填料内摩擦角的讨论

填料内摩擦角的讨论

根据国外相关数据的分析，有一种想法是用沉降的大圆柱形结构在软层中建造深水码头。这是因为大圆柱形结构简单，钢量少，承受条件好，施工过程快，成本低，耐久性好。由于大圆筒结构无底,使大圆筒与筒内填料间相互作用机理比较复杂,虽然基床式大圆筒结构码头在我国已有应用的实例,但其设计计算的理论远未成熟。合理地确定内填料作用在筒壁上的侧压力对圆筒结构的设计、地基承载力和地基沉降量的计算十分重要。不少学者对大圆筒内的填料压力进行过研究,并提出了筒内填料压力的不同计算方法,如用筒内填料的内摩擦角将填料压力沿筒轴方向分成三个区域进行计算;也有用主动土压力或用有底筒的储仓压力杨森公式等进行筒内填料的近似计算。但这些计算方法没有分析无底筒筒内填料压力发生变化的力学机理,没有考虑筒无底会使筒内外土体的压力差通过地基土发生传递的客观事实,所以计算结果与实际情况相差较大。如用填料内摩擦角计算筒内填料压力的方法,曾对国内外已建的十多个大圆筒工程进行了复核计算,计算结果表明无底筒内的填料压力与有底筒一样,与实际大圆筒的工作状况不符。因此有必要就筒内填料对筒壁产生侧压力的计算方法进行深入地探讨。1模型试验的设计为了搞清楚无底筒筒内填料对筒壁作用的侧压力规律,在交通部天津水运工程科学研究所结构试验厅的砂槽内进行模型试验,砂槽高3m、宽2.55m、长6m,在砂槽内并列放置了3个无底圆筒,中间筒为内、外壁抹环氧砂浆的测试钢筒,其两侧均为钢筒,承担槽壁阻力。筒高2.4m、内径1.1m、外径1.2m,试验时,砂槽底铺0.55m高的不同材料,模拟不同基床。模型试验的示意图见图1。在测试筒内、外壁及筒底共布置了147个土压力盒,它们分别布置在筒内、外壁的半个圆筒及筒底上,沿筒的横断面每隔20°布置一个土压力盒。沿筒轴线方向及筒底布置土压力盒如图2所示。试验圆筒的自重为10.35kN,筒内外填细砂,砂的重度为16.8kN/m3,内摩擦角φ=33.7°。试验时,筒内外填不同高度的砂,以模拟不同的岸壁高度及筒的不同沉入深度,地基分别采用细砂,中粗砂及混凝土地面。2对原油内填充静土压力的试验结果和分析2.1试验结果来自填充波的内填充压力对不同地基条件,不同沉入深度的圆筒静止状态时筒内土压力进行测试,测试结果见表1～表4。2.2刚性地基中筒壁内填料压力1)由表1知,在距筒顶150cm范围内,筒内填料对筒壁产生侧压力的实测值同有底筒杨森公式的计算值基本吻合,在距离筒底150cm以下,实测值与杨森公式计算值相差较大,说明筒有、无底对筒上部的填料压力没有影响,但对筒底附近会有较大的影响。2)由表2知,对于同一种地基条件,随着大圆筒埋入深度的增加,筒底附近的填料压力将减少,且逐渐向杨森公式的计算值逼近。从而可知,大圆筒填料压力符合杨森公式的范围,与大圆筒内外土体的高差有关,当大圆筒全部沉入地基土中时,筒内外土体高差为0,筒内土压力分布同有底筒。3)由表3知,刚性地基的筒底附近填料压力与杨森公式计算值基本相等;细砂地基在筒顶以下180cm范围,中粗砂地基在筒顶以下190cm范围内,筒内填料侧压力基本上与杨森公式计算值相同,筒底以上50cm范围内筒内填料侧压力与杨森公式计算值有较大差异,且离筒底越近,相差越大。从而可知,地基土条件越好,筒内填料压力与杨森公式计算值基本相等的范围越大。4)由表4知,在筒底附近,实测填料压力与杨森公式计算值有较大的差别,但离筒底一定距离以上的填料压力与杨森计算值能较好的吻合。由表1～表4的实测数据知,对于不同沉入深度的大圆筒,筒内填不同高度的填料,筒内填料侧压力的分布有一个共同的规律,即从筒顶以下的某一个范围内,无底大圆筒的筒内填料压力与有底筒的杨森公式计算值基本相同,但在筒底附近,由于大圆筒无底,使筒内填料压力可以通过地基土传递给筒外土体,使无底圆筒在筒底附近的填料压力与有底筒的杨森公式计算值有明显的差别。从而可知,对无底筒来说,筒内填料压力一般可以分三个不同区域进行描述。3筒壁土体向筒外挤的趋势对于沉入式无底大圆筒,由于筒内外土体压差的存在,地基土作为传递筒内外土体之间压差的媒体,使无底圆筒筒内土体的压力分布明显不同于有底筒。地基土传递筒内外土体压力差的能力取决于地基土性状及筒内外土体的压差,因此,搞清这个问题,对确定筒内土体压力分布及压力值是至关重要的,是建立无底筒内填料压力计算方法的关键。当大圆筒内外土体高度不同时,由于大圆筒无底,使筒底土体在筒内外土体压力差的作用下,产生侧向变形,筒内土体通过地基土有向筒外挤的趋势,如图3所示。设大圆筒高度为h,沉入深度为h0,为了说明方便,设筒壁上作用的侧压力由静止土压力产生,取筒底微元土体,其上作用的水平力有:①筒内填料的侧压力k0γh;②筒外沉入部分土体的侧压力k0γh0;③土体之间的摩擦力τ。当筒内外土体的压力差k0γ(h-h0)小于土体之间的极限摩阻力τmax时,筒内土体不会向外流动,但筒内土体有向筒外方向挤的趋势,使筒底附近的土体密实,从而增大筒底附近作用在筒壁上的填料压力。当k0γ(h-h0)大于τmax时,筒内土体就会向筒外移动,使筒外土面隆起,此时有可能使筒底附近作用在筒壁上的填料压力减小。当大圆筒全部沉入地基土中,此时h0=h,使筒底微元土体上作用的筒内外土体侧压力相等,此时筒底土体在水平方向静止不动,这时的无底筒可以看作为有底筒,填料压力沿大圆筒高度分布可按杨森公式计算。无底大圆筒,筒内外土体压力传递的性能取决于地基土的性能。筒内填料压力作用在刚性地基上,刚性地基的变形很小,筒内填料压力难以传递给筒外土体,此时刚性地基可以看作无底圆筒的底,所以筒内填料的压力分布同有底筒仓。筒底地基土越软弱,筒内填料在筒底附近的压力值越远离杨森公式的计算值,表3的实测数据也证实了这一结论。综上所述,由于大圆筒无底,筒内外土体的高差及大圆筒的地基土性状是影响筒内填料压力分布的主要参数,因此在确定无底大圆筒内填料压力分布时,必须要考虑这二个因素。4在筒内填充静土压力的经验计算方法中4.1筒内填料压力过渡区域将大圆筒内填料压力分布沿筒高划分成ab、bc、cd三个区域,如图4所示。ab区域的筒内填料压力分布符合杨森公式,其高度h1;cd区域为筒底附近的筒内填料压力区域,其高度为h3;bc区域为筒内填料压力的过渡区域,其高度为h2。根据表1～表4的实测数据分析整理,得筒内填料压力三个区域高度的经验计算公式:h1=(1-α1h-h0h)⋅h(1)h1=(1−α1h−h0h)⋅h(1)式中:h为大圆筒内填料高度;h0为大圆筒沉入地基土中的深度;α1为地基土性状对h1值的影响系数,细砂地基α1=0.375,中粗砂地基α1=0.3125,刚性地基α1=0。h3=α2(h-h0)(2)式中:α2为地基土性状对h3值的影响系数,对于细砂地基α2=0.21,中粗砂地基α2=0.125,刚性地基α2=0。h2=h-(h1+h3)(3)4.2在筒中，填充静压力的经验计算方法为静压力侧的压力根据以上分析,筒内填料压力沿筒高可分三个区域计算(图4)。1填料截面参数的计算h1区域内的筒内填料侧压力σh可按杨森公式计算,计算式为:σΗ=Chγρμ(1-e-μΚh/ρ)σh=Κσh}(4)σH=Chγρμ(1−e−μKh/ρ)σh=Kσh}(4)式中:Ch为填料的水平压力修正系数;γ为填料的重度(kN/m3);ρ为圆筒水平净截面的水力半径(m);μ为填料与筒壁的摩擦因数;K为侧压力系数,K=tan2(45°-φ/2);h为填料顶到计算截面的距离(m);φ为填料的内摩擦角(°)。2综合修正系数kc根据式(1)算出h1,将h1代入式(4)可得B点的杨森公式计算值σB,则B点的筒内填料压力σb为:σb=KσB(5)根据式(1)、(2)及式(3)算出h2,按式(4)算得有底筒C点的填料压力值σc。另外,由分析知,影响无底筒内填料压力有地基土性状及筒内外土体高差(表明大圆筒的沉入深度)二个主要因素,从而可得无底筒C点筒内填料侧压力σc的计算模式为:σc=ΚC⋅σCΚC=β⋅γc}(6)σc=KC⋅σCKC=β⋅γc}(6)式中KC为无底筒C点位置筒内填料侧压力的综合修正系数,简称综合修正系数;β为地基土传递筒内外土体压力能力的系数,简称地基修正系数;γc为大圆筒内外土体高差对C点位置筒内填料压力的影响系数,简称大圆筒沉入深度修正系数。对于无底大圆筒,地基土体传递压力的性能同地基土变形模量E0及其侧压力系数ξ=υ/(1-υ)有关(υ为地基土的泊松比),而γc不但与相对沉入深度h0/h有关,而且与C点在大圆筒上所处的位置有关,经理论分析,可得地基修正系数β及大圆筒沉入深度修正系数γc经验计算式为:β=υE0(1-υ)γc=(a+bh0h)⋅hch}(7)β=υE0(1−υ)γc=(a+bh0h)⋅hch}(7)对于细砂,取变形模量E0=24MPa,泊松比υ=0.25,对于中粗砂,取变形模量E0=37MPa,泊松比υ=0.29,根据表1～表4的实测数据整理分析得:β={0.0139细砂地基0.011中粗砂地基γc=(122.761-45.144h0h)hch}(8)假定h2区域内,筒内填料压力沿筒高成线性分布,则可用直线连接σc及σB,就可计算出h2区域内任一点的筒内填料压力。3筒内填料侧压力与h2区域筒内填料压力的计算相似,同理可得筒内填料在筒底的侧压力综合修正系数Kd的经验计算式为:Κd=β⋅γdβ={0.0139细砂地基0.011中粗砂地基γd=(145.5943-62.0889h0h)hchσd=Κd⋅σD}(9)式中σD为有底筒在D点的填料压力。假定h3区域范围内,筒内填料压力沿筒高成线性分布,则可用直线连接σc及σd,就能计算出h3区域内任一点的筒内填料压力。以上归纳了细砂地基和中粗砂地基的筒内填料侧压力计算方法。根据本文提出的大圆筒内填料静止侧向土压力的经验计算式,对不同地基土性状、筒的不同沉入深度、筒内填料不同高度等各种工况进行筒内填料静止侧向土压力计算,将计算结果与试验的实测结果进行比较知,计算值与实测值的相对误差一般在5%以内,计算结果有足够的精度,可在实际工程中应用。5筒底筒填料压力的分布规律通过对无底筒筒内填料侧压力的实测数据分析,得出如下主要结论:1)无底大圆筒内填料压力的计算十分复杂,理论上也没有很好的解决办法。以往国内、外学者研究筒内填料压力时,只根据筒内填料固有的材料特性φ及δ等参数来描述筒内填料压力的分布规律,而与筒无底引起填料力学特性的变化没有直接的关系,所以以往国内外学者提出的筒内填料压力的计算公式与实际情况不符。2)将筒底持力层土体视作传递筒内外土体压力的介质,分析有底筒与无