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泰州大橋中塔沉井基礎(chǔ)承載力模型試驗(yàn)研究

2012-07-07 02:11靜,胡
中國工程科學(xué) 2012年5期
關(guān)鍵詞:沉井沖刷承載力

阮 靜,胡 豐

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210098;2.江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部,江蘇泰州 225321;3.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,南京 210098)

1 前言

泰州大橋采用主跨為1 080 m三塔兩跨懸索橋,中塔位于主江中心,河床標(biāo)高為▽-15.0 m,河床較穩(wěn)定。河床長期受流砂沖積影響,覆蓋層極為深厚,基巖埋藏在200 m以下,中塔基礎(chǔ)處從河床面向下到▽-55 m以粉細(xì)砂為主,▽-55 m到▽-68 m以中粗砂為主,▽-68 m到▽-79 m以細(xì)砂為主,▽-79 m以下以中砂、礫砂為主。三塔兩跨懸索橋的結(jié)構(gòu)要求中塔有足夠的變形剛度及抵抗船舶撞擊(或地震力)的能力。通過對沉井基礎(chǔ)和高樁承臺(tái)鉆孔樁基礎(chǔ)等多項(xiàng)基礎(chǔ)方案的比選,最終采用自身結(jié)構(gòu)剛度大、地基承載力要求相對較低、抵抗水平力性能較好的沉井基礎(chǔ)。根據(jù)塔柱底的構(gòu)造與受力要求,沉井采用58 m×44 m四角倒圓的矩形沉井,沉井總高76 m。為能在深水中順利施工,沉井下部為鋼殼混凝土結(jié)構(gòu),上部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

泰州大橋中塔重量為1.35萬t,承臺(tái)及塔座自重4.56 萬 t,沉井自重為 15.27 萬 t,封底混凝土自重為4.68萬t。一般工況時(shí),上部結(jié)構(gòu)傳到沉井頂面的軸力為4.6萬(恒載)~5.0萬 t(恒載 +活載)。泰州大橋中塔沉井基礎(chǔ)端部持力層為砂層。沉井基礎(chǔ)尺寸大,施工過程摩擦力削弱過大,設(shè)計(jì)中不考慮沉井側(cè)面土的摩阻力,主要考慮端部土承載力,因而端部土承載力的合理計(jì)算顯得極其重要[1]。對于超大超深沉井基礎(chǔ)的端部土豎向承載力的計(jì)算尚沒有找到合適的參考文獻(xiàn),設(shè)計(jì)參考了《公路橋涵地基基礎(chǔ)規(guī)范》淺基礎(chǔ)計(jì)算公式,該計(jì)算公式是在小平板現(xiàn)場試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立的,基礎(chǔ)呈整體剪切破壞,試驗(yàn)板最大尺寸不大于1 m2、埋深不大于6 m,公式中雖然考慮了地基土的深度修正和寬度修正,其實(shí)質(zhì)還是仍適用于淺基礎(chǔ)情況。因此泰州大橋開展了模型試驗(yàn),獲取極限承載力與沉井埋深、土體含水量、側(cè)壁摩阻力之間的關(guān)系,并根據(jù)相似理論將模型極限承載力轉(zhuǎn)化為實(shí)橋極限承載力,確保泰州大橋結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。

2 中塔沉井基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

模型相似比設(shè)定為1∶100。試驗(yàn)前期用混凝土制作沉井模型,并在沉井外壁安置相應(yīng)測試傳感器。將沉井模型置于含土試驗(yàn)槽內(nèi),在沉井頂部以連續(xù)加載方式分級(jí)施加豎向載荷,通過位移表、應(yīng)變計(jì)、土壓力表等量測原件獲得相應(yīng)物理量,從而確定沉井的承載性能。

泰州大橋中塔沉井為深水基礎(chǔ),為考慮水下環(huán)境的影響,試驗(yàn)土體分一般含水量和飽和含水量兩種工況。由于中塔基礎(chǔ)局部沖刷較為嚴(yán)重[2],試驗(yàn)還以不同沉井埋深來模擬多個(gè)沖刷深度對承載力的影響。其中不發(fā)生沖刷沉井埋深是55 m,一般沖刷沉井埋深是50 m,局部沖刷沉井埋深是10 m。根據(jù)模型相似比,對應(yīng)模型的埋深分別為55 cm、50 cm和10 cm,一般沖刷和局部沖刷的深度跨度較大,故試驗(yàn)增加埋深30 cm和0 cm的情況。為考慮沉井的深部效應(yīng),去掉摩阻力對基礎(chǔ)影響,試驗(yàn)還增加了沉井埋深仍是55 cm,但井壁外側(cè)與土分離的工況。因此,試驗(yàn)共含有如下12組工況[3](見表1)。

表1 模型試驗(yàn)的試驗(yàn)工況Table 1 Test conditions of physics model experiment

2.2 試驗(yàn)?zāi)P?/h3>

沉井自身剛度遠(yuǎn)大于相鄰?fù)馏w,因此可視為剛體,模型采用鋼筋混凝土為主要材料制作。沉井模型含井身和底板兩部分,由于沉井實(shí)際尺寸為長58 m、寬44 m、高76 m,根據(jù)相似比系數(shù),井身尺寸為長0.58 m、寬 0.44 m、高 0.76 m,中間為邊長0.26 m正方形孔,四角為0.1 m圓角,底板厚度為6 cm。試驗(yàn)土層采用均質(zhì)土層,有關(guān)物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場原型土層分布按厚度進(jìn)行加權(quán)平均,選用物理力學(xué)參數(shù)相近的南京某深基坑粉砂作為原型土的相似土,土體物理參數(shù)見表2。

表2 模型土物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of soil used in model experiment

試驗(yàn)槽尺寸設(shè)計(jì)為3 m×2.52 m×2 m,可使沉井模型外緣至土槽邊緣的距離遠(yuǎn)大于模型半寬,并在模型槽內(nèi)側(cè)用土工薄膜處理,以適應(yīng)考慮地下水位方案的需要。試驗(yàn)加載采用噸位為20 t的千斤頂置于模型頂部,同時(shí)在試驗(yàn)槽內(nèi)放置反力梁以產(chǎn)生反力,沉井模型及其加載裝置如圖1所示。采用電阻應(yīng)變式微型土壓力盒測量模型基底中心點(diǎn)反力和角點(diǎn)反力,采用電阻應(yīng)變式位移計(jì)測量模型頂部位移,采用河海大學(xué)自行研制的摩阻力測試盒測試模型側(cè)壁摩阻力。

圖1 沉井模型及其加載裝置Fig.1 Caisson model and its loading device

2.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用人工千斤頂加載方式,千斤頂頂端連有壓力傳感器,可實(shí)時(shí)獲知壓力值,經(jīng)計(jì)算每級(jí)施加0.5 t荷載,待每一級(jí)荷載達(dá)到穩(wěn)定時(shí),記錄下所有傳感器量測值,然后再進(jìn)行下一級(jí)加載。當(dāng)沉井頂部位移變化過大且千斤頂讀數(shù)難以穩(wěn)定時(shí),結(jié)束加載并卸載。以工況1為例,該工況下沉井模型埋深55 cm,土體含水量為9.2%。以每級(jí)0.5 t加載,在第32級(jí)時(shí)千斤頂讀數(shù)難以穩(wěn)定,位移變化較大,停止加載,土體表面已存在微裂縫,以第31級(jí)荷載15.5 t為極限荷載,可獲得各級(jí)荷載下模型的頂部位移、基底中心點(diǎn)反力、基底角點(diǎn)反力以及側(cè)壁摩阻力。模型基底反力與豎向荷載變化關(guān)系如圖2所示,側(cè)壁摩阻力與豎向荷載變化關(guān)系如圖3所示。

圖2 基底反力與豎向荷載變化關(guān)系(工況1)Fig.2 Relationship of base counter-force and vertical load variation(Condition 1)

圖3 側(cè)壁摩阻力與豎向荷載變化關(guān)系(工況1)Fig.3 Relationship of side wall frictional resistance and vertical load variation(Condition 1)

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 承載性能對比

將不同埋深工況下的荷載-位移曲線進(jìn)行對比,圖4為非飽和土體沉井模型荷載-位移曲線,圖5為飽和土體沉井模型荷載-位移曲線。由圖可知,模型埋深越小,每級(jí)荷載下位移值越大,最終加載極限值也越小。沉井模型在不同埋深、不同含水量條件下,極限承載力變化曲線如圖6所示,從圖中可知沉井埋深越大,沉井極限承載力也越大。埋深0 cm工況的承載力是埋深55 cm工況的45%左右,說明沖刷對基礎(chǔ)的承載力影響很大。而含水量變大會(huì)使承載力降低,土體飽水相對于土體非飽水時(shí),承載力降低8.33% ~24.00%。

圖4 荷載-位移曲線(非飽和土體)Fig.4 Curve of load and displacement(unsaturated soil)

圖5 荷載-位移曲線(飽和土體)Fig.5 Curve of load and displacement(saturated soil)

圖6 極限承載力與沉井埋深關(guān)系曲線Fig.6 Curve of the ultimate bearing capability and caission sinking depth

2.4.2 埋深效應(yīng)分析

對比工況1、工況2、工況7和工況8可知,基礎(chǔ)摩阻力占總承載力比重較小,承載力主要來自于基底土反力。工況1與工況2埋深相同,極限承載力相差3 t,由于工況2還缺少井壁周圍部分土體,故工況1摩阻力所占總承載力比重要小于19.3%。工況7和工況8埋深相同,但由于基礎(chǔ)和土體均處在水中,受水壓影響,二者承載力只相差0.5 t,說明摩阻力對水下沉井基礎(chǔ)作用更小。再對比其他工況可知,基底的極限承載力與埋深有顯著關(guān)系。受水壓和潤滑作用影響,對水下基礎(chǔ)而言,側(cè)壁摩阻力對沉井基礎(chǔ)中承載力的貢獻(xiàn)更小。

3 實(shí)橋沉井承載性能轉(zhuǎn)化

由相似理論,實(shí)橋荷載-位移曲線可按以下方法轉(zhuǎn)化。半平面受豎向分布載荷的沉降彈性計(jì)算公式為

式(1)中,q為荷載集度;E為土體彈性模量;s為基點(diǎn)距分布力中點(diǎn)距離;c為分布荷載寬度;r為微分力至分布荷載中心點(diǎn)處距離。

實(shí)橋沉井與模型沉井的沉降比為

式(2)中,Qp、Qm分別為實(shí)橋與模型沉井頂部荷載;Ap、Am分別為實(shí)橋與模型沉井橫截面面積;Ep、Em分別為實(shí)橋與模型土體彈性模量。

以實(shí)橋基底土層壓縮模量(12.20 MPa)作為Ep,模型土壓縮模量(13.51 MPa)作為Em,根據(jù)相似系數(shù),Qp/Qm=104、Ap/Am=104,則沉降比ηp/ηm=1.11 。

分別以模型埋深55、50、30 cm作為無沖刷、一般沖刷及局部沖刷工況,再將沉降比代入模型荷載-位移關(guān)系曲線,可得實(shí)橋沉井荷載-位移曲線(見圖7)。由圖7可知,各種沖刷條件下的荷載-位移曲線拐點(diǎn)均大于設(shè)計(jì)荷載,可證明大橋沉井基礎(chǔ)承載力滿足設(shè)計(jì)要求。無沖刷和局部沖刷時(shí)所對應(yīng)的極限承載力分別11萬t和7萬t,說明沖刷使得基礎(chǔ)承載力降低36.36%。在最大工況荷載(5萬t)作用下,無沖刷和局部沖刷對應(yīng)的位移分別為3.45 cm和4.45 cm,說明沖刷使得豎向位移增加29.85%。

圖7 實(shí)橋沉井荷載-位移曲線Fig.7 Curve of load and displacement for real bridge

4 結(jié)語

1)沉井基礎(chǔ)每級(jí)荷載下的位移值大小與埋深有關(guān),埋深越大位移值越小,極限承載力越大。埋深0 cm工況的承載力是埋深55 cm工況的45%左右,說明沖刷對基礎(chǔ)的承載力影響很大。

2)土體含水量的增大會(huì)使基礎(chǔ)承載力降低8.33% ~24.00%,具體降低數(shù)值與基礎(chǔ)埋深等的變化相關(guān)。

3)基礎(chǔ)側(cè)壁摩阻力對沉井總承載力貢獻(xiàn)較小,沉井基礎(chǔ)承載力主要來自于基底土反力。受水壓和潤滑作用影響,對水下基礎(chǔ)而言,側(cè)壁摩阻力對沉井基礎(chǔ)中承載力的貢獻(xiàn)更小。

[1]童小東,殷永高,徐 敏,等.沉井基礎(chǔ)豎向承載力試驗(yàn)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2009,5(5):897 -902.

[2]盧中一,高正榮.泰州大橋施工期局部沖刷試驗(yàn)報(bào)告[R].南京:江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部,2007.

[3]邵國建,胡 豐.泰州大橋中塔沉井基礎(chǔ)承載能力研究報(bào)告[R].南京:江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部,2011.

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