邊筒對圓筒外壁土壓力分布的影響

邊筒對圓筒外壁土壓力分布的影響

過去，國內(nèi)外科學(xué)家的研究主要用于支撐平面支撐墻中的地板壓力，而對形狀為曲線的大圓的地板壓力的研究較少。對大轉(zhuǎn)子外壁的地板壓力計算方法采用成熟的方法，對大圓弧的新結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用較低。因此，有必要對大彈簧外壁的地板壓力計算方法進(jìn)行測試和研究。國內(nèi)外計算大圓筒外壁土壓力時,一般采用作用在圓筒曲面上總的側(cè)向土壓力與假想垂直平面上所作用的總側(cè)向土壓力相等的原則,用等效平面來替代圓筒曲面。由于圓筒曲面上作用的總側(cè)向土壓力沒有成熟的計算方法,因此等效平面的寬度實際上也是無法精確求得的。對于成排而立的大圓筒工程,由于筒與筒連接部位凹入土體形成土拱的影響,使等效平面寬度與筒外徑之間并非是常數(shù)關(guān)系,這是因為當(dāng)圓筒直徑趨于無窮大時,圓筒曲面逐漸退化為平面,從而可知,等效平面寬度與筒外徑的比值隨筒外徑增大而增大,比值的最大值為1.0。對于成排而立的大圓筒,由于沒有搞清楚改變筒外壁土壓力環(huán)向分布的機(jī)理,所以筒外壁土壓力計算的物理、力學(xué)概念不明確,沒有分析邊筒對筒外壁土壓力影響的機(jī)理,影響的規(guī)律和范圍。通過試驗研究,搞清結(jié)構(gòu)形狀對土壓力分布的影響,邊筒對大圓筒外壁土壓力的影響機(jī)理、影響的規(guī)律和范圍,以尋求筒外壁靜止土壓力的近似計算方法。1模型試驗的設(shè)備及操作為了要搞清楚作用在無底筒外壁上側(cè)向土壓力的規(guī)律,在交通部天津水運工程科學(xué)研究所結(jié)構(gòu)試驗廳的砂槽內(nèi)進(jìn)行模型試驗,砂槽高3m、寬2.55m、長6m,在砂槽內(nèi)并列放置了3個無底圓筒,中間筒為內(nèi)、外壁抹環(huán)氧砂漿的測試鋼筒,其兩側(cè)均為鋼筒,承擔(dān)槽壁阻力。試驗時,砂槽底鋪0.55m的試驗砂,以模擬砂基床。模型試驗的示意圖如圖1所示。在測試筒內(nèi)、外壁及筒底共布置了147個土壓力盒,它們分別在筒內(nèi)、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。試驗圓筒內(nèi)外均填細(xì)砂,砂的重度為16.8kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=33.7°。本研究通過對內(nèi)外徑分別為1.1m及1.2m、高為2.4m的圓筒,筒內(nèi)填砂高2.4m,筒外填不同高度的砂在細(xì)砂地基上進(jìn)行試驗,另外還對內(nèi)外徑分別為1.5m及1.6m、高為2.4m的圓筒,筒內(nèi)填砂高2.4m,筒外填砂高0.6m,在細(xì)砂地基上進(jìn)行試驗,測定筒外壁靜止土壓力值。2試驗結(jié)果：外部壁靜土壓力根據(jù)試驗測得筒外壁靜止土壓力的值如表1、表2及圖3所示。3對筒外靜土壓力試驗結(jié)果的分析3.1邊筒對筒外壁土壓力分布的影響1)由于大圓筒外壁為曲面,曲面與平面在同一介質(zhì)中發(fā)生相對運動,曲面所受到的阻力要比平面受到的阻力小,由此可知圓筒外壁上作用的土壓力可以用經(jīng)典的平面擋土墻土壓力公式計算值乘以曲面形狀系數(shù)求得。2)如圖4所示,對于方形無底筒,當(dāng)有邊筒時,由于筒與筒連接處為平面,所以整個擋土結(jié)構(gòu)可以用平面擋土墻的土壓力公式進(jìn)行計算,即邊筒的存在不改變筒前土壓力的分布規(guī)律。對于筒壁為曲面的圓筒,它與方形無底筒的不同之處為:筒與筒連接處土體有凹入部分,凹入部分的土體會形成土拱,由此可知,改變圓筒外壁環(huán)向土壓力分布規(guī)律根本的原因為筒與筒連接部位有土拱現(xiàn)象,它將對土拱以內(nèi)的土壓力分布產(chǎn)生影響,土拱以外的土壓力可不考慮它的影響,因此邊筒對筒外土壓力分布影響范圍只局限在土拱以內(nèi)的部位,其影響的規(guī)律由試驗結(jié)果來確定。根據(jù)以上分析,筒外壁上作用靜止土壓力的模式可作如下假定;①筒外壁土壓力隨距泥面的距離增加而增大,所以可以認(rèn)為沿筒軸方向土壓力的分布規(guī)律同平面擋土墻。根據(jù)圓筒外壁的土壓力比相同高度平面擋土墻的土壓力小的事實,可以引入小于1.0的形狀系數(shù),這樣可以利用平面擋土墻的土壓力計算公式來計算大圓筒外壁的土壓力。從幾何學(xué)角度來看,平板為圓的直徑趨于無窮大時的特例,所以形狀系數(shù)同筒的直徑大小有關(guān)。②由于邊筒的存在,改變了大圓筒外壁土壓力沿環(huán)向的分布規(guī)律,這樣可將筒外壁土壓力沿環(huán)向分兩個區(qū)域進(jìn)行計算,其中一個區(qū)域處于土拱以外,它的土壓力沿環(huán)向均勻分布,與孤立圓筒外壁的土壓力分布規(guī)律相同。另一個區(qū)域處于土拱以內(nèi),它的土壓力由于受到邊筒邊界效應(yīng)的影響,土壓力沿環(huán)向不是均勻分布。此兩個區(qū)域的分界線設(shè)為θ0,則土壓力沿環(huán)向均勻分布區(qū)域為0°~θ0,土壓力沿環(huán)向不是均勻分布區(qū)域為θ0~90°。θ0值與大圓筒的直徑大小有關(guān),當(dāng)大圓筒直徑趨于無窮大時,大圓筒退化成平板,使筒與筒之間凹入部位土體的土拱消失,所以此時θ0就趨于90°。3.2對筒外靜壓試驗結(jié)果的分析1土壓力沿筒軸向分布由表1可知,對于外徑為1.2m的筒,在±45°及180°±45°范圍內(nèi)的土壓力沿環(huán)向基本上均勻分布,所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時取以上范圍內(nèi)土壓力的平均值,將此稱為環(huán)向Ⅰ區(qū)域,取60°及120°位置土壓力的平均值,稱為環(huán)向位置Ⅱ區(qū)域,取80°及100°位置土壓力的平均值,稱為環(huán)向位置Ⅲ區(qū)域。現(xiàn)將不同沉入深度大圓筒外壁靜止土壓力的實測結(jié)果按以上的區(qū)域進(jìn)行平均,其土壓力沿筒軸向及環(huán)向的分布規(guī)律如圖3所示。由圖3的數(shù)據(jù)分析知,外徑為1.2m圓筒的形狀系數(shù)α=0.82分析結(jié)果從幾何角度來看,平面擋土墻為大圓筒直徑趨于無窮大時的特例,從而可知大圓筒的形狀系數(shù)同筒的直徑大小有關(guān),為尋求形狀系數(shù)同大圓筒直徑之間的關(guān)系,本研究對沉入深度為0.6m,內(nèi)、外徑分別為1.5m及1.6m的圓筒外壁靜止土壓力進(jìn)行測試,在試驗時沒有邊筒,所以可以認(rèn)為大圓筒外壁的土壓力是均勻分布的,可將筒外壁等高度的土壓力實測值進(jìn)行平均。由表2的數(shù)據(jù)分析知,外徑為1.6m圓筒的形狀系數(shù)α=0.86。有關(guān)文獻(xiàn)提供外徑為0.8m圓筒的形狀系數(shù)為0.67,根據(jù)分析知,筒徑趨于無窮大時,圓筒退化成平面,其形狀系數(shù)為1.0。根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù),經(jīng)理論分析得筒外壁靜止土壓力的形狀系數(shù)α為:α=1?0.2(D1.2)?1.24(1)α=1-0.2(D1.2)-1.24(1)式(1)中:D——圓筒外徑。4計算方法包括將地板外靜壓力計算4.1筒壁靜土壓力q0根據(jù)以上分析知,在大圓筒邊筒影響區(qū)域以外筒外壁的土壓力沿環(huán)向均勻分布,筒外壁的靜止土壓力qo可按下式計算:q0=α?K0γzα=1?0.2(D1.2)?1.24}(2)q0=α?Κ0γzα=1-0.2(D1.2)-1.24}(2)式(2)中:K0——庫侖靜止土壓力系數(shù);γ——筒外土體的重度;z——筒外土體從泥面到計算土壓力點的距離;D——大圓筒外直徑;α——圓筒形狀系數(shù)。4.2大保壓式大圓筒外壁土壓力當(dāng)大圓筒旁有邊筒時,筒與筒之間連接部位的凹入土體會產(chǎn)生土拱而改變筒外土側(cè)壓力的環(huán)向分布,在Ⅰ區(qū)域,筒外壁靜止土壓力可按式(2)計算,對θ≥θ0區(qū)域(由測試數(shù)據(jù)分析知,外徑為1.2m,θ0=45°),根據(jù)θ=θ0位置筒外土側(cè)壓力同Ⅰ區(qū)域,θ=90°時,筒外土的側(cè)壓力為0的事實,并根據(jù)據(jù)Ⅱ區(qū)域θ=60°及Ⅲ區(qū)域θ=80°土壓力實測結(jié)果,對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析得θ≥θ0范圍內(nèi),沉入式大圓筒外壁沿筒環(huán)向靜止側(cè)壓力的衰減規(guī)律可按下式計算:qθ=e?0.813θ?2.0432θ?θ0π2?θ?q0θ0≤θ≤π2(3)qθ=e-0.813θ-2.0432θ-θ0π2-θ?q0θ0≤θ≤π2(3)式(3)中:qθ——筒外壁環(huán)向位置與筒最前點間夾角為θ的筒外壁土側(cè)壓力;q0——筒外壁Ⅰ區(qū)域的土側(cè)壓力;θ0——筒邊界影響的范圍,它與筒的直徑大小有關(guān),對于外徑為1.2m的筒θ=π4θ=π4,對于其它外徑的筒,θ0取值應(yīng)通過試驗來確定。從而可得沉入式大圓筒外壁靜止土壓力的計算公式:q0=αKoγzα=1?0.2(D1.2)?1.24}qθ=e?0.813θ?2.0432θ?θ0π2?θ?q0θ≤θ0θ0≤θ≤π2???????????(4)q0=αΚoγzα=1-0.2(D1.2)-1.24}θ≤θ0qθ=e-0.813θ-2.0432θ-θ0π2-θ?q0θ0≤θ≤π2}(4)為便于比較根據(jù)式(4)算得不同沉入深度大圓筒外壁土壓力的計算值與實測平均值同列于圖3中,由計算值與實測值比較可知,θ=80°的計算與實測值相差較大,這是因為受邊界土拱的影響,筒外此范圍填砂也較難均勻,θ接近90°時土壓力較小,且測量誤差較大。在θ<80°計算值與實測值比較吻合,所以可以用式(4)近似計算沉入式大圓筒筒外壁靜止土壓力。5大保元酸大比大5.2問題的主要內(nèi)容對大圓筒進(jìn)行受力分析時,必須要搞清楚作用在大圓筒壁上的土壓力。以往對平面擋土墻上的土壓力分布研究得較多,目前也有較成熟的土壓力計算方法。但對于大圓筒外壁上的土壓力分布規(guī)律及計算方法研究得很少,目前也沒有成熟的土壓力計算方法。通過本試驗研究,對筒外靜止土壓力分布規(guī)律得出以下結(jié)論:1)本文考慮到圓筒和平面擋土墻的幾何形狀不同,同時考慮到平面為大圓筒直徑趨于無窮大時的特例,指出了大圓筒與平面擋土墻幾何圖形的有機(jī)聯(lián)系,根據(jù)實測數(shù)據(jù)提出了沉入式大圓筒形狀系數(shù)的計算公式。2)大圓筒的形狀系數(shù)并非是常數(shù),它與大圓筒直徑大小有關(guān),但與大圓筒的沉入深度無關(guān)。3)邊筒對大圓筒土壓力影響的機(jī)理是筒與筒連接部位凹入土體產(chǎn)生土拱所引起的,筒徑越小,土拱影響的相對范圍越大,筒徑越大,土拱影響的相對范圍越小。4)本文指出了邊筒的