沉積式圓筒結(jié)構(gòu)抗傾有效比的研究

沉積式圓筒結(jié)構(gòu)抗傾有效比的研究

1抗傾有效比的確定沉降式圓結(jié)構(gòu)是一種直接沉入地下的大型非底部薄殼結(jié)構(gòu)。它具有良好的耐寒性，成本低，施工速度很快，受到歐洲、北美和其他國(guó)家的廣泛采用。在我國(guó)還屬于新型結(jié)構(gòu),近10年才在港口工程中探索性試用。由于無(wú)底,該結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的有底重力式結(jié)構(gòu)相比,在抗傾狀態(tài)方面存在很大差異。這主要表現(xiàn)為筒內(nèi)填料不能全部參加抗傾工作,而且筒內(nèi)填料和筒外地基與圓筒結(jié)構(gòu)存在著復(fù)雜的相互作用,這種相互作用又直接影響內(nèi)填料和地基土參加抗傾工作的多少。參與抗傾份額用抗傾有效比η表示,η值以占內(nèi)填料重力Q全部參加抗傾工作的百分比來(lái)量度。國(guó)外有關(guān)文獻(xiàn)用筒內(nèi)填料的漏出量計(jì)算抗傾有效比,它沒(méi)有反映內(nèi)填料與結(jié)構(gòu)相互作用的本質(zhì),且與我國(guó)的印證性試驗(yàn)數(shù)據(jù)相距甚遠(yuǎn),因而是不正確的。實(shí)際上沉入式圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)填料不可能從筒底漏出,而是以摩阻力的形式傳遞給筒壁,作為筒體重力的一部分參與抗傾工作。在外荷載作用下,圓筒結(jié)構(gòu)要產(chǎn)生傾斜變位,由于土與結(jié)構(gòu)的相互作用,內(nèi)填料和地基土摩阻力數(shù)值和合力作用點(diǎn)要發(fā)生很大調(diào)整。因此在圓筒傾覆過(guò)程中,抗傾有效比也將有很大變化?？箖A有效比對(duì)無(wú)底圓筒結(jié)構(gòu)的抗傾和變位計(jì)算是不可缺少的重要參數(shù)。同時(shí),它又以?xún)?nèi)填料和地基土與筒壁摩阻力形式來(lái)體現(xiàn)。因此采用模型試驗(yàn)揭示圓筒結(jié)構(gòu)在傾覆過(guò)程中,內(nèi)填料和地基土的摩阻力調(diào)整機(jī)理和抗傾有效比的變化趨勢(shì),進(jìn)而提出抗傾有效比的確定方法是推廣這種新型結(jié)構(gòu)的客觀需要。2實(shí)筒試驗(yàn)及確定模型為三個(gè)并列的無(wú)底圓筒,中間為量測(cè)筒,兩邊筒用以構(gòu)成原型結(jié)構(gòu)的平面受力狀態(tài)。圓筒外徑D=0.8m,內(nèi)徑D0=0.7m,筒高H=2.0m。為量測(cè)圓筒底壓力,在量測(cè)筒底均勻布設(shè)12個(gè)土壓力盒。為量測(cè)筒內(nèi)和筒前、后土壓力,沿筒身設(shè)置13個(gè)量測(cè)斷面,計(jì)180個(gè)土壓力盒。其中1′～7′斷面設(shè)在筒內(nèi),1～3斷面和5～7斷面分別設(shè)在筒前和筒后;各斷面間隔30。圓心角,均布置10或15個(gè)土壓力盒。另外,在筒頂和筒底安設(shè)5個(gè)位移傳感器,用以量測(cè)圓筒轉(zhuǎn)角θ及水平和豎向位移。試驗(yàn)用地基土為海濱細(xì)砂,天然重度γ=15kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=32°,相對(duì)密實(shí)度Dr=0.57。筒內(nèi)填料采用三種:(1)海濱細(xì)砂,物理力學(xué)指標(biāo)同上;(2)級(jí)配碎石,粒徑D=1～3cm,重度γ=15.8kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=41.2。,孔隙率n=0.40;(3)均勻碎石,粒徑d≈2cm,重度γ=14.6kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=39.3。,孔隙率n=0.45。試驗(yàn)進(jìn)行了二項(xiàng)內(nèi)容,即實(shí)筒推力試驗(yàn)(試驗(yàn)1)和空筒推力試驗(yàn)(試驗(yàn)2),二者不同之處是筒內(nèi)是否有填料。試驗(yàn)時(shí),圓筒埋入地基中,筒內(nèi)填滿(mǎn)料(試驗(yàn)2筒內(nèi)不填料),在筒外連續(xù)施加水平荷載,直至圓筒破壞止。圓筒埋深h分5種:h=0.4、0.6、0.8、1.0和1.2m。水平推力點(diǎn)位于筒高中點(diǎn),即距筒底之距Z=1.0m處。試驗(yàn)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。3土壓力及筒壁變形筒內(nèi)量測(cè)了1′～7′七個(gè)斷面的土壓力,實(shí)測(cè)結(jié)果表明,在各種受荷狀態(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(shì)減緩且趨于常數(shù),但在筒底附近土壓力又明顯增大,如圖2所示。因此,筒內(nèi)土壓力形態(tài)基本可分為三個(gè)區(qū)段,上部緩慢增大段為主動(dòng)區(qū),中部為常數(shù)區(qū),底部突然增大段為被動(dòng)區(qū)。圖2為圓筒埋深60cm和120cm,其轉(zhuǎn)角θ=0。、0.2。、0.5。三種變位狀態(tài)下的實(shí)測(cè)筒內(nèi)土壓力均值分布圖(其它埋深與此圖相似)。轉(zhuǎn)角θ=0。時(shí)筒體不受任何水平荷載作用,處于垂直對(duì)稱(chēng)荷載狀態(tài);θ=0.2。和θ=0.5。時(shí)筒體受水平荷載作用,分別處于后趾剛好脫空狀態(tài)和極限破壞狀態(tài)。由圖2看出,處于垂直對(duì)稱(chēng)荷載狀態(tài)時(shí),筒內(nèi)壓力形態(tài)就已形成,受水平荷載時(shí),壓力圖形變化不大。這表明水平荷載只使其壓力強(qiáng)度有所增大,但對(duì)其壓力圖形形態(tài)沒(méi)有影響。在垂直對(duì)稱(chēng)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(yīng)力遠(yuǎn)大于內(nèi)填料基底應(yīng)力,造成筒壁相對(duì)底部填料向下滑動(dòng),使內(nèi)填料壓縮密實(shí)所致。在水平荷載作用下,圓筒產(chǎn)生傾斜變位。在傾覆過(guò)程中,圓筒前趾應(yīng)力增大而下沉,筒體前壁相對(duì)底部填料繼續(xù)下滑,使內(nèi)填料壓實(shí)度增大,從而被動(dòng)區(qū)土壓力增大。圓筒后壁在筒身傾斜時(shí)略有上拔,內(nèi)填料將疏松,其土壓力e值理應(yīng)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,致使后壁底部的土壓力增大。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,至圓筒破壞止。前壁e值增大0.85kN/m2,后壁e值增大1.08kN/m2,平均增幅0.97kN/m2。4試驗(yàn)結(jié)果和分析無(wú)底圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)填料和地基土參加抗傾工作是以其與筒壁間摩阻力來(lái)體現(xiàn),由內(nèi)填料和地基土共同參加抗傾工作產(chǎn)生的抗傾有效比用η1表示。在垂直對(duì)稱(chēng)荷載狀態(tài)下,內(nèi)填料和地基土與筒壁的摩阻力沿圓周是對(duì)稱(chēng)分布的,對(duì)圓筒前趾而言,其抗傾有效比η1=FfR/QR。式中,R為半徑;Q為內(nèi)填料重力,包括填料頂面均布荷載產(chǎn)生的重力;Ff為內(nèi)填料和地基土與筒壁的摩阻力。根據(jù)受力平衡條件,Ff=Pσ-G,其中G為圓筒自重力,本次試驗(yàn)圓筒G=6250kN;Pσ為圓筒基底壓力,可由筒底壓力盒實(shí)測(cè)得到。由試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的抗傾有效比見(jiàn)表1和表2中θ=0。一欄。其中序號(hào)1欄為由試驗(yàn)1即實(shí)筒推力試驗(yàn)實(shí)測(cè)的抗傾有效比,它即為內(nèi)填料和筒外地基土共同參加抗傾工作的抗傾有效比η1;序號(hào)2欄為由試驗(yàn)2即空筒推力試驗(yàn)實(shí)測(cè)的抗傾有效比,它為由筒外地基土產(chǎn)生的抗傾有效比,用η2表示;1—2欄為二試驗(yàn)實(shí)測(cè)抗傾有效比之差,它為由筒內(nèi)填料產(chǎn)生的抗傾有效比,用η3表示。由表中數(shù)值得到:(1)由內(nèi)填料產(chǎn)生的抗傾有效比η3不隨埋深變化,基本維持一常量,細(xì)砂填料時(shí)η3=35%～37%;級(jí)配石填料時(shí)η3=39%;均勻石填料時(shí)η3=38%(篇幅所限,表中未列出)。(2)由地基土產(chǎn)生的抗傾有效比η2隨埋深增大而增大,埋深40cm時(shí)η2=5%,埋深120cm時(shí)η2=27%。相對(duì)筒壁摩阻力Ff向下對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾有利,摩阻力向上對(duì)抗傾無(wú)利。筒內(nèi)主動(dòng)區(qū)是由于上部?jī)?nèi)填料在自重和垂直超載作用下,相對(duì)筒壁向下滑動(dòng)形成的,因此一部分內(nèi)填料重力參加抗傾工作,其抗傾有效比η3為正值。被動(dòng)區(qū)是由于筒壁相對(duì)內(nèi)填料向下滑動(dòng)形成的,該區(qū)摩阻力向上,因此其抗傾有效比η3為負(fù)值,不利于結(jié)構(gòu)的抗傾穩(wěn)定性。常數(shù)區(qū)是受到主動(dòng)垂直向下的內(nèi)填料壓力和被動(dòng)區(qū)垂直向上的內(nèi)填料反力相互擠壓形成的。該區(qū)填料和筒壁無(wú)相對(duì)位移,處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),因此它將全部參加抗傾工作,其抗傾有效比η3=1。5在水平負(fù)荷的作用下，抗傾斜效應(yīng)的有效比5.1摩阻力的變化在水平荷載作用下,圓筒結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生傾斜變位。在傾覆過(guò)程中,由于圓筒前趾應(yīng)力增大地基局部塑變而下沉,造成前壁被動(dòng)區(qū)向上發(fā)展,使內(nèi)填料和地基土向上的摩阻力增大;后趾由于筒身傾斜而略有上拔,造成后壁被動(dòng)區(qū)摩阻力變向(相對(duì)筒壁向下),使被動(dòng)區(qū)高度減小,見(jiàn)圖3。無(wú)底圓筒結(jié)構(gòu)傾覆過(guò)程中,由于內(nèi)填料和地基土摩阻力發(fā)生調(diào)整而破壞了原先的荷載對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。此時(shí)摩阻力Ff不僅數(shù)值發(fā)生變化,而且其合力點(diǎn)位置也從圓心向后壁移動(dòng)。由于摩阻力偏心,便在筒內(nèi)產(chǎn)生了一附加力矩Mr,依據(jù)圖3,Mr可由下式確定Mr=MH+MEa-MEp-Mσ式中,MH、MEa、MEp和Mσ分別為水平推力PH、主動(dòng)土壓力Ea、被動(dòng)土壓力Ep和筒底壓力σ對(duì)圓心點(diǎn)O的力矩,這些量均可由試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值得到,因此應(yīng)用上式可求出Mr。5.2實(shí)筒推力試驗(yàn)結(jié)果和抗傾有效比圓筒在傾覆過(guò)程中由于產(chǎn)生了附加力矩Mr,因此在水平荷載作用下,內(nèi)填料和地基土共同工作的抗傾有效比η=η1+i1,其中η1為由摩阻力Ff產(chǎn)生的抗傾有效比;i1=Mr/QR,為由附加力矩Mr產(chǎn)生的抗傾有效比。圖4和圖5為埋深1.0m試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的抗傾有效比在圓筒傾覆過(guò)程中的變化曲線,其它埋深的曲線與此變化規(guī)律相似。圖4為空筒推力試驗(yàn)得到的i2、η2、η值的變化曲線,其中η=η2+i2,i2為筒外地基土的附加力矩產(chǎn)生的抗傾有效比,它反映的是筒外地基土抗傾有效比變化規(guī)律。圖5為實(shí)筒推力試驗(yàn)曲線,它反映的是內(nèi)填料和筒外地基土共同工作的抗傾有效比變化規(guī)律。由圖中η1和η2值變化曲線可以看出,在加荷初期(一般θ≤0.05。)η1、η2值有所增大,以后便隨傾覆程度的加大而減小,最后漸趨一常數(shù)。這說(shuō)明在圓筒傾斜變位微小時(shí),前壁向上的摩阻力增幅較小,而后壁變向向下的摩阻力卻能充分發(fā)揮,增幅較大,故η1和η2值增大。之后,隨傾斜變位的增大,前壁向上摩阻力增幅加大,后壁向下摩阻力增幅減小,相應(yīng)η1和η2值也逐漸減小。最后前壁向上摩阻力達(dá)到極限值,后壁摩阻力增大停止,η1、η2值趨于常數(shù)。i1、i2值變化曲線與η1、η2值變化規(guī)律是對(duì)應(yīng)的,加荷初期向上和向下的摩阻力都增大,致使附加力矩Mr增大較快,故i1和i2值增大;隨后后壁向下摩阻力發(fā)揮殆盡,前壁向上摩阻力增幅也由大變小,致使Mr增大趨緩,直至前壁摩阻力趨近極限值,此時(shí)Mr增大停止,故i1和i2值趨于常數(shù)。另外,由圖5的η值曲線看出,在轉(zhuǎn)角θ≈0.2。時(shí)達(dá)到最大值(其他埋深曲線也是如此),而此時(shí)圓筒后趾剛好脫空。因此θ≈0.2。時(shí)圓筒后趾應(yīng)力不僅不為負(fù)值而且抗傾狀態(tài)最佳。為了進(jìn)一步分析圓筒在傾覆過(guò)程中抗傾有效比的變化規(guī)律,把二項(xiàng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)η1、η2、η3和i1、i2、i3(i3為內(nèi)填料的附加力矩產(chǎn)生的抗傾有效比)值列于表1和表2中(見(jiàn)θ≠0。欄)。表中數(shù)值表明,內(nèi)填料的η3值起初隨θ值增大而增大,直至θ=0.2。時(shí)η3值達(dá)到最大值:細(xì)砂填料η3=46%～49%,碎石填料η3=50%～52%;隨后便隨θ值增大而減小。而i1、i2、i3值卻一直隨θ值增加而增大,但增幅趨緩。6抗傾斜有效比的確定6.1確定壓力圖形依據(jù)圖2,將筒內(nèi)土壓力沿筒高分為三個(gè)區(qū)域:AB為主動(dòng)區(qū),BC為常數(shù)區(qū),CD為被動(dòng)區(qū)(見(jiàn)圖6a)。主動(dòng)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)徑等參數(shù)有關(guān),當(dāng)筒底為不可壓縮地基時(shí),無(wú)底圓筒與有剛性底板的結(jié)構(gòu)一樣,整個(gè)筒高均為主動(dòng)區(qū);筒底為可壓縮地基時(shí),根據(jù)試驗(yàn)分析,一般主動(dòng)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(yàn)取δ=φ/2,計(jì)算h1=0.7m,實(shí)測(cè)h1約為0.8m。被動(dòng)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(dāng)填料密實(shí)、地基土質(zhì)好、內(nèi)徑大時(shí)被動(dòng)區(qū)高度小,反之則大。當(dāng)采用壓入法把圓筒沉入地基,則沉入面至筒底的地基層將全為被動(dòng)區(qū)。因此施工時(shí)筒內(nèi)地基應(yīng)采取排水固結(jié)措施,如打塑料排水板或排水砂井等,同時(shí)應(yīng)盡量使內(nèi)填料密實(shí),以減小被動(dòng)區(qū)高度。根據(jù)試驗(yàn)分析,在高徑比H/d>2.0時(shí),被動(dòng)區(qū)高度約為0.5d;據(jù)此,建議h3=d·tanθ2,其中θ2=45。-φ/2。本次試驗(yàn)計(jì)算h3=0.39m,實(shí)測(cè)h3約為0.4m。鑒于該壓力圖形在圓筒處于垂直對(duì)稱(chēng)荷載狀態(tài)下就已形成,受水平荷載時(shí)只是壓力強(qiáng)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(duì)稱(chēng)荷載狀態(tài)下的單元體受力分析來(lái)推導(dǎo)筒內(nèi)土壓力計(jì)算公式。在垂直對(duì)稱(chēng)荷載狀態(tài)下,筒體主動(dòng)區(qū)內(nèi)填料在自重和垂直超載作用下,相對(duì)筒壁向下運(yùn)動(dòng),從該區(qū)任意深度y處取一內(nèi)填料單元片體(圖6(b)),其上作用有:片體自重力γAdy;片體頂面垂直向下的壓力σy;底面向上的壓力σy+dσy;片體周邊摩阻力Ukfσydy。根據(jù)平衡條件有γAdy+AσyUkfσydy-A(σy+dσy)=0此微分方程在y=0,σy=q0邊界條件下的解為σy=γh0-(γh0-q0)e-y/h0(1)式中:γ——內(nèi)填料重度;q0——填料頂面作用的均布超載;h0——參數(shù),h0=A/Ukf,其中A、U為圓筒內(nèi)徑斷面面積和內(nèi)徑周長(zhǎng),k、f為內(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(yàn)取k為靜止土壓力系數(shù),即k=k0≈0.45,f=tanδ=tanφ/2。該式即為計(jì)算貯倉(cāng)壓力的楊森(H.AJanssen)公式。楊森公式假定內(nèi)填料只受垂直對(duì)稱(chēng)荷載,且相對(duì)筒壁均產(chǎn)生向下摩擦,因此該公式只能反映被底板限制的內(nèi)填料壓力本質(zhì)。它適用于有底的或置于不可壓縮地基上的無(wú)底建筑物。但國(guó)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(wú)底結(jié)構(gòu)上部?jī)?nèi)填料壓力也基本符合楊森理論。被動(dòng)區(qū)的內(nèi)填料相對(duì)筒壁向上滑移,從該區(qū)任意深度y處取一內(nèi)填料單元片體進(jìn)行受力分析,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=?γh0(1?ey?hh0)+σhey?hh0σy=-γh0(1-ey-hh0)+σhey-hh0(2)式中符號(hào)意義同前,但在計(jì)算參數(shù)h0時(shí),內(nèi)填料與筒壁的摩擦系數(shù)f與主動(dòng)區(qū)不同,取f=tanφ/3。這主要考慮到在非垂直對(duì)稱(chēng)荷載狀態(tài)下,前后壁摩阻力方向是相反的,其合成效果將使外摩擦角δ值降低。這樣更符合客觀實(shí)際,接近實(shí)測(cè)值。按式(1)和(2)算得主動(dòng)區(qū)B點(diǎn)和被動(dòng)區(qū)D點(diǎn)(見(jiàn)圖6)的側(cè)壓力為σBX=3.55kN/m2,σDX=7.21kN/m2;實(shí)測(cè)值為σBX=3.10kN/m2,σDX=6.80kN/m2,可見(jiàn)二者吻合較好。6.2按埋深和埋深方法分內(nèi)填料的抗傾有效比η3是由其摩阻力Ff產(chǎn)生的,由內(nèi)填料受力平衡條件,見(jiàn)圖7可得Ff=Q+q0A-σHA(3)式中:Q—內(nèi)填料重力;q0—填料頂面均布荷載;A—圓筒內(nèi)徑面積;σH—筒底填料垂直反力,按式(2)計(jì)算。按式(3)計(jì)算得到的內(nèi)填料抗傾有效比理論值η0見(jiàn)表1和表2,結(jié)果為:細(xì)砂填料η0=46%;碎石填料η0=48%。該值與試驗(yàn)值η3(0°<θ≤0.2°)接近。由于實(shí)際工程為內(nèi)填料和筒外地基土共同工作,因此需要確定內(nèi)填料和地基土共同工作的抗傾有效比。由表中數(shù)據(jù)看出,地基土產(chǎn)生的η?2值隨埋深變化很大,且在埋深較小時(shí)η?2有時(shí)為負(fù)值。鑒于實(shí)際