大圓筒與粘土相互作用模型試驗(yàn)研究

大圓筒與粘土相互作用模型試驗(yàn)研究

1大重大比作用機(jī)理在之前的大圓與土壤的相互作用的研究中，無(wú)論是大圓的原型試驗(yàn)還是模型試驗(yàn)，試驗(yàn)中使用的大部分土壤都是砂質(zhì)，主要是因?yàn)樯巴翛](méi)有粘性，很容易在含有砂土的大圓的內(nèi)外土壓力中測(cè)量。“九五”攻關(guān)期間,共進(jìn)行了一百多次大圓筒與砂土相互作用的模型試驗(yàn),總結(jié)出了砂土中大圓筒筒內(nèi)外土壓力分布規(guī)律。由于我國(guó)沿海地區(qū)都存在較厚的軟土層,因此,以粘土作為試驗(yàn)用土研究大圓筒與軟土的相互作用,更具有實(shí)際意義。90年代,天津大學(xué)曾做過(guò)大圓筒與粘土相互作用模型試驗(yàn),但由于采用的模型比尺較小(模型內(nèi)徑僅為0.364m、高0.9m、模型比尺約為1/30),加上粘土中大圓筒筒內(nèi)外土壓力分布較離散,難以真實(shí)地反映出大圓筒與粘土的相互作用機(jī)理。本次模型試驗(yàn)的模型比尺約為1/10,是目前國(guó)內(nèi)最大的模型比尺,選用4組具有不同力學(xué)指標(biāo)的粘土對(duì)粘土與大圓筒的相互作用進(jìn)行了研究。2模型試驗(yàn)2.1固結(jié)試驗(yàn)用土選用天津市塘沽區(qū)的粘土和粉質(zhì)粘土作為試驗(yàn)用土。制備試驗(yàn)用土?xí)r,采用夯實(shí)、堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓等不同的固結(jié)方法。試驗(yàn)用土制備完成后主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。2.2測(cè)試筒的布置共進(jìn)行了4次大圓筒與粘土相互作用的模型試驗(yàn)。試驗(yàn)在試驗(yàn)槽中進(jìn)行,試驗(yàn)槽為鋼筋砼結(jié)構(gòu),長(zhǎng)7.7m、寬3.6m、高3.0m,試驗(yàn)槽的前端安裝有水平加力設(shè)備,后端安裝有垂直加力設(shè)備。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?個(gè)并列的無(wú)底圓筒,中間為測(cè)試筒,兩邊為邊筒,用于克服槽壁阻力以構(gòu)成平面受力狀態(tài)。測(cè)試筒尺寸有兩種,即直徑1.6m測(cè)試筒和直徑1.2m測(cè)試筒,其高度均為2.4m。直徑1.6m測(cè)試筒,內(nèi)徑1.5m,外徑1.6m,壁厚0.05m,自重11.8kN;直徑1.2m測(cè)試筒內(nèi)徑1.1m,外徑1.2m,壁厚0.05m,自重9.96kN。測(cè)試筒由鋼板焊成,為模擬混凝土粗糙度,筒內(nèi)外采用環(huán)氧砂漿罩面。在測(cè)試筒的筒底、筒內(nèi)、筒外分別布置土壓力盒,土壓力盒的位置見(jiàn)圖1。其中,在筒底每隔30°布置一個(gè)土壓力盒,共布12個(gè);筒身只在0°～180°范圍內(nèi)布置土壓力盒,每隔20°劃分一個(gè)斷面,共劃分10個(gè)斷面,在每個(gè)斷面上的筒內(nèi)、筒外由下至上布置土壓力盒并由小到大編號(hào)。邊筒為測(cè)試筒的一半,即為半圓柱筒。邊筒上不安裝測(cè)試傳感器,邊筒外表面也用環(huán)氧砂漿罩面。測(cè)試筒及邊筒上安裝有寬約15cm、厚2mm的鋼環(huán)套,其在大圓筒上的位置可以上下調(diào)整,水平力通過(guò)鋼環(huán)套均勻地施加于大圓筒上。2.3位移傳感器及加力設(shè)備各次試驗(yàn)簡(jiǎn)圖如圖2所示。4次試驗(yàn)均在槽底鋪55cm厚的密實(shí)中粗砂,以模擬砂土持力層地基,Q中粗砂容重γ為15.5kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=38.5°。4次試驗(yàn)筒內(nèi)均填滿粘土。為量測(cè)圓筒變位,在筒前1斷面頂部及中部、筒后10斷面頂部共安設(shè)了6個(gè)位移傳感器(1#～6#),用以量測(cè)筒的水平位移、豎直位移和轉(zhuǎn)角。位移傳感器布置見(jiàn)圖2。加力設(shè)備位于筒前,距大圓筒約1.6m,加力設(shè)備通過(guò)拉桿與3個(gè)筒相連。在測(cè)試筒與加力設(shè)備之間,安裝有BHR-4型荷重傳感器,用以量測(cè)水平拉力的大小。水平加力點(diǎn)位于筒前,距筒頂10cm,通過(guò)鋼環(huán)套與大圓筒相連。土壓力盒、位移計(jì)、荷重傳感器通過(guò)導(dǎo)線與TDS-601數(shù)據(jù)采集儀相連,其數(shù)值由數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄和打印,經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后,可繪制各種試驗(yàn)曲線和圖形,便于處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。3變量大鏈的變致和傾斜時(shí)間的分類3.1筒頂前方水平位移表2是粘土試驗(yàn)1各級(jí)荷載下的筒頂前后的垂直位移和筒頂、筒底的水平位移(其它各次試驗(yàn)大圓筒變位情況參見(jiàn)文獻(xiàn))。表中S1、S2分別為筒頂后、前側(cè)的豎直位移,向下為正;S3、S4分別為筒頂和筒底處的水平位移,向前為正。從表中可以看出,隨著水平荷載的增加,筒頂前方水平位移增加量最大,當(dāng)水平荷載為14kN時(shí),筒頂前方水平位移為3.13mm;當(dāng)水平荷載為20kN時(shí),筒頂前方水平位移可達(dá)11.82mm。3.2臨界傾覆狀態(tài)根據(jù)各次試驗(yàn)水平力施加過(guò)程中大圓筒的變位情況、后趾土壓力變化情況,對(duì)大圓筒傾覆時(shí)期進(jìn)行劃分。首先解釋下面幾個(gè)名詞:后趾(土壓力)為零狀態(tài)—在傾覆力(矩)的作用下,筒底后趾基底土壓力為零時(shí)大圓筒的瞬時(shí)狀態(tài);臨界傾覆狀態(tài)—在傾覆力(矩)的作用下,傾覆力(矩)增加很小而位移卻迅速增加的大圓筒的瞬時(shí)狀態(tài)稱為臨界傾覆狀態(tài),簡(jiǎn)稱臨界狀態(tài)。根據(jù)上面兩種狀態(tài)將大圓筒的傾覆分為下面3個(gè)時(shí)期:傾覆穩(wěn)定期、傾覆期及失穩(wěn)期。在研究大圓筒抗傾時(shí),后趾土壓力為零之前的時(shí)期稱為傾覆穩(wěn)定期;后趾土壓力為零與臨界狀態(tài)之間的時(shí)期稱為傾覆期;臨界狀態(tài)之后的時(shí)期稱為失穩(wěn)期。根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果,各次試驗(yàn)各傾覆時(shí)期對(duì)應(yīng)的水平荷載如表3所示。4內(nèi)壓分布規(guī)律及計(jì)算4.1土壓力強(qiáng)度隨筒內(nèi)安值變化情況圖3是試驗(yàn)1大圓筒處于不同傾覆狀態(tài)時(shí)筒內(nèi)2斷面的土壓力強(qiáng)度分布情況,圖中楊森計(jì)算值是取側(cè)壓力系數(shù)K=K0=1-sin?′、δ=?′/3計(jì)算的。式中,?′為粘性土等效內(nèi)摩擦角(每10kPa的粘聚力按6°內(nèi)摩擦角等代),δ為粘性土與筒壁之間的摩擦角,K0為靜止土壓力系數(shù)。從圖中可以看出,筒內(nèi)土壓力強(qiáng)度近似按楊森曲線分布。圖4是試驗(yàn)2筒內(nèi)2斷面上各測(cè)點(diǎn)土壓力強(qiáng)度隨水平力變化過(guò)程線。從圖中可以看出,位于筒內(nèi)底部的2-1測(cè)點(diǎn)在傾覆期土壓力強(qiáng)度呈增大趨勢(shì),位于筒內(nèi)上部的2-5、2-6測(cè)點(diǎn)在傾覆期土壓力強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)。綜合各次試驗(yàn)筒內(nèi)土壓力強(qiáng)度變化情況得出以下結(jié)論:傾覆穩(wěn)定期,筒內(nèi)土壓力強(qiáng)度變化不大;傾覆期筒內(nèi)前方土壓力強(qiáng)度減少、筒內(nèi)后方土壓力強(qiáng)度增大。傾覆穩(wěn)定期、傾覆期土壓力強(qiáng)度不同,但均按三角形分布。土壓力強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與楊森公式計(jì)算值基本吻合。據(jù)此做以下建議:筒內(nèi)土壓力強(qiáng)度按三角形分布;傾覆穩(wěn)定期、傾覆期土壓力均按楊森公式計(jì)算,傾覆穩(wěn)定期取側(cè)壓力系數(shù)K=K0=1-sin?′、δ=?′/3計(jì)算。傾覆期,筒內(nèi)前方適當(dāng)減小K的取值,筒內(nèi)后方適當(dāng)增大K的取值。K值的大小與大圓筒所處的傾覆階段有關(guān),還與筒內(nèi)填料的性質(zhì)有關(guān),由于試驗(yàn)次數(shù)較少,尚不能給出K的準(zhǔn)確取值,有待今后進(jìn)一步研究。4.2土壓力強(qiáng)度變化情況圖5是試驗(yàn)3大圓筒處于不同傾覆狀態(tài)時(shí)筒前1斷面的土壓力強(qiáng)度分布情況,圖中筒前粘土土壓力強(qiáng)度計(jì)算值是按朗金被動(dòng)土壓力公式計(jì)算的。從圖中可以看出,筒前土壓力強(qiáng)度近似呈梯形分布,筒前土壓力強(qiáng)度實(shí)測(cè)值比計(jì)算值小。圖6是試驗(yàn)3筒前2斷面上各測(cè)點(diǎn)土壓力強(qiáng)度隨水平力變化過(guò)程線。從圖中可以看出,位于筒前上部的2+2、2+3、2+4、2+5、2+6測(cè)點(diǎn)在傾覆期土壓力強(qiáng)度呈增大趨勢(shì),位于筒前底部的2+1測(cè)點(diǎn)土壓力強(qiáng)度變化不大。綜合各次試驗(yàn)筒前土壓力強(qiáng)度變化情況得出以下結(jié)論:傾覆穩(wěn)定期筒前土壓力強(qiáng)度變化不大;傾覆期,1～4斷面土壓力強(qiáng)度增大,5斷面基本不變。筒后無(wú)均布荷載的試驗(yàn)3,筒前實(shí)測(cè)土壓力強(qiáng)度只達(dá)到朗金理論被動(dòng)土壓力強(qiáng)度計(jì)算值的10%～50%;筒后均布荷載較大的試驗(yàn)4,筒前1斷面土壓力強(qiáng)度在臨界狀態(tài)時(shí)與朗金理論被動(dòng)土壓力強(qiáng)度計(jì)算值較接近,筒前2～5斷面在臨界狀態(tài)時(shí)土壓力強(qiáng)度是朗金理論被動(dòng)土壓力強(qiáng)度計(jì)算值的30%～50%。筒前土壓力的大小與大圓筒的變位,即所處的傾覆時(shí)期有關(guān)。傾覆穩(wěn)定期達(dá)不到被動(dòng)土壓力,建議筒前土壓力取0.2～0.3倍的朗金被動(dòng)土壓力;傾覆期建議筒前土壓力取0.3～0.5倍的朗金被動(dòng)土壓力;臨界狀態(tài)時(shí)建議筒前土壓力取0.5倍的朗金被動(dòng)土壓力。4.3筒后土壓力強(qiáng)度變化情況圖7、圖8是大圓筒處于不同傾覆狀態(tài)時(shí)筒后10斷面的土壓力強(qiáng)度理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖,圖中的土壓力強(qiáng)度計(jì)算值為朗金理論主動(dòng)土壓力強(qiáng)度計(jì)算值及用等代內(nèi)摩擦角法計(jì)算的庫(kù)侖主動(dòng)土壓力強(qiáng)度(取外摩擦角δ=?′/3)計(jì)算值。從圖中可以看出,筒后土壓力強(qiáng)度近似呈三角形分布,筒后無(wú)均布荷載的試驗(yàn)1,土壓力強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值擬合不好;筒后均布荷載較大的試驗(yàn)4(q=52.5kPa),土壓力強(qiáng)度實(shí)測(cè)值是計(jì)算值的60%左右,擬合較好。圖9、圖10是筒后幾個(gè)斷面上各測(cè)點(diǎn)土壓力強(qiáng)度隨水平力變化過(guò)程線。從圖中可以看出,位于筒后的9+2、9+3、9+6、10+6、10+8測(cè)點(diǎn)在傾覆期土壓力強(qiáng)度呈減小趨勢(shì),位于筒后底部的10+2測(cè)點(diǎn)土壓力強(qiáng)度變化不大。綜合各次試驗(yàn)筒后土壓力強(qiáng)度變化情況得出以下結(jié)論:筒后土壓力強(qiáng)度近似呈三角形分布。傾覆穩(wěn)定期筒后土壓力強(qiáng)度沒(méi)有變化或變化較小,傾覆期筒后土壓力強(qiáng)度逐漸減小,筒后底部土壓力強(qiáng)度基本不變化或略有減少。筒后無(wú)均布荷載或均布荷載較小時(shí),庫(kù)侖主動(dòng)土壓力強(qiáng)度理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值擬合較好;朗金理論主動(dòng)土壓力強(qiáng)度計(jì)算值為0kPa,筒底處土壓力強(qiáng)度實(shí)測(cè)值試驗(yàn)1、2、3分別為10～20kPa、10～40kPa、15kPa?？梢?jiàn),朗金理論主動(dòng)土壓力強(qiáng)度計(jì)算值比實(shí)測(cè)值小、擬合不好。筒后均布荷載較大的試驗(yàn)4朗金理論主動(dòng)土壓力強(qiáng)度計(jì)算值是實(shí)測(cè)值的60%左右,庫(kù)侖主動(dòng)土壓力強(qiáng)度理論計(jì)算值比實(shí)測(cè)值大、擬合不好。試驗(yàn)1、2、3筒后土壓力強(qiáng)度朗金理論計(jì)算值比實(shí)測(cè)值小與模型試驗(yàn)本身的缺陷有關(guān),現(xiàn)分析如下:朗金主動(dòng)土壓力強(qiáng)度ea的計(jì)算公式是:ea=(q+Σγh)Ka-2cK0.5aa0.5,式中:ea——朗金主動(dòng)土壓力強(qiáng)度(kPa);q——筒后均布荷載(kPa);γ——土的容重(kN/m3);h——筒后土層厚度(kN/m3);c——粘土的粘聚力(kPa);Ka——朗金主動(dòng)土壓力系數(shù),Ka=tg2(45°-Φ/2),Φ為粘土的內(nèi)摩擦角。式中第一項(xiàng)是土層厚度h的一次函數(shù),第二項(xiàng)是一個(gè)與粘聚力有關(guān)的負(fù)數(shù),當(dāng)h較小時(shí),ea<0,由于土不能承受拉力,取ea=0,這正是試驗(yàn)1、2、3中ea=0的原因。在大圓筒原型應(yīng)用中,由于土層厚度較大、筒后均布荷載也較大,ea計(jì)算公式中第一項(xiàng)所起的作用較大,第二項(xiàng)所起的作用將減少,模型試驗(yàn)中土層厚度h較小產(chǎn)生的相對(duì)誤差在原型中將逐漸減小。試驗(yàn)4中,筒后加均布荷載q=52.5kPa,朗金主動(dòng)土壓力強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合。也正是這個(gè)原因,q值越大,c對(duì)土壓力的相對(duì)影響越小。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,建議按下列方法計(jì)算筒后土壓力:大圓筒傾覆過(guò)程中,筒后土壓力強(qiáng)度有減小趨勢(shì),建議筒后粘土土壓力按朗金主動(dòng)土壓力計(jì)算——筒后粘土土壓力取0.5～0.7倍的朗金主動(dòng)土壓力。當(dāng)筒后粘土層埋深較小、粘土粘聚力較大、筒后均布荷載較小時(shí),可選用庫(kù)侖主動(dòng)土壓力強(qiáng)度公式用等代內(nèi)摩擦角法計(jì)算筒后土壓力強(qiáng)度。筒后土壓力強(qiáng)度按三角形分布,筒后均布荷載按矩形分布。5模型試驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)同一斷面上正常土壓力值;由于粘土具有粘聚力,試驗(yàn)時(shí)盡管采取了很多措施,以保證試驗(yàn)用土的均質(zhì)性,但土壓力強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果卻仍有較大的誤差,甚至在有些斷面上出現(xiàn)了同一斷面上土壓力強(qiáng)度下面小、上面大的現(xiàn)象。這些都是制備土樣或沉放大圓筒時(shí)產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差造成的,這也是大圓筒模型試驗(yàn)多用砂土而不用粘土的主要原因。分析大圓筒與粘土相互作用時(shí),不能只看某點(diǎn)某時(shí)刻的土壓力強(qiáng)度,而是看其發(fā)展趨勢(shì)。也正是基于這種想法,本著客觀實(shí)際的態(tài)度,文中對(duì)所附圖中土壓力強(qiáng)度呈跳動(dòng)狀態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果未做修正。6筒前土壓力計(jì)算(1)筒內(nèi)土壓力強(qiáng)度近似按楊森曲線分布。筒內(nèi)土壓力可按楊森公式計(jì)算:傾覆穩(wěn)定期取K=K0=1-sin?′,δ=?′/3。式中,K0為靜止土壓力系數(shù),?′為粘性土等效內(nèi)摩擦角(每10kPa的粘聚力按6°內(nèi)摩擦角等代),δ為粘性土與筒壁之間的外摩擦角;傾覆期,筒內(nèi)前方適當(dāng)減小K的取值,筒內(nèi)后方適當(dāng)增大K的取值。(2)筒前土壓力強(qiáng)度近似呈梯形分布。筒前土壓力按朗金被動(dòng)土壓力計(jì)算:傾覆穩(wěn)定期建議筒前土壓力取0.2～0.3倍的朗金被動(dòng)土壓力;傾覆期建議筒前土壓力取0.3～0.5倍的朗金被動(dòng)土壓力;臨界狀態(tài)時(shí)建議筒前土壓力取0.5倍的朗金被動(dòng)土壓力。(3)筒后土壓力強(qiáng)度近似按三角形分布(筒后有均布荷載時(shí)近似按梯形分布)。建議筒后粘土土壓力按朗金主動(dòng)土壓力計(jì)算——筒后粘土土壓力取0.5～0.7倍的朗金主動(dòng)土壓力。當(dāng)筒后粘土埋深較小、粘土粘聚力較大、筒后無(wú)均布荷載時(shí),可選用庫(kù)侖主動(dòng)土壓力公式用等代內(nèi)摩擦角法計(jì)算筒后土壓力。(4)從模型試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算值的對(duì)比可知,用常規(guī)算法及經(jīng)典土壓力理論可以計(jì)算粘土中大圓筒筒內(nèi)外土壓力,計(jì)算精度取決于側(cè)壓力系數(shù)K的取值。側(cè)壓力系數(shù)K不僅與大圓筒所處的傾覆時(shí)期有關(guān),還與大圓筒周圍土的性質(zhì)有關(guān);由于試驗(yàn)次數(shù)較少,目前尚不能給出K的準(zhǔn)確取值,只給出了K的取值范圍。K的取值問(wèn)題有待今后在工程實(shí)踐中逐漸完善。(5)在大圓筒的傾覆過(guò)程中,筒內(nèi)前方底部土壓力、筒外前方上部土壓力逐漸增大,說(shuō)明底部土體及筒前土體對(duì)抵抗大圓筒的傾覆貢獻(xiàn)較大,可以認(rèn)為這兩個(gè)部位是大圓筒抗傾的兩個(gè)關(guān)鍵部位。因此,在實(shí)際工程中應(yīng)保證大圓筒筒底沉入較硬的土層中,并將筒前土體加以處理,以增強(qiáng)大