沉入式圓筒結(jié)構(gòu)土壓力試驗研究

沉入式圓筒結(jié)構(gòu)土壓力試驗研究

沉降式圓管結(jié)構(gòu)是直接沉入地下基底的無底薄殼結(jié)構(gòu)。與具有底部重力結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相比，其結(jié)構(gòu)中存在著復雜的土壤和結(jié)構(gòu)物質(zhì)之間的相互作用。這種相互作用主要表現(xiàn)為筒壁與內(nèi)填料相對運動產(chǎn)生的豎向摩阻力和內(nèi)填料與地基土相對滑動產(chǎn)生的切向摩阻力。筒內(nèi)土壓力是由內(nèi)填料的側(cè)向壓力產(chǎn)生的,相反方向的豎向摩阻力將使內(nèi)填料或密實或疏松,因此使其側(cè)壓力或大或小,而不同向的切向摩阻力將直接使筒內(nèi)土壓力增大或減小。除此之外,在筒體變位過程中筒內(nèi)填料本身所處的主動、靜止或被動狀態(tài)的筒內(nèi)土壓力影響也很大,筒內(nèi)土體狀態(tài)不同,其土壓力值也不同。因此影響筒內(nèi)土壓力分布的因素很多,只有深入探討土與圓筒結(jié)構(gòu)相互作用,才能分析并確定筒內(nèi)土壓力的分布規(guī)律。另外,在圓筒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和內(nèi)力計算中,筒內(nèi)土壓力是一個重要荷載,只有確定了筒內(nèi)土壓力的分布圖式,才能實施結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強度計算。所以對圓筒結(jié)構(gòu)土壓力進行試驗研究并提出計算方法是推廣該種結(jié)構(gòu)的客觀需要。1試驗方法和過程模型為3個并列的無底圓筒,中間為量測筒,兩邊筒用于克服試驗槽壁阻力以構(gòu)成平面受力狀態(tài)。圓筒外徑D=0.8m、內(nèi)徑d=0.7m、筒高H=2.0m,壁厚δ=50mm。為測量筒內(nèi)土壓力,沿量測筒內(nèi)設(shè)置7個測量斷面,其中#1、#2、#3位于筒前,#5、#6、#7位于筒后,#4位于圓筒縱軸線上,各斷面間隔均為30°圓心角。每個斷面均布置15個壓力盒,共計105個,各壓力盒間距為100mm或200mm。另外還在筒前、后和筒底布設(shè)了87個壓力盒以監(jiān)測筒前、后土壓力和筒底壓力變化。為量測圓筒變位,在筒頂和筒底安設(shè)5個位移傳感器,#1、#2、#5量測圓筒水平位移U和轉(zhuǎn)角θ,#3、#4量測筒的豎向位移V。試驗用砂為海濱細砂,天然重度γ=15kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=32°,相對密實度Dr=0.57。試驗時圓筒埋入地基中,筒內(nèi)填滿砂,在筒后連續(xù)施加水平荷載,直至圓筒破壞為止。圓筒埋深分為5種,即h=0.4m、0.6m、0.8m、1.0m、1.2m。水平推力點位于筒高中點,即距筒底Z=1.0m處。試驗簡圖見圖1。試驗量測圓筒在各級荷載作用下筒體變位和筒內(nèi)土壓力值,通過分析圓筒變位和筒體與土相互作用機理來探討筒內(nèi)土壓力變化規(guī)律及其計算方法。2通過變換套筒，套筒中的地板壓力變化很2.1角與筒底中心水平位移相關(guān)系筒內(nèi)土壓力與圓筒變位相關(guān),要分析圓筒結(jié)構(gòu)在整個變位過程中筒內(nèi)土壓力變化規(guī)律,首先要了解圓筒結(jié)構(gòu)在各級荷載作用下的變位情況。在水平荷載或推力矩作用下,圓筒結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生水平位移U、豎向位移V和轉(zhuǎn)角θ。U為筒底中心點的水平位移,向前為正;V為筒底中心點的豎向位移,向下為正;θ角是圓筒繞其中心線產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角,其值θ=arctan(S2-S5)/H。,S2、S5分別為#2、#5位移傳感器實測水平位移,H0為兩傳感器之距。由試驗實測得到的θ與U、V對應關(guān)系見圖2(由于篇幅所限,這里只給出埋深h=1.0m的曲線圖,其他埋深的曲線圖與此圖變化規(guī)律類似)。圖2顯示,水平位移U隨θ角增大近似呈直線變化,且為正值;豎向位移V隨θ角增大為曲線變化,但曲率較小,V值均為負值,即筒體中心點相對內(nèi)填料和地基土產(chǎn)生上拔。另外,由不同埋深的曲線圖可見在相同的θ角情況下,與其對應的U值隨埋深的增大而逐漸減小,而與此對應的V值(上拔量)卻隨埋深的增大而逐漸增大。2.2筒壁土壓力筒內(nèi)量測#1~#7斷面的土壓力,實測結(jié)果表明,在各級受荷狀態(tài)下其分布形態(tài)基本相同:筒內(nèi)土壓力隨深度增大,至一定深度后增大趨勢減緩且趨于常數(shù),但在筒底附近土壓力又明顯增大,如圖3所示。圖3為埋深0.6m和1.2m,其轉(zhuǎn)角θ=0°、0.2°、0.5°3種變位狀態(tài)下的實測土壓力均值分布圖(其他埋深與此圖相似)。轉(zhuǎn)角θ=0°時筒體不受任何水平荷載作用,處于垂直對稱荷載狀態(tài);θ=0.2°和θ=0.5°時筒體受水平荷載作用,由實測筒底壓力可知,其分別處于后趾剛好脫空狀態(tài)和極限破壞狀態(tài)。由圖3可見,處于垂直對稱荷載狀態(tài)時筒內(nèi)壓力形態(tài)就已形成,受水平荷載時壓力圖形變化不大。這表明水平荷載只使其壓力強度有所增大,但對其壓力圖形態(tài)沒有影響。在垂直對稱荷載狀態(tài)下,筒底附近土壓力突然增大是由于筒壁基底應力遠大于內(nèi)填料基底應力,造成筒壁相對底部填料向下滑動,使內(nèi)填料壓縮密實所致。由于內(nèi)填料被壓縮,其垂直壓力增大,因此其側(cè)向壓力(即筒內(nèi)土壓力)也將增大。圓筒在傾覆過程中,不同深情況下的筒內(nèi)7個斷面實測土壓力的變化的趨勢見表1。表1中的e’是筒頂以下5個測點的實測均值,e是筒底以上10個測點的實測均值。表1中標有*號行系圓筒破壞時(θ=0.5°)與垂直對稱荷載狀態(tài)時(θ=0°)的壓力增量。由表1中數(shù)據(jù)可得到以下幾點結(jié)果:(1)筒前的#1、#2、#3斷面e和e′值隨圓筒傾覆程度的增大而增大(個別埋深除外,見后述),但#1斷面的e和e′值的增量最大,其最大增量為0.85kPa和0.41kPa;#2、#3斷面次之。這是因為#1斷面位于筒的前趾處,筒體傾斜時#1斷面相對內(nèi)填料產(chǎn)生向下位移最大,內(nèi)填料被壓實程度也最大,而#2、#3斷面相對向下的位移則較小所致。(2)筒后的#5、#6、#7斷面的e和e′值也隨圓筒傾覆程度的增大而增大,且#7斷面幅度最大,分別為1.08kPa和0.29kPa。后壁斷面,尤其是#7斷面在筒身傾斜時略有上拔,e值理應減小,但在水平荷載作用下圓筒還有水平位移,于是筒底內(nèi)填料和地基土間切向摩阻力向后傳遞給后壁,使后壁底部的側(cè)壓力增大,致使e值增大。傳給#7斷面的摩阻力最直接,而傳給#5、#6斷面的摩阻力需轉(zhuǎn)為徑向力(即乘以cos30°和cos60°),因此#7斷面e值增量最大,#5、#6斷面次之。筒的上部e′值增大,是由于筒體傾斜過程中,作用在后壁斷面上的土壓力由靜止狀態(tài)向被動狀態(tài)過渡,#7斷面被動狀態(tài)最充分,故其e′值增幅最大,而#5、#6斷面次之。(3)處于圓筒縱軸線上的#4斷面,其e值隨圓筒傾覆的增大而增大,但e′值卻隨傾覆程度的增大而減小。由筒體變位曲線可見,#4斷面位于圓筒中心的連線上,其相對內(nèi)填料是向上位移的(即上拔),且隨筒體傾斜度的增大而增大。由于筒體上拔,內(nèi)填料壓力減小,而使e′值的增量為負。筒的下部e值增大,主要是由于筒底內(nèi)填料和地基土間的切向摩阻力在傳遞的過程中,使底部內(nèi)填料產(chǎn)生側(cè)向膨脹所致。(4)#3斷面的e′值最大增量在埋深0.4m、0.6m、0.8m時為正,在埋深1.0m和1.2m時為負。其原因是圓筒在傾覆過程中,#3斷面筒體相對內(nèi)填料既有向下位移,又有向前位移。向下位移使e′值的增量為正,向前位移將使作用在#3斷面上的土壓力由靜止狀態(tài)向主動狀態(tài)過渡,于是e′值的增量為負。因此,e′值大小決于兩者哪個起主導作用。由于埋深0.4m、0.6m、0.8m時上拔量較小,因此向下位移起主導作用故為正;埋深1.0m和1.2m時上拔量較大,向前位移起主導作用故為負。(5)圓筒在各種變位狀態(tài)下,各斷面的e′和e值相差不大,因此可用筒內(nèi)7個斷面的實測均值來表征筒內(nèi)土壓力性狀。圖3就是基于此點繪制的。綜上所述,在圓筒由垂直對稱荷載狀態(tài)向破壞狀態(tài)發(fā)展的整個過程中,筒內(nèi)土壓力除位于縱軸線處的#4斷面e′略有減小外,其他各斷面的土壓力均有所增大,但增大的原因各有不同。由表1中數(shù)據(jù)還可見,埋深對筒內(nèi)土壓力影響很小,因此在確定筒內(nèi)土壓力計算時,可不考慮埋深的影響。3筒底為可壓縮地基依據(jù)圖3,將筒內(nèi)土壓力沿筒高分為3個區(qū)域,筒體上部緩慢增大段AB為主動區(qū),中部常數(shù)段BC為過渡區(qū),底部突然增大段CD為被動區(qū),見圖4(a)。主動區(qū)高度與內(nèi)填料土質(zhì)、地基土質(zhì)、內(nèi)壁糙度和筒內(nèi)徑參數(shù)有關(guān),當筒底為不可壓縮地基時,無底圓筒與有剛性底板的結(jié)構(gòu)一樣,整個筒高均為主動區(qū);筒底為可壓縮地基時,根據(jù)試驗分析,一般主動區(qū)高度h1<1.5d。為此,確定h1=dtanθ1=dtan(45°+φ/2-δ),其中d為內(nèi)徑,φ為內(nèi)填料內(nèi)摩擦角,δ為填料與筒壁間的摩擦角。本次試驗取δ=φ/2,計算h1=0.7m,實測h1約為0.8m。被動區(qū)高度除與上述參數(shù)有關(guān)外,還與施工方法有關(guān),當采用壓入法把圓筒沉入地基,則沉入面至筒底地基層全為被動區(qū)。為了減小被動區(qū)高度,筒內(nèi)地基應采取排水固結(jié)的措施,如打塑料排水板或排水砂井等。這可減小由于被動區(qū)的壓縮沉降而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的過大沉降或不均勻沉降。另外,經(jīng)試驗研究和理論分析表明,填料密實,地基土質(zhì)好時被動區(qū)高度小,反之則大。因此施工時要采取使內(nèi)填料密實的措施,以減小被動區(qū)的高度。根據(jù)試驗分析,在高徑比H/d>2.0時,被動區(qū)高度約為0.5d。據(jù)此,建議h3=dtanθ2,其中θ2=45°-φ/2。本次試驗計算h3=0.39m,實測h3約為0.4m。4筒壁面土體平衡方程由實測筒內(nèi)土壓力分布看到,該壓力圖形態(tài)在圓筒處于垂直對稱荷載狀態(tài)下就已形成,受水平荷載時只是壓力強度有所增大,但壓力分布形態(tài)基本保持不變,為研究方便以垂直對稱荷載狀態(tài)下的單元體受力分析來推導筒內(nèi)土壓力計算公式。在垂直對稱荷載狀態(tài)下,筒體上部內(nèi)填料在自重和垂直超載作用下,相對筒壁向下運動。從主動區(qū)任意深度y處取一內(nèi)填料單元土體(圖4(b)),其上作用有:土體自重力γAdy;土體頂面垂直向下的壓力σy;底面向上的壓力σy+dσy;土體周邊摩阻力uKfσydy。根據(jù)平衡條件有:μAdy+Aσy-uKfσydy-A(σy+dσy)=0此微分方程在y=0、σy=qo條件下的解為:σy=γho?(γho?qo)e?yho(1)σy=γho-(γho-qo)e-yho(1)式中:γ—內(nèi)填料重度;qo—填料頂面作用的均布超載;ho—參數(shù)。ho=A/ukf其中:A、u—圓筒內(nèi)徑斷面面積和內(nèi)徑周長;K、f—內(nèi)填料的側(cè)壓力系數(shù)及與筒壁的摩擦系數(shù)。本次試驗取K=Ko=0.45,f=tgφ/2。式(1)為貯倉壓力公式,假定內(nèi)填料只受垂直對稱荷載,且相對筒壁均產(chǎn)生向下摩擦,它適用于有底的或置于不可壓縮地基上的無底建筑物。但國內(nèi)外一些研究成果表明,置于可壓縮地基且高徑比較大(一般H/d>2.0)的無底結(jié)構(gòu)上部內(nèi)填料壓力也基本符合貯倉壓力,本次試驗再次證實了這一點。因此主動區(qū)內(nèi)填料壓力σy可按貯倉壓力公式計算。筒體底部的被動區(qū)是由于筒壁基底應力遠大于內(nèi)填料基底應力,使筒壁相對底部內(nèi)填料產(chǎn)生向下滑移形成的。從該區(qū)任意深度y處取一內(nèi)填料單元土體進行受力分析(圖4(b)),得到平衡方程。γAdy+Aσy+uKfσydy-A(σy+dσy)=0此微分方程在y=h,σy=σh邊界條件下的解為:σy=?γho(1?ey?hho)+σhey?hho(2)σy=-γho(1-ey-hho)+σhey-hho(2)式中符號意義同前,但在計算參數(shù)ho時,內(nèi)填料與筒壁的