高志偉，陳甦，李武，，程澤坤，蔡正銀

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029）

0 引言

我國(guó)沿海從北到南廣泛分布著淤泥質(zhì)海岸帶，如上海、天津、連云港、寧波舟山、溫州等，軟土深厚、物理力學(xué)指標(biāo)差，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)水運(yùn)工程又好又快地建設(shè)要求。為此，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為一種新型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是依托連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程而提出的，適于外海軟土地基。但是該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算模式還在探討中。參照桶形基礎(chǔ)[1-8]的研究成果知，土壓力是桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算的核心內(nèi)容，其分布規(guī)律和大小對(duì)計(jì)算結(jié)果起到控制作用。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該類(lèi)結(jié)構(gòu)土壓力計(jì)算進(jìn)行初步研究，王元戰(zhàn)等[9]人采用有限元方法，分析了桶型基礎(chǔ)上土壓力的大小及豎向和環(huán)向分布規(guī)律，并與Rankine主動(dòng)、被動(dòng)土壓力和靜止土壓力進(jìn)行了比較。劉振紋等[10]人采用模型試驗(yàn)研究了桶型基礎(chǔ)土壓力分布。劉建起等[11]人采用模型試驗(yàn)、量測(cè)作用在無(wú)底圓筒結(jié)構(gòu)上的土壓力，分析無(wú)底圓筒結(jié)構(gòu)與內(nèi)填土和地基的相互作用。李華鑾[12]采用有限元方法對(duì)土性參數(shù)、桶體的高徑比對(duì)桶形基礎(chǔ)水平承載力、桶體外側(cè)土壓力分布規(guī)律的影響進(jìn)行了研究。施曉春等[13-14]通過(guò)試驗(yàn)和三維有限元的數(shù)值模擬，研究了在水平荷載作用下不同土體特性對(duì)桶體變位、桶體外側(cè)土壓力分布規(guī)律的影響。王廣德等[15]通過(guò)對(duì)大圓筒與黏土相互作用的模型試驗(yàn)研究了黏土中大圓筒筒內(nèi)外土壓力的分布規(guī)律，提出了黏土中大圓筒筒內(nèi)外土壓力的計(jì)算方法。

綜上所述，與桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)土壓力相關(guān)的研究都集中在均質(zhì)土體范圍內(nèi)，對(duì)于不同性質(zhì)的分層土體研究鮮見(jiàn)報(bào)道，而桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為岸壁使用時(shí)，由上到下分布很多土層，已有土壓力計(jì)算理論得出的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差別明顯，影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此本文采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，研究桶式基礎(chǔ)在砂土、淤泥、粉質(zhì)黏土等三個(gè)土層同時(shí)存在時(shí)，土壓力分布規(guī)律。

1 模型試驗(yàn)

1.1 桶體模型尺寸

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室水槽尺度，確定桶體穩(wěn)定性試驗(yàn)的模型尺寸，詳細(xì)尺寸見(jiàn)表1。

表1 桶體模型尺度mm

1.2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

下桶上共安裝土壓力傳感器79個(gè)（圖1），分布于桶內(nèi)壁（I）、外壁（O）、底端（B）、頂端（T）以及淤泥與粉質(zhì)黏土交界面上（面向淤泥）（BM）。

圖1 土壓力傳感器位置示意圖

由圖2可知，按照試驗(yàn)測(cè)得的土力學(xué)指標(biāo)，根據(jù)郎金理論計(jì)算結(jié)構(gòu)的主被動(dòng)土壓力曲線位于測(cè)試曲線中間，主動(dòng)土壓力測(cè)試值起始階段大于計(jì)算值，隨深度增加與計(jì)算值的差值減小，直到土層突變小于計(jì)算值，總體合力與計(jì)算值相當(dāng)；被動(dòng)土壓力測(cè)試值的規(guī)律與主動(dòng)土壓力相反，總體合力略大于計(jì)算值。

圖2 實(shí)測(cè)土壓力與主動(dòng)被動(dòng)土壓力對(duì)比

2 有限元模型

采用Plaxis有限元軟件對(duì)桶式基礎(chǔ)模型的土壓力進(jìn)行分析，建立的桶體有限元模型如圖3所示，模型驗(yàn)證結(jié)果如圖4。

圖3 有限元模型計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

圖4為有限元分析的土壓力值與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比結(jié)果，實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元模型計(jì)算結(jié)果是相符的，有限元模型分析可以反映桶式基礎(chǔ)的土壓力分布規(guī)律。

圖4 實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值比較

3 桶式基礎(chǔ)土壓力分布規(guī)律研究

建立桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有限元模型，分析不回填狀態(tài)和回填狀態(tài)土壓力分布規(guī)律。

根據(jù)某工程地質(zhì)資料，針對(duì)設(shè)計(jì)高水位時(shí)不考慮回填和設(shè)計(jì)低水位時(shí)考慮回填，分別計(jì)算桶壁土壓力分布。如圖5、圖6所示。

圖5 波浪有限元模型

圖6 回填有限元模型

設(shè)計(jì)波浪荷載作用下桶體主動(dòng)土壓力側(cè)和被動(dòng)土壓力側(cè)的土壓力有限元計(jì)算結(jié)果以及根據(jù)郎金理論計(jì)算的主、被動(dòng)土壓力結(jié)果如圖7所示。

圖7 波浪荷載作用下土壓力分布

圖7計(jì)算結(jié)果表明，有限元分析得到的被動(dòng)土壓力位于郞金計(jì)算的被動(dòng)土壓力與主動(dòng)土壓力之間，說(shuō)明在波浪荷載作用下，桶體受到的被動(dòng)土壓力遠(yuǎn)未達(dá)到理論計(jì)算土壓力的界限。主動(dòng)土壓力在淤泥層中上部，有限元計(jì)算結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果相近，在下部變化較大，這是由于波浪荷載引起桶體轉(zhuǎn)動(dòng)在主動(dòng)側(cè)形成局部被動(dòng)區(qū)，這一現(xiàn)象與王元戰(zhàn)等[9]人的研究結(jié)論相同。

回填荷載作用下，下桶體主動(dòng)土壓力側(cè)和被動(dòng)土壓力側(cè)的土壓力有限元計(jì)算結(jié)果及根據(jù)郎金理論計(jì)算的主、被動(dòng)土壓力結(jié)果如圖8、圖9。

圖8 回填荷載作用下主動(dòng)土壓力分布

圖9 回填荷載作用下被動(dòng)土壓力分布

由圖8可知，回填荷載作用下，下桶土壓力分布形式在淤泥層內(nèi)與理論計(jì)算值相近，這說(shuō)明回填荷載作用下，結(jié)構(gòu)水平位移可以讓主動(dòng)土壓力充分發(fā)揮。但是在淤泥與粉土交界面附近主動(dòng)土壓力發(fā)生顯著變化，在距粉質(zhì)黏土表面3m范圍內(nèi)淤泥產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力向粉質(zhì)黏土產(chǎn)生主動(dòng)土壓力變化，這說(shuō)明不同土層之間通過(guò)摩擦力和黏聚力互相影響，影響范圍在2～3m之間。進(jìn)入粉土層后，主動(dòng)土壓力變化規(guī)律與理論值再次靠近。分析圖9得到，被動(dòng)土壓力值小于理論計(jì)算值，在分界面附近土壓力變化不是十分顯著，相對(duì)主動(dòng)土壓力變化幅度小，這說(shuō)明被動(dòng)土壓力在回填荷載作用下沒(méi)有充分發(fā)揮，未達(dá)到極限狀態(tài)，但與水工常用的行業(yè)規(guī)范規(guī)定的被動(dòng)土壓力打0.3～0.6的折扣所不同，取值范圍應(yīng)在0.8～1.0之間。

由圖10可以看出，回填荷載作用下，粉質(zhì)黏土層的十字板強(qiáng)度變化，主動(dòng)土壓力也隨之變化。當(dāng)粉質(zhì)黏土強(qiáng)度為30 kPa時(shí)，與淤泥在此埋深的強(qiáng)度相近，主動(dòng)土壓力變化與理論計(jì)算結(jié)果的發(fā)展規(guī)律相似，但是粉質(zhì)黏土強(qiáng)度增長(zhǎng)，對(duì)界面附近淤泥產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力影響愈大，通過(guò)分析，界面以上3m范圍內(nèi)，由淤泥產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力急速變化到粉質(zhì)黏土產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力。再觀察圖11可知，土體被動(dòng)土壓力與主動(dòng)土壓力規(guī)律不同，粉質(zhì)黏土強(qiáng)度越大，被動(dòng)土壓力越小，這是因?yàn)樵谙嗤靥詈奢d作用下，強(qiáng)度高的土體產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力小，再通過(guò)桶體傳到對(duì)面土體上引起的被動(dòng)土壓力也小，因此與主動(dòng)土壓力規(guī)律相反。但總體上看，由于回填荷載使桶體以平移為主，因此被動(dòng)土壓力相對(duì)容易達(dá)到極限值。

圖10 粉質(zhì)土不同強(qiáng)度主動(dòng)土壓力分布

圖11 粉質(zhì)土不同強(qiáng)度被動(dòng)土壓力分布

由圖12可以看出，回填土對(duì)桶體產(chǎn)生主動(dòng)土壓力與土分層有關(guān)，還與回填工序有關(guān)，如果分層回填，在分層界面上主動(dòng)土壓力會(huì)減小，這是由于分層面強(qiáng)度增長(zhǎng)引起的。在下桶蓋板上主動(dòng)土壓力發(fā)生突變，是由于蓋板對(duì)回填摩擦及蓋板與外側(cè)土體沉降不一致作用引起的，使產(chǎn)生主動(dòng)土壓力的楔體發(fā)生變化，在局部形成拱效應(yīng)減少主動(dòng)土壓力。

圖12 回填荷載作用下上下桶主動(dòng)土壓力分布

4 結(jié)語(yǔ)

建立桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)三維有限元模型，并與試驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證三維有限元模型中參數(shù)選取的合理性，進(jìn)而證明采用有限元模型研究桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的土壓力分布規(guī)律是可行的。通過(guò)三維有限元的數(shù)值模擬，研究了波浪荷載和回填荷載作用下，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不同土層產(chǎn)生的側(cè)土壓力分布規(guī)律，得到的初步結(jié)論為：

1）桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在同一層土體中，主動(dòng)土壓力的有限元方法計(jì)算值與理論計(jì)算值相近略偏小。

2）波浪荷載作用下，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以轉(zhuǎn)動(dòng)為主，因此桶式基礎(chǔ)受到的土壓力中，主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)的分布比較復(fù)雜，在桶體同一側(cè)即存在主動(dòng)區(qū)也存在被動(dòng)區(qū)，計(jì)算時(shí)要分別計(jì)算，同時(shí)考慮位移對(duì)土壓力影響，計(jì)算出土壓力應(yīng)乘以一個(gè)折減系數(shù)，折減系數(shù)一般取為0.6～0.8之間。

3）回填荷載作用下，在土層分界面附近，強(qiáng)度低的土層產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力受強(qiáng)度高土層的限制，影響高度為2～3m。

4）回填荷載作用下，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以平移為主，桶體兩側(cè)土壓力可以充分發(fā)展，主動(dòng)土壓力可以達(dá)到極限值，被動(dòng)土壓力也接近計(jì)算值，可以考慮不折減。

5）回填工序?qū)χ鲃?dòng)土壓力有影響，分層施工的界面附近主動(dòng)土壓力小于理論計(jì)算值，在桶蓋板2～3m范圍內(nèi)主動(dòng)土壓力發(fā)生突變。

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