填料內摩擦角的討論

填料內摩擦角的討論

根據(jù)國外相關數(shù)據(jù)的分析，有一種想法是用沉降的大圓柱形結構在軟層中建造深水碼頭。這是因為大圓柱形結構簡單，鋼量少，承受條件好，施工過程快，成本低，耐久性好。由于大圓筒結構無底,使大圓筒與筒內填料間相互作用機理比較復雜,雖然基床式大圓筒結構碼頭在我國已有應用的實例,但其設計計算的理論遠未成熟。合理地確定內填料作用在筒壁上的側壓力對圓筒結構的設計、地基承載力和地基沉降量的計算十分重要。不少學者對大圓筒內的填料壓力進行過研究,并提出了筒內填料壓力的不同計算方法,如用筒內填料的內摩擦角將填料壓力沿筒軸方向分成三個區(qū)域進行計算;也有用主動土壓力或用有底筒的儲倉壓力楊森公式等進行筒內填料的近似計算。但這些計算方法沒有分析無底筒筒內填料壓力發(fā)生變化的力學機理,沒有考慮筒無底會使筒內外土體的壓力差通過地基土發(fā)生傳遞的客觀事實,所以計算結果與實際情況相差較大。如用填料內摩擦角計算筒內填料壓力的方法,曾對國內外已建的十多個大圓筒工程進行了復核計算,計算結果表明無底筒內的填料壓力與有底筒一樣,與實際大圓筒的工作狀況不符。因此有必要就筒內填料對筒壁產(chǎn)生側壓力的計算方法進行深入地探討。1模型試驗的設計為了搞清楚無底筒筒內填料對筒壁作用的側壓力規(guī)律,在交通部天津水運工程科學研究所結構試驗廳的砂槽內進行模型試驗,砂槽高3m、寬2.55m、長6m,在砂槽內并列放置了3個無底圓筒,中間筒為內、外壁抹環(huán)氧砂漿的測試鋼筒,其兩側均為鋼筒,承擔槽壁阻力。筒高2.4m、內徑1.1m、外徑1.2m,試驗時,砂槽底鋪0.55m高的不同材料,模擬不同基床。模型試驗的示意圖見圖1。在測試筒內、外壁及筒底共布置了147個土壓力盒,它們分別布置在筒內、外壁的半個圓筒及筒底上,沿筒的橫斷面每隔20°布置一個土壓力盒。沿筒軸線方向及筒底布置土壓力盒如圖2所示。試驗圓筒的自重為10.35kN,筒內外填細砂,砂的重度為16.8kN/m3,內摩擦角φ=33.7°。試驗時,筒內外填不同高度的砂,以模擬不同的岸壁高度及筒的不同沉入深度,地基分別采用細砂,中粗砂及混凝土地面。2對原油內填充靜土壓力的試驗結果和分析2.1試驗結果來自填充波的內填充壓力對不同地基條件,不同沉入深度的圓筒靜止狀態(tài)時筒內土壓力進行測試,測試結果見表1～表4。2.2剛性地基中筒壁內填料壓力1)由表1知,在距筒頂150cm范圍內,筒內填料對筒壁產(chǎn)生側壓力的實測值同有底筒楊森公式的計算值基本吻合,在距離筒底150cm以下,實測值與楊森公式計算值相差較大,說明筒有、無底對筒上部的填料壓力沒有影響,但對筒底附近會有較大的影響。2)由表2知,對于同一種地基條件,隨著大圓筒埋入深度的增加,筒底附近的填料壓力將減少,且逐漸向楊森公式的計算值逼近。從而可知,大圓筒填料壓力符合楊森公式的范圍,與大圓筒內外土體的高差有關,當大圓筒全部沉入地基土中時,筒內外土體高差為0,筒內土壓力分布同有底筒。3)由表3知,剛性地基的筒底附近填料壓力與楊森公式計算值基本相等;細砂地基在筒頂以下180cm范圍,中粗砂地基在筒頂以下190cm范圍內,筒內填料側壓力基本上與楊森公式計算值相同,筒底以上50cm范圍內筒內填料側壓力與楊森公式計算值有較大差異,且離筒底越近,相差越大。從而可知,地基土條件越好,筒內填料壓力與楊森公式計算值基本相等的范圍越大。4)由表4知,在筒底附近,實測填料壓力與楊森公式計算值有較大的差別,但離筒底一定距離以上的填料壓力與楊森計算值能較好的吻合。由表1～表4的實測數(shù)據(jù)知,對于不同沉入深度的大圓筒,筒內填不同高度的填料,筒內填料側壓力的分布有一個共同的規(guī)律,即從筒頂以下的某一個范圍內,無底大圓筒的筒內填料壓力與有底筒的楊森公式計算值基本相同,但在筒底附近,由于大圓筒無底,使筒內填料壓力可以通過地基土傳遞給筒外土體,使無底圓筒在筒底附近的填料壓力與有底筒的楊森公式計算值有明顯的差別。從而可知,對無底筒來說,筒內填料壓力一般可以分三個不同區(qū)域進行描述。3筒壁土體向筒外擠的趨勢對于沉入式無底大圓筒,由于筒內外土體壓差的存在,地基土作為傳遞筒內外土體之間壓差的媒體,使無底圓筒筒內土體的壓力分布明顯不同于有底筒。地基土傳遞筒內外土體壓力差的能力取決于地基土性狀及筒內外土體的壓差,因此,搞清這個問題,對確定筒內土體壓力分布及壓力值是至關重要的,是建立無底筒內填料壓力計算方法的關鍵。當大圓筒內外土體高度不同時,由于大圓筒無底,使筒底土體在筒內外土體壓力差的作用下,產(chǎn)生側向變形,筒內土體通過地基土有向筒外擠的趨勢,如圖3所示。設大圓筒高度為h,沉入深度為h0,為了說明方便,設筒壁上作用的側壓力由靜止土壓力產(chǎn)生,取筒底微元土體,其上作用的水平力有:①筒內填料的側壓力k0γh;②筒外沉入部分土體的側壓力k0γh0;③土體之間的摩擦力τ。當筒內外土體的壓力差k0γ(h-h0)小于土體之間的極限摩阻力τmax時,筒內土體不會向外流動,但筒內土體有向筒外方向擠的趨勢,使筒底附近的土體密實,從而增大筒底附近作用在筒壁上的填料壓力。當k0γ(h-h0)大于τmax時,筒內土體就會向筒外移動,使筒外土面隆起,此時有可能使筒底附近作用在筒壁上的填料壓力減小。當大圓筒全部沉入地基土中,此時h0=h,使筒底微元土體上作用的筒內外土體側壓力相等,此時筒底土體在水平方向靜止不動,這時的無底筒可以看作為有底筒,填料壓力沿大圓筒高度分布可按楊森公式計算。無底大圓筒,筒內外土體壓力傳遞的性能取決于地基土的性能。筒內填料壓力作用在剛性地基上,剛性地基的變形很小,筒內填料壓力難以傳遞給筒外土體,此時剛性地基可以看作無底圓筒的底,所以筒內填料的壓力分布同有底筒倉。筒底地基土越軟弱,筒內填料在筒底附近的壓力值越遠離楊森公式的計算值,表3的實測數(shù)據(jù)也證實了這一結論。綜上所述,由于大圓筒無底,筒內外土體的高差及大圓筒的地基土性狀是影響筒內填料壓力分布的主要參數(shù),因此在確定無底大圓筒內填料壓力分布時,必須要考慮這二個因素。4在筒內填充靜土壓力的經(jīng)驗計算方法中4.1筒內填料壓力過渡區(qū)域將大圓筒內填料壓力分布沿筒高劃分成ab、bc、cd三個區(qū)域,如圖4所示。ab區(qū)域的筒內填料壓力分布符合楊森公式,其高度h1;cd區(qū)域為筒底附近的筒內填料壓力區(qū)域,其高度為h3;bc區(qū)域為筒內填料壓力的過渡區(qū)域,其高度為h2。根據(jù)表1～表4的實測數(shù)據(jù)分析整理,得筒內填料壓力三個區(qū)域高度的經(jīng)驗計算公式:h1=(1-α1h-h0h)?h(1)h1=(1?α1h?h0h)?h(1)式中:h為大圓筒內填料高度;h0為大圓筒沉入地基土中的深度;α1為地基土性狀對h1值的影響系數(shù),細砂地基α1=0.375,中粗砂地基α1=0.3125,剛性地基α1=0。h3=α2(h-h0)(2)式中:α2為地基土性狀對h3值的影響系數(shù),對于細砂地基α2=0.21,中粗砂地基α2=0.125,剛性地基α2=0。h2=h-(h1+h3)(3)4.2在筒中，填充靜壓力的經(jīng)驗計算方法為靜壓力側的壓力根據(jù)以上分析,筒內填料壓力沿筒高可分三個區(qū)域計算(圖4)。1填料截面參數(shù)的計算h1區(qū)域內的筒內填料側壓力σh可按楊森公式計算,計算式為:σΗ=Chγρμ(1-e-μΚh/ρ)σh=Κσh}(4)σH=Chγρμ(1?e?μKh/ρ)σh=Kσh}(4)式中:Ch為填料的水平壓力修正系數(shù);γ為填料的重度(kN/m3);ρ為圓筒水平凈截面的水力半徑(m);μ為填料與筒壁的摩擦因數(shù);K為側壓力系數(shù),K=tan2(45°-φ/2);h為填料頂?shù)接嬎憬孛娴木嚯x(m);φ為填料的內摩擦角(°)。2綜合修正系數(shù)kc根據(jù)式(1)算出h1,將h1代入式(4)可得B點的楊森公式計算值σB,則B點的筒內填料壓力σb為:σb=KσB(5)根據(jù)式(1)、(2)及式(3)算出h2,按式(4)算得有底筒C點的填料壓力值σc。另外,由分析知,影響無底筒內填料壓力有地基土性狀及筒內外土體高差(表明大圓筒的沉入深度)二個主要因素,從而可得無底筒C點筒內填料側壓力σc的計算模式為:σc=ΚC?σCΚC=β?γc}(6)σc=KC?σCKC=β?γc}(6)式中KC為無底筒C點位置筒內填料側壓力的綜合修正系數(shù),簡稱綜合修正系數(shù);β為地基土傳遞筒內外土體壓力能力的系數(shù),簡稱地基修正系數(shù);γc為大圓筒內外土體高差對C點位置筒內填料壓力的影響系數(shù),簡稱大圓筒沉入深度修正系數(shù)。對于無底大圓筒,地基土體傳遞壓力的性能同地基土變形模量E0及其側壓力系數(shù)ξ=υ/(1-υ)有關(υ為地基土的泊松比),而γc不但與相對沉入深度h0/h有關,而且與C點在大圓筒上所處的位置有關,經(jīng)理論分析,可得地基修正系數(shù)β及大圓筒沉入深度修正系數(shù)γc經(jīng)驗計算式為:β=υE0(1-υ)γc=(a+bh0h)?hch}(7)β=υE0(1?υ)γc=(a+bh0h)?hch}(7)對于細砂,取變形模量E0=24MPa,泊松比υ=0.25,對于中粗砂,取變形模量E0=37MPa,泊松比υ=0.29,根據(jù)表1～表4的實測數(shù)據(jù)整理分析得:β={0.0139細砂地基0.011中粗砂地基γc=(122.761-45.144h0h)hch}(8)假定h2區(qū)域內,筒內填料壓力沿筒高成線性分布,則可用直線連接σc及σB,就可計算出h2區(qū)域內任一點的筒內填料壓力。3筒內填料側壓力與h2區(qū)域筒內填料壓力的計算相似,同理可得筒內填料在筒底的側壓力綜合修正系數(shù)Kd的經(jīng)驗計算式為:Κd=β?γdβ={0.0139細砂地基0.011中粗砂地基γd=(145.5943-62.0889h0h)hchσd=Κd?σD}(9)式中σD為有底筒在D點的填料壓力。假定h3區(qū)域范圍內,筒內填料壓力沿筒高成線性分布,則可用直線連接σc及σd,就能計算出h3區(qū)域內任一點的筒內填料壓力。以上歸納了細砂地基和中粗砂地基的筒內填料側壓力計算方法。根據(jù)本文提出的大圓筒內填料靜止側向土壓力的經(jīng)驗計算式,對不同地基土性狀、筒的不同沉入深度、筒內填料不同高度等各種工況進行筒內填料靜止側向土壓力計算,將計算結果與試驗的實測結果進行比較知,計算值與實測值的相對誤差一般在5%以內,計算結果有足夠的精度,可在實際工程中應用。5筒底筒填料壓力的分布規(guī)律通過對無底筒筒內填料側壓力的實測數(shù)據(jù)分析,得出如下主要結論:1)無底大圓筒內填料壓力的計算十分復雜,理論上也沒有很好的解決辦法。以往國內、外學者研究筒內填料壓力時,只根據(jù)筒內填料固有的材料特性φ及δ等參數(shù)來描述筒內填料壓力的分布規(guī)律,而與筒無底引起填料力學特性的變化沒有直接的關系,所以以往國內外學者提出的筒內填料壓力的計算公式與實際情況不符。2)將筒底持力層土體視作傳遞筒內外土體壓力的介質,分析有底筒與無