町靠数据，促进这项新技术的发展，黑龙江林甸县自1 9 6 5 年以来在桥梁等建筑基础 2 第章绪论 上采用爆扩桩基础，从1 9 8 6 年开始到1 9 9 6 年，黑龙江三江垦区前进农场共有4 座桥梁，2 座水闸， l 座水电站采用爆扩桩基础，爆扩桩还常用于有抗拔要求的地下建( 构) 筑物中，上海市p n q 半路明 平中学球场下的单建式地下乍库l ：程，上海f f 人民，“场地下午i 库+ i ：程都采用了爆扩桩基础用十地下 车库的抗浮。1 9 9 9 年珠海市重点t 程珠海关后广场地卜t 程所需总抗浮力达2 7 万吨，规模之大为 国内罕见，通过对比，最后选片j 爆扩桩基础，满足了抗拔承载力的要求旧。与普通扩底桩相比，爆 扩桩具有节省工期，施工相对简便，桩型组合形式多样的特点f 4 1 。 3 、扩底桩 扩底桩是通过钻扩_ 1 ：具或人：r 挖扩等手段将桩的底端扩大，增加桩底与十的接触面积提高端阻 力，减少簟桩沉降量。1 9 世纪9 0 年代人工挖孔扩底桩开始应用于美国的芝加哥、底特律等人城巾。 我国应用人工挖孔扩底桩始于2 0 世纪6 0 年代初，但直剑8 0 年代才开始大量应用人工挖孔扩底桩， 北京、广州、武汉、沈阳、成都、福州等大城市的高层建筑、桥梁和重型建( 构) 筑物中广泛采用了扩 底桩的基础形式，应用于包括软土，黄土、膨胀土等特殊土在内的各类地基，有蝗桩( 开口直径) 已达剑2 5 m ，扩大端直径更大，有些己经超过3 5 m ，个别甚至达到了5 o m 。扩底桩在我国虽然起 步较晚，但发展十分迅速i 】。图1 5 所示，是我固近年来常片j 的三种扩底桩形式川【4 1 。 d 顶面 d 卜叫 图1 5 扩底桩示意图 4 、带翼桩 带翼桩如图1 6 所示，截面形状有三角形、十字形、工字形等。带翼桩与钢筋砼组合起来可以 克服打桩或压桩时的弯曲或破裂缺陷，使桩身强度增大，贯入深度和贯入强度也随之增大，承载力 也相应提捌。 图1 6 带翼桩示意图图1 7 挤扩支盘桩示意图 5 、挤扩支盘桩 挤扩支 j t 灌注桩( 简称挤扩支盘桩) 是在原有灌注桩的基础上采用仿生学原理发展而来的，如 图1 7 。它是通过专用挤扩搜备在桩身纵向不同位置挤压分支或承力盘，最后灌注砼，形成挤扩支盘 桩。分支有圆形的、十字形的等。 2 0 世纪5 0 年代后期印度开始在膨胀土巾采用多节扩孔桩，6 0 年代和7 0 年代印度、英国以及前 苏联在黑棉土、黄土、亚粘上、黏上、和砂上一l 采用多节扩孔桩。取得了很好的效果【| 2 l 。 1 9 7 8 年初北京市建筑工程研究所等在团结湖小区开始支盘桩试验，直径3 0 0 m m 、扩大头为 4 $ o m m 、桩长不足5 m 。结果表明2 节和3 节扩孔桩的电位桩体积提供的极限倚载分别为直径桩的 1 2 p i 7 6 倍。1 9 7 9 年北京市桩基研究小组在劲松小区进行四节挤扩分支桩试验，直径4 0 0 r a m ，分 3 了寻 东南人学坝i ：学位论文 支直径5 6 0 m m 。每一节为6 分支，( 单只宽度2 0 0 m m 、高度2 0 0 m m 、桩长8 7 m ) 和牛应的直径桩 ( 巾4 0 0 m m ，桩长8 8 5 m ) 进行竖向受压静载试验，结果表明，前者的极限荷载为后者的1 3 8 1 忙】。 2 0 世纪9 0 年代北京俊华地基基础i ：程技术集团研制开发出该公司的第一代锤击式挤扩装置和 第代y z j 型液压挤扩支盘成型桩及挤扩多分支承力盘桩，并申请了国家专利。在丁程应用【| i 取得 了较显著的技术经济效益。支盘桩的单方承载力一般为相应直孔桩的2 倍左右【1 2 j 。 北京t q k 大学的卢小文i 3 1 、孙雅欣【1 4 】、张延庆l 5 l 等丰h 继做了液压挤扩支盘桩的研究。分别 做了施上对剧围十体的影响分析、水平承载性能研究、竖向承载性能研究等。 除j ，变截面桩外，国内外也做过了一些异形桩的研究。在中国很早就有采用斜桩米抵抗水平承 载力的戍用；牟玉伟等i l6 】提 j 了用组合钻做矩形桩、十宁形桩、t 形桩、工宁型桩等非圆形截面的 异形桩；河海大学的贺烈1 7 】等也做过y 形桩水平承载性能试验研究。 1 3 3 水平承载桩研究现状 国内外对水平承载桩做过一些试验，桩径都比较小，基本上小于1 5 米。同济大学的章连洋【1 8 l 、 中国地质大学的李从昀1 1 9 】、浙江大学的陈洪【2 0 1 、天津大学的陈海明【2 1 1 、国外i k k i n o i s 学院的k w a n g k u k a h n l 2 3 j 等做丫一些水平承载桩的试验和研究。 根式基础的竖向承载力、水平向承载力、变形的计算都没有现成的理论与公式可以完伞套用。 从根式基础的构造形式与受力机理卜看，和根式基础最接近的足变戗而桩。因此，同前先按变截而 桩基础来计算承载力与变形。变截而桩变截而处南丁桩身纵横断面沿深度某处发生突变而使得受力 性能发牛很大的变化，荷载传递函数非常复杂且不连续，因此，要掌握变截面桩的桩一土之问的卡h 互作用、应力状态等规律很困难，国内外很多专家学者对变截面桩的受力机理提出了很多各自的看 法。 日前国内外对变截面桩的水平向承载性能研究较少。对于普通沉井的水平承载性能理论分析， 参照水平承载桩的理论分析。水平承载桩的计算方法根据地基的小同状态分为极限地基反力法、弹 性理论法( 包含弹性地罐反力法) 、弹塑件地基反力法；根据得到的途径可分为经验法、理论法、 理论法义可分为解析法半解析法、数值分析法等1 2 2 i 。 对丁刚性桩的计算，r a s e ( 1 9 3 6 ) 1 2 3 i t “i 首先假定桩侧土地基反力为线性分布，根据作用在桩j ：的 外力及其平衡条件求解桩的水平抗力，此即为极限地基反力法。b r o m s ( 1 9 6 4 。1 9 6 5 ) t 2 5 j 1 2 6 i t 2 7 l 提出了不 同的地基反力线性分布形式。日本一些专家学者也提出了- 些理论方法【2 引。 对十弹性桩的计算，最早、也是研究最多的是将桩作为竖放在弹性地基上的梁然后按文克尔 ( e w i n k l e r ) 假设进行求解，中国学者张有龄( 1 9 3 7 ) 2 8 1 假定水平地皋系数沿深度为常数，求i i 弹性 长桩内力和位移分析的解析解，称为常数法，该法假设的条件不够合理，b 安盖尔斯基( 1 9 3 7 ) 提 出k 法：假定地面处水平地基系数为零，沿深度逐渐增大，到桩身第一弹性零点处增大到k 。再律下 则为常数。k c 西林( 1 9 6 2 ) 提出水平地基系数卜h 地面处为零沿深度线性增加的m 法，是u 前应用 较广的方法。王伯惠1 2 9 i 给出了水平荷载下荩桩挠曲微分方程的通解，可以考虑水平地基系数随深度 变化的指数为任意数值的情况。吴恒立1 3 0 i 提 i 综合刚度原理和双参数法，将水平地毖系数随深度变 化的指数也作为待定参数，通过两个待定系数的调整使计算结果更好地符合实际情况。 对丁非线性地基，采用文克尔地基难于正确表达。p y 曲线法足日前计算大变位情况下水平受 载桩的实用方法。它考虑了桩侧向十抗力与侧向变化的非线性特性，被广泛应用在固定式海上平台 的桩基分析与 发计中。软粘- 十短期静载和周期荷载桩的卜y 曲线法，由m a t 1 0 c k 和r e e s e c o x 3 1 】 等人于1 9 7 0 年提出：硬粘十短期静载和周期筒载桩的卜y 曲线法，由r e e s e 等于1 9 7 5 年提出；粘 性土卜y 曲线统一法，由s u l l i v a n 和r e c s e 等提 ：美囤、瑞典、印度等部有许多学者，在研究上 述p _ - y 曲线法的基础卜，对卜y 曲线法作了许多重要修改。如s t e v e n s 和后来有人提 的p y 曲 线合成法等。文献【3 2 1 3 3 1 1 3 4 】等做了砂土和粘性土的试验研究p y 曲线法。我国的韩理安( 1 9 9 9 ) 2 2 j 、 叶万灵和时蓓玲1 3 5 】等根据国内众多的现场试桩资料进一步完善了p y 曲线的土抗力分布形式，采用 相似理论提出了n l 法，该法已纳入港口工程桩基规范( j t j 2 5 0 9 8 ) 局部修订。 1 4 本文的工作和研究内容 l 、设计、负责马鞍山水平向静载荷试验，通过对马鞍山长江大桥锚碇基础的试验沉井( 以下简 称沉井) 和试验根式基础( 以卜简称根式基础) 的水平静载荷试验数据的处理和分析，研究沉井和 根式基础的水甲承载力特性； 2 、分别采用m 法和n l 法对沉井进行计算分析，并与现场实测数据对比，研究沉井的水f 承载 性能； 3 、采用有限差分软件f l a c 3 d 对沉井和根式基础的水平承载性能进行数值分析，并与现场实测 4 第章绪论 结果进行了对比； 4 、采用f l a c 3 d 对沉井和根式基础进行数值模拟，研究水平荷载下沉井与根式基础在外侧土体 中的影响范罔： 5 、采用f l a c 3 d 对根式基础进行数值模拟，研究水平倚载下根式基础根键的力学性能。 5 尔南大学硕 ：学位论文 2 1 工程概况 2 1 i 工程背景 第二章沉井和根式基础水平静载试验 马鞍山长江大桥南锚碇位于安徽省马鞍山市江心洲，锚碇中心里程为c k 2 6 4 - 5 7 4 0 0 ，临近江心 洲长汀西大堤，距其约1 6 0 m ，地形较为甲缓，主要为耕地及居民区，地面高程7 5 0 8 0 5 m 。肖锚 碇采用匿力式锚碇。锚体采 j 重力式块体结构，锚固系统采用前锚式预应力钢绞线锚固系统。 马鞍山长江大桥为悬索桥。由于悬索桥锚碇基础是悬索桥的重要结构，其结构形式的选择合适 与否对整个- 工i 程的实施有重要意义。根据l ：程需要及课题研究要求，对该：1 ：程南锚碇的5 拌基础采用 自平衡法进行两次竖向承载力静载倚试验( 乐入根键前、后各测一次) ，对该工程南锚碇的2 个基 础( 5 # 、6 # ) 进行水平向静载倚试验( 础基础压入根键前、后各测一次) ，总平面图如图2 1 。 2 1 2 地质条件1 3 i 钻孔揭示深度范围内( 8 2 m ) 为第四系全新统松散填筑土、种植上、砂类土、圆砾上及上更新统圆 砾土，基岩t 要为侏罗系罗岭组( j 2 i ) 泥质粉砂岩。 锚碇处地层分布如下： 第层为全新统松散填筑十、种植土：第层为上部全新统粘性士，软塑为主，局部硬塑，下 部伞新统粉砂，松敞：第层为伞新统稍密叶i 密的砂类上及密实网砾土组成，地层呈从上至下颗 粒由细至粗的韵律，分别为细、中，密实度也以稍密中密。此两层分布较稳定；第层地层主要 为密实圆砾土层，埤深5 8 0 米左右，顶面高程- - 4 9 9 5 ，厚度1 5 o m ；第层为侏罗系罗岭组( j 2 i ) 泥质粉砂岩。砂泥质粉砂岩多泥质铁质胶结，岩质稍软，基岩层项埋深6 4 9 5 m ；桥位区主要地层概 况见地质柱状如图2 2 ，工程岩土技术参数值见表2 1 和表2 2 。 图2 1 总平面图 6 第_ 章沉j i ：和根式基础水平静载试验 填筑土， 粘土2 2 粉砂 细砂s 中砂s 圆砾土。 圆砾土 强风化泥质粉砂岩 强风化泥质粉砂岩 弱风化泥质粉砂岩 v + 4 7 5 v 一4 2 5 v 一1 6 6 5 v 一3 17 5 v 一7 5 七b 髫矗是盈 图2 2 地质柱状图 7 东南人学硕l ：学位论文 农2 1 工程岩上技术参数值 8 第_ 章沉， ：和根式基础水平静载试验 表2 2g r 土层技术参数 蝴称簇震錾曩翥篓e 缝a ) ( k 敝g m 3 ，泊i z 松u c 俐( k p a ) 警 填筑土 o 8 54 7 5261 9 1 0o 3 51 25 粘士 1 73 0 5 亚粘土 7 3- 4 2 53 6 粉砂 1 2 41 6 6 56 8 细砂 1 5 13 1 7 51 9 9 中砂 1 44 5 7 52 6 8 圆砾土 5 2- 5 0 9 52 3 6 圆砾土 2 2 6- 7 3 5 54 0 8 璧墨垡鎏 6 27 9 7 5 质粉砂岩 2 2 设计概况 马鞍山长江大桥南锚碇基础采用根式基础。试验沉井设计深度为3 9 0 m ，地面下3 6 0 m ，外径为 6 0 m ，壁厚0 8 m ，底部封底厚4 5 m ，1 - 部封顶承台高3 0 m ，封顶承台外径为9 0 m ，受力而做成平 面，便于施加荷载，井身配筋率为1 0 4 4 ，纵向受力钢筋保护层为4 0 r a m 。根式基础是在沉井管壁 上按照梅花犁布置1 4 层根键，每层沿管肇周边均匀布设6 根，单根根键长为3 6 m ，井身外2 5 m ， 井壁内1 1 m ，封壁厚0 4 m ，根键为十字锥形，端部边长为0 8 6 m ，外边缘边长为0 8 m ：砼采用c 3 0 和水i - c 3 0 ，l = 2 0 1 m p a , e = 3 1 0 4 m p a ；根式基础的井身配筋率为o 7 5 4 ，对于钢筋，r 2 3 5 级钢筋取：f s k = 2 3 5 m p a , e 。= 2 1 1 0 5 m p a ，r 3 3 5 级钢筋取：气= 3 3 5 m p a , e ，= 2 x 1 0 5 m p a 2 个基础中心距为1 7 m 。设计时已经i ，整过场地，地皤标高从约+ 6 7 5 m 降为约+ 5 6 m 。沉井剖面、 根式基础剖面、根式基础根键分布如图2 3 所示。根键人样如图2 4 所示【3 7 j 。 9 2 5 2 j 刀k d 舵 m 靴 孔 段 5 5 5 6 6 7 3 3 3 3 3 3 3 3 o o o o o o o o 如知 培婚侉硌孙殂舢 孔 铝石拼m=珥 珥 渊 ：暑 啡 炳 m ” 舛 “ 东南人学硕： ：学位论文 报犍立面布置示意图 走垩堡堕垫亘里! ! ! 坌。谴孵：i 本固尺寸廉标膏】；c 米计外，为啪以豆采为单位 图2 3 沉井和根式基础水平试验剖面图 厅l 嚣 3 、 45 。j 望影箍：、j 博刃刀 1 0 0r 缀 n - “ _ ， i 矗 缓 h d i 口 柏 蜀， 卫 幺稀；蠹瑚：f j ；嚏c 踟i l 姐伪l 曲内枨女h 、。：? j i ：l jm “。 1 n 、一 3 3 4 一j l 嵌挺平面l ：t o l r 、3 一 弋 n l 丫 幽幽 根健锢面l ：1 0 疆舅：i 奉一尺寸黼青椒采诗奢，枘曩置来膏鞔 图2 4 根键大样图 l o 第_ 章沉j i ：和根式基础水平静载试验 2 3 施工概况 2 3 1 施工工艺 根式荩础的施t 步骤向l 图2 5 所示。前面6 个施一r 步骤和沉井的施r 步骤基本一致，施。f ：的关 键和难点为：清底后立即浇筑封底砼、逐层挤压根键施工、保证根键和井身为刚性连接以及连接处 的防水处理。由于根式基础内部空问比较小，项压根键施工难度特别大，有待，进一步研究和改进。 图2 5 根式基础施工工艺= 简图 2 3 2 施工时间 l 、5 群根式基础 2 0 0 6 年1 2 月2 4 日开始5 拌沉井首节沉井井身砼浇筑2 0 0 7 年0 4 月2 0 日整个沉井井身砼浇筑 及下沉施工结束，2 0 0 7 年0 4 月2 2 日至0 5 月0 5 日根式基础封底。2 0 0 7 年0 5 月0 5 日5 撑根式基础 开始顶入根键，2 0 0 7 年l o 月l o 日顶入根键及封壁施上结束。 2 、6 撑根式基础 2 0 0 7 年2 月4 日歼始6 i 沉井首节沉井井身砼浇筑，2 0 0 7 年0 5 月1 6 口整个沉井井身砼浇筑及 下沉施工结束，2 0 0 7 年0 5 月3 0 日根式基础封底。2 0 0 7 年l1 月2 9 日6 群根式基础开始顶入根键， 2 0 0 7 年1 2 月1 9f 项入根键及封壁施t ：结r 求。 2 4 试验概况 大直径桩的水平试验由于时间、人力、物力等因素，很少单位作，中国有色金属工业长沙勘察 院张栋材1 3 8 1 等在某钢铁公司工程做了个直径1l o o m m 的工程桩横向荷载试验；马鞍i l l 根式基础课题 组和东南大学付守印1 5 j 等在安徽省淮河特大桥做了5 m 和8 m 外径的根式沉井基础试验。 奉试验的概况如下： 2 4 1 试验目的 l 、确定沉井的水平向承载力。 2 、确定根式基础的水平向承载力。 3 、研究沉井的受力特点及受力模式。 4 、研究根式基础的受力特点及受力模式。 5 、研究根式基础的根键的水平承载性能。 2 4 2 试验量测项目简介 根据工程实际情况和课程研究的需要，对马鞍山长江大桥南锚碇区的沉井和根式基础进行两次 水平向静载倚试验( 简称水甲试验) ，试验情况如下： l 、第一次水、f 试验 第一次水平试验用一个卧式千斤顶( 置于两个滑移块中问) 对6 群沉井施加荷载，其反力由5 撑根式 基础提供。第一次水平试验剖面图如图2 3 所示。 试验的主要目的是确定6 群沉井的水平向承载力：通过桩身埋设的量测元件，求得各级水平荷载 作用卜根式基础桩身弯矩的分布情况，从而榆验桩身强度；为测出沉井和根式基础内任一深度的水 平变位，各在井身布设4 根测斜管( 下文处理数据时详细介绍) ，测斜管平面布置如图2 6 所示。 图中编号要加上试验时问和基础编号区分歼，如：0 1 0 6 # w y d 表示第一一次水平试验6 群沉井( 无根键) 远点：0 2 0 5 撑y - j d 表示第二次水平试验5 群根式摹础( 有根键) 近点。 东南人学硕i j 学位论文 南 2 平作用力 2 4井身测斜管平面布置图4 北 图2 6 测斜管布置平面图 2 、第二次水平试验 第二次水平试验方法、测试目的和第一次水平试验基本一样。不同的是：确定5 群根式基础的水 平承载力，甜沉井顶压完根键，为根式基础。 2 4 3 试验装置及测试元件 水甲试验的平面图如图2 7 所示。两个基础的中心距离为1 7 米。 7 2 卯 一。 。、f 1 0 0 ，一 厂 泰 。跏 辞 ，一 l ? ； 。； 印口 i ，。厂 甬甬5 hi删lll 巡 乡 iliii8 t 乡 j _ 一， 图2 7 水平试验f 面图 l 、加载设备 卧式千斤顶( 见图2 8 ) ：其加载值的率定曲线由计量部门标定。为便于千斤顶施加作用力，在 圆形承台外侧浇筑方形砼蚺块( 见图2 8 ) 。 高压油泵：最大加压值为6 0 m p a ，加压精度为每小格0 4 m p a ，其压力表由计量部门标定。加载 时在地面处用一台高压油泵通过油管向荷载箱内的千斤顶加压。为保证8 个i 8 圆形荷载箱的盖板 同步变位，在地面处将对应的8 根油管通过特制接头并作个分配筏，通过这个分配筏同时向8 个 i 8 圆形荷载箱加压。油管接头见图2 9 。 滑移块( 见图2 8 ) ，2 4 m x 2 4 m x 2 4 m 同强度砼，各受力而预埋2 c m 厚钢板。 2 、位移量测装置 电子位移传感器：量程5 0 m m ( 可调) ，测试基础力作用点及上面5 0 c m 处正面和背面的位移， 通过磁性表庵固定在基准钢梁上，安装过程如图2 8 和图2 1 0 。电脑及数据自动采集仪一套。试验 中，由电脑自动采集各级荷载下的位移计数据。 3 、弯矩量测装置 1 ) 、钢筋计布置 根式基础弯矩用钢筋计量测，钢筋计南计量部门提供标定记录，井身钢筋计布置以及根键钢筋 计布置位置详如图2 1 2 所示。井身钢筋计通长布设，每隔约2 米布设一层，为保证成活率，每个断 面布设2 对4 个钢筋计。挑取f i 同层、不同角度的具有代表性约4 1 个根键布设钢筋计，但是由于根 键成活率不高，这里不做介绍，下文处理数据时仅对成活的钢筋计进行介绍。 2 ) 、铡筋计量测 钢筋传感器绑扎前作室内率定，并作编号与记录( 见图2 1 3 ) ：钢筋传感器的观测与电子位移 传感器的位移同步进行，观测间隔为每级加载前、后l o 分钟( 采集仪见图2 1 4 ) 1 2 *t0 l # 目女# m 水平静藏试 闰28 水平试验实体图豳2 9 水平试验所丹油管接头 图21 0 水平试验所用位移传感嚣圉21 1 水平试验所用千斤项 囤2 1 2 钢筋计布置圈 自大学硕 t 女 。，浒m 和2 裂翳嚣裂； 图2 i 4 钢箭计采集仪 在6 米外径5 # ，6 # 基础内分别布设4 根涮斜管( 直径7 0 m m 见圈2 6 ) 每根长3 3 m ，与基础 井身钢筋笼绑扎在一起沉入土件，采用测斜倥测试观测间隔为每级加载前3 0 分钟。 2 a 4 试验方法 i 、预估最大荷载 国内建设部规范p “、交通部规范i 和铁道部规范m o 均推荐采用m 法计算桩基的水平承载力和 位移，本试验预估抗井的水平承藏力采用m 法计算。预估根式基础最大葡载以沉井预估最大荷载为 基础各规范中，m 圭的计算方法基本相同，仅是在无试桩资辩时地基土的比例系敷m 的推荐取 值略有不同。 根据建筑桩基技术规范 ( & g j 9 4 - 9 4 ) 5 25 条当缺少单桩水平静藏试验质料时可按下 式估算单桩水平承戴力设计值t h = 竺：丝扎 ( 2 i ) r x 口：“兰生 ( 2 - 2 ) y 日 式中日桩身抗弯刚度r 对于钢箭砼桩te = o 8 s e d o ；其中，。为桩身换算藏面惯性矩，臣 为砼的弹性模量t 厶桩在地面赴容许水平位移； y 。桩项水平位移秉披按规范裹5 a 2 取僖l 口桩的水平变形系数i “桂身的计算竟度l 圈形桩：当直径d s l m 时= 仉9 0 5 d + o 5 ) i 当直径d i m 时b o = 0 9 忙+ 1 ) l 沉井藏面为圈环，换算t 面惯性矩接下式计算： = 鲁【d 2 + 2 - 1 ) 风舟等 。” 式中d 一沉井外径 垂瓿井内径； d o 扣除保护层的沉井外径： 口。橱薪弹性摸量和砼弹性模量的比值； m 井身配筋率。 本试验中，未封壁的沉井：井身配筋率为l0 4 4 保护层取4 嘶m 抗弯刚度按建筑桩基规范 计算：换算截面惯性矩1 = 5 29 7 7 m 4 e l = o8 5 x 3 x 1 0 7 5 29 7 7 圳13 51 0 9 k nm 2 。桩的计 算宽度乱，63 m ，水平位移取1 0 n u n 再综合考虑基础周围的土层概况详见表2l 保守地取 第章沉j r 年l j 根式基础水平静载试验 m = 2 0 0 0 0 k n m4 ，由公式( 2 - 2 ) 计算得a = 0 1 5 6 3 m ，换算深度o t y = 5 6 4 根据a y 垒j 2 i ! 范表5 4 2 得：沉井项部自由时的y 。- - 2 4 4 1 。代入公式( 2 1 ) 得沉井的预估水f 承载力约为2 0 0 0 0 k n ，将上述 水- 甲承载力作为沉井的水甲极限承载力。安全地，根式基础的极限加载值墩为沉井的2 倍，即根式 基础的顶估最大试验水平荷载为4 0 0 0 0 k n 。 2 、加载分级 各个规范的试验加载分级基本上都干同，根据公路桥涌施工技术规范( j t j 0 4 1 2 0 0 0 ) 1 5 0 l 附录b 5 ，试验加载采用单向单循环水平维持荷载法，每分级加载为上述颁估最人试验加载值的l 1 5 ， 每级卸载为分级倚载的2 倍，第一级加载值为分级倚载的2 倍。每级加载后第l h 内在5 、1 5 、3 0 、 4 5 、6 0 m i n 时测读次位移计，以后每隔3 0 m i n 测读次，位移量小于或等于o 0 5 m m h 即可认为稳 定。 3 、加载终止条件：当i l ；现下列情况之一时即可终止加载 1 ) 、桩顶水甲位移超过2 0 3 0 m m ( 软土取4 0 r a m ) ； 2 ) 、桩身l 三经断裂； 3 ) 、桩侧地表明显裂纹或隆起。 2 4 5 试验综述 l 、第一次水甲试验 2 0 0 7 年1 1 月2 lh 开始6 # 根式基础压入根键前的第一次水平静载试验，当加载垒第1 0 级荷载 ( 1 0 6 6 6 k n