沉井基礎的長期水平承載特性研究.pdf

1、本文以國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）“特大跨橋梁全壽命災變控制與性能設計的基礎研究”(2013CB036304)課題四“復雜環(huán)境下深水基礎承載行為演化與長期性能設計”(2013CB036304)為依托，系統(tǒng)總結了沉井基礎承載特性和軟土流變特性的研究現(xiàn)狀，指出了沉井基礎長期水平承載特性研究中存在的不足，采用模型試驗、現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬與理論分析相結合的研究方法，針對軟土地區(qū)沉井基礎的長期水平承載特性與計算方法開展研究。主要研究內(nèi)容

2、如下:
　　開展了長期水平荷載作用下普通沉井、分體式沉井和桶形沉井的全模型和半模型試驗，重點研究了長期水平荷載作用下各沉井模型的變形及土抗力隨時間的變化規(guī)律，分析了不同沉井模型的長期承載特性。在長期水平載荷半模型沉井試驗中引入了顆粒圖像測速(PIV)技術以觀測土體內(nèi)部位移場隨時間的變化規(guī)律，測試結果表明PIV測試技術能夠反映沉井模型的長期變形趨勢，測試結果與常規(guī)測試方法測得的結果較接近。
　　進行了望東長江公路大橋根式沉井和

3、馬鞍山長江公路大橋根式沉井群的現(xiàn)場長期水平靜載試驗，得到了根式沉井及根式沉井群的荷載-位移曲線以及不同時間根式沉井、根式沉井群以及沉井周圍土體沿深度方向水平位移的分布曲線，試驗結果表明軟土地區(qū)沉井的長期變形不可忽視。
　　針對室內(nèi)模型試驗與現(xiàn)場試驗的地基土，進行了不同圍壓下重塑飽和黏土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的三軸固結不排水剪切試驗和三軸固結不排水蠕變試驗，獲得了土樣的基本力學特征參數(shù)，并確定了土樣在不同圍壓作用下的抗剪強度指標，分析了不

4、同圍壓下土樣的軸向應變隨時間變化規(guī)律以及不同應力水平下的軸向蠕變速率變化趨勢，總結了土樣三軸蠕變過程中的變形特性。
　　基于Origin強大的非線性擬合功能，針對兩種土體的三軸固結不排水剪切蠕變試驗結果，對一維Merchant流變模型和一維Burgers流變模型進行了參數(shù)辨識，同時也對一維Mersi經(jīng)驗流變方程和采用雙曲線函數(shù)描述應力-應變關系的冪函數(shù)經(jīng)驗流變方程中的流變參數(shù)進行了辨識，將上述四種流變模型計算結果與試驗結果進行了對

5、比分析。然后將一維Burgers流變模型推廣至三維，并根據(jù)模型特征采用回歸分析法對流變參數(shù)進行了辨識，采用FLAC3D軟件對土體蠕變試驗進行了實體建模，基于三軸流變試驗結果，進一步驗證了三維流變模型中流變參數(shù)的合理性。
　　根據(jù)荷載平衡關系建立了沉井-土的相互作用方程，將沉井沿深度方向進行離散并建立了沉井-土單元的控制微分方程，采用地基土的基床系數(shù)、截面慣性矩與沉井轉(zhuǎn)角的乘積來考慮了沉井基礎底部轉(zhuǎn)動所引起基底土產(chǎn)生的反彎矩，根據(jù)不

6、同邊界條件，進而采用矩陣傳遞法解得沉井變形與內(nèi)力的半解析解。基于土體三軸蠕變試驗結果，采用流變參數(shù)描述了土體割線模量E50的衰減規(guī)律，基于彈性模量與割線模量E50間的關系，推導了土體流變特性對地基反力模量的影響，并得到了地基反力模量的衰減表達式。采用Matlab將上述求解過程進行編程，針對模型試驗邊界條件和加載條件，對沉井模型的長期水平變形進行了計算，取地基反力模量取加權平均值，并將地基反力模量隨時間的關系引入該程序，可計算得到不同時間

7、沉井的典型變形量，計算結果與試驗結果吻合較好。此外，利用該算法，取原狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土三軸蠕變試驗結果經(jīng)參數(shù)辨識后的流變參數(shù)均值來描述土層地基反力模量的衰減規(guī)律，對望東長江公路大橋現(xiàn)場試驗中的根式沉井長期水平變形進行了計算，沉井隨時間的變化規(guī)律基本一致。
　　針對瓊州海峽大橋，采用本文提出的沉井長期水平承載特性計算理論，對該工程的基礎方案之一圓形沉井的長期水平變形進行了計算，預測了其長期全過程的變形特性，以期為其工程安全與維護提供參