超大沉井基础取土下沉刃脚土压力变化规律研究

依托常泰长江大桥主塔沉井基础工程,采用三维有限元方法,模拟了大型沉井首次取土下沉阶段刃脚土压力的变化过程,并结合现场刃脚土压力实测数据,分析了沉井下沉工序对刃脚土压力分布的影响以及取土过程中刃脚土压力的变化规律。现场监测结果表明：刃脚实际土压力变化规律基本上佐证了数值模拟结果。井孔内取土导致取土区域沉井刃脚处土压力下降,取土区域刃脚土压力随取土厚度的增大而逐渐降低,土体压应力转移至尚未取土区域的刃脚处。在由内井孔向外井孔区域取土的过程中,刃脚土压力向外井孔刃脚区域转移,导致外井壁和外隔墙区域刃脚土压力逐渐增大,直至达到其极限承载力,外井壁区域土体进入塑性状态,沉井出现明显下沉。给出的沉井刃脚处土压力的变化规律可为同类大型沉井可控下沉提供指导。     

大型圆形沉井结构应力及其周边沉降计算

根据武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇大型圆形沉井结构特点与工程地质条件,结合施工现场沉降监测控制点的实测数据,采用大型有限元计算程序ADINA建立了三维计算模型,对沉井结构及其周围的地下连续防护墙进行了有限元分析,分析了沉井在下沉与封底过程中其结构自身的应力分布与变形情况,并探索了沉井在下沉过程中对周边邻近高层建筑与堤岸构筑物的影响。计算研究结果表明:沉井外围的地下连续防护墙主应力会随沉井的下沉而相应地增加,在沉井封底后其变形主要出现在上部和底部;而沉井在下沉过程中其结构底部的刃脚、十字隔墙、十字隔墙与环形井壁结合处均会出现较大拉应力;沉井的周边土体沉降量会随下沉深度而相应地增大。在沉井封底完成后测点的沉降理论计算值与实际监测值比较吻合,一般计算值较监测值稍小:二者的差值在邻近高层建筑的沉降控制测点为-1.22~-0.88 mm;而在附近的长江大堤处的关键测点为-1.27~0.64 mm。该计算模型对锚碇沉井下沉过程的沉降控制具有参考作用。     

特厚表土层钢板混凝土复合井壁竖向承载力试验研究

通过模型试验和理论分析,对特厚表土层双层钢板高强混凝土复合井壁的竖向受力特性进行了研究。首先,根据相似理论,进行了双层钢板高强混凝土复合井壁结构的模型设计和试件加工;然后,通过加载试验,得到了井壁结构在竖向荷载和侧压共同作用下的竖向应力、变形和强度特性。结果表明：由于内、外钢板筒的约束作用,井壁结构中的混凝土完全处于三向受压应力状态下,其抗压强度提高了1.73～1.92倍,且井壁破坏时混凝土的竖向极限压应变达到-3.9×10-3,表现出较好的延性特性。通过钢板与混凝土的相互约束,改善了各自的力学特性,使井壁竖向承载力显著提高,远比钢板筒和中间混凝土层的竖向极限承载力之和大,并根据理论分析和试验结果推导出了井壁竖向承载力的计算公式,对理论研究和工程应用具有一定的参考价值。     

顶管施工中矩形沉井工作井允许反力的计算

根据顶管工程中矩形沉井工作井后背墙变形情况,假定后背墙在顶管反力作用下变形为抛物线形,提出采用与位移有关的土压力来计算土体反力。考虑了沉井底部和侧壁的摩阻力,由沉井整体水平向受力平衡计算允许顶力。通过算例与朗肯理论的比较结果表明,提出的方法可用于计算土体的非极限被动土压力,且该方法考虑了顶管反力这一局部荷载对墙后土压力分布的影响。     

竖井掘进机撑靴井壁土体极限承载力研究

竖井掘进机在土层中掘进时,如果撑靴井壁土体无法提供足够的承载力,会产生撑靴推进反力不足、掘进机姿态难以控制等问题,严重时甚至导致井壁失稳,因此需要研究撑靴作用下井壁土体的极限承载力。以国内研制的首台矿山型竖井掘进机为依托,采用数值模拟方法对掘进过程中撑靴侧壁土体的受力和变形进行分析,确定撑靴作用下井壁土体的破坏模式为剪切滑移破坏。基于井壁土体破坏模式,假定破坏面为对数螺旋线和直线旋转曲面的组合,分析破坏面上的应力分布。采用土体塑性极限平衡法,推导竖井掘进机撑靴作用下井壁土体的极限承载力公式。将理论分析结果与数值模拟结果进行对比和分析,表明该公式的合理性。研究结果对于土层中竖井掘进机撑靴的设计及井壁稳定性的评估有重要的指导意义。     

地层沉降协调法防治煤矿立井破坏试验研究

近年来已有许多专家学者对立井附加应力的产生以及相应的消除方法进行了理论和试验研究,在此基础上,本文首次提出地层沉降协调法,分析了其作用机理,进行了立井井壁变形破坏防治的试验研究,对地层沉降协调法消除附加应力的有效性进行了分析。试验中通过设置不同的隔离协调条件,得出了地层排水固结沉降过程中井壁应变变化以及土体表面沉降变形规律。结果表明,开始阶段的井壁纵向应变都有突然增大的现象,其中未加隔离体试验的突增较大。隔离协调体对井壁纵向应变的突变有减小作用。此外,隔离体能够有效减缓其内侧沉降速率以及最终沉降量。地层沉降协调法可以明显降低沉降过程中井壁纵向应变突增值与稳定值以及竖向力与最大主应力,同时可以保持井壁横向变形及受力的稳定,因此,可以发展为防治矿山立井井壁破坏的有效方法。     

开挖条件下非均质地基中单桩竖向承载特性非线性分析

在考虑开挖引起土体回弹和土体强度特性、应力状态变化的基础上,提出了开挖条件下非均质地基中竖向受荷单桩非线性计算方法,并与已有试验结果对比,证明了简化方法的正确性,并对开挖前、后单桩的竖向承载特性的变化以及开挖后土体回弹对基桩受力和变形的影响进行研究分析。研究表明,常规试桩法和套管试桩法高估了基桩竖向极限承载力和桩顶刚度,采用常规试桩和套管试桩法得到的承载力作为设计值偏于不安全;开挖卸荷引起桩周土体回弹使得桩身出现拉力,开挖深度较大时桩身中、下部的配筋应充分考虑由于开挖引起的沿桩身的拉力,防止开挖过程中基桩被拉断;桩周土体的卸荷回弹将会引起桩顶刚度的明显降低。     

水中超深大沉井施工期间侧压力现场监测研究

以目前世界规模最大沉井基础——沪通大桥29#沉井的施工为背景,对沉井整个施工过程开展现场监测试验,分析监测数据,得出朗肯静止土压力理论和规范算法与实测数据相比存在较大误差。采用折线分布推算也因侧压力影响因素较多,分布规律复杂,所得结果较差。再分别对沉井下沉和接高施工期间侧压力的大小和分布特性的影响因素进行研究,得出了侧压力在沉井下沉阶段和接高阶段的主要影响因素为沉井倾斜、沉井埋深、外井壁台阶设置和压力松弛影响范围。通过对比分析,对各种因素的产生原因和影响机制进行了说明。在消除沉井倾斜对水中超深大沉井侧压力影响后,确定了侧压力在沉井侧壁上沿深度的分布形式,并建立侧摩阻力计算模型。     

水中超深大沉井施工期间侧压力现场监测研究

以目前世界规模最大沉井基础—沪通大桥29#沉井的施工为背景,对沉井整个施工过程开展现场监测试验,分析监测数据,得出朗肯静止土压力理论和规范算法与实测数据相比存在较大误差。采用折线分布推算也因侧压力影响因素较多,分布规律复杂,所得结果较差。再分别对沉井下沉和接高施工期间侧压力的大小和分布特性的影响因素进行研究,得出了侧压力在沉井下沉阶段和接高阶段的主要影响因素为沉井倾斜、沉井埋深、外井壁台阶设置和压力松弛影响范围。通过对比分析,对各种因素的产生原因和影响机理进行了说明。在消除沉井倾斜对水中超深大沉井侧压力影响后,确定了侧压力在沉井侧壁上沿深度的分布形式,并建立侧摩阻力计算模型。     

水中超深大沉井施工期间侧压力现场监测研究

以目前世界规模最大沉井基础—沪通大桥29#沉井的施工为背景,对沉井整个施工过程开展现场监测试验,分析监测数据,得出朗肯静止土压力理论和规范算法与实测数据相比存在较大误差。采用折线分布推算也因侧压力影响因素较多,分布规律复杂,所得结果较差。再分别对沉井下沉和接高施工期间侧压力的大小和分布特性的影响因素进行研究,得出了侧压力在沉井下沉阶段和接高阶段的主要影响因素为沉井倾斜、沉井埋深、外井壁台阶设置和压力松弛影响范围。通过对比分析,对各种因素的产生原因和影响机理进行了说明。在消除沉井倾斜对水中超深大沉井侧压力影响后,确定了侧压力在沉井侧壁上沿深度的分布形式,并建立侧摩阻力计算模型。     

均布荷载下台阶式加筋土挡墙性能的试验分析

台阶式加筋土挡墙变形与力学特性尚待进一步深入研究。利用模型试验综合分析台阶宽度、上墙筋材长度和筋材层间距对两级台阶式加筋土挡墙性能的影响,试验结果表明:当台阶宽度由1.3H₁(H₁为下墙高度)减至0.4H₁、筋材层间距减小或上墙筋材长度增加时,挡墙顶部沉降明显减少,且墙顶极限承载力显著增加;台阶式加筋土挡墙水平变形受台阶宽度和上墙筋材长度的影响显著,顶部加载时以上墙中部“鼓肚”和下墙沿墙高逐渐增大为主;增加台阶宽度使上墙底部垂直土压力增加,而下墙靠近墙面侧垂直土压力显著减小,增加上墙筋材长度和减少层间距使垂直土压力向远离墙面一侧发展;顶部加载时台阶式加筋土挡墙滑动面始于加载板后缘,绕过上墙墙底承台并贯通于下墙顶部土体,其破坏模式以上墙深层滑动破坏为主。     

短桩基础桩-土共同作用的原位测试与数值分析

通过对湖沼平原一个6层建筑的短桩原位测试和数值分析,研究了短桩基础的荷载传递与变形特性。试验结果表明,桩基的实际承载力大于计算值,而沉降远小于计算值。桩顶反力和基底土压力的观测结果显示：地基土所分担的荷载较小。对短桩基础的桩-土共同作用进行数值分析,得到了地基土层内的附加应力和分层沉降变化情况。研究结果表明,湖沼平原短桩基础的沉降以桩端以下土层的压缩变形为主。浅部硬土层既作为短桩的持力层,又有利于附加应力的扩散,从而减小了沉降。     

高速铁路沉降控制复合桩基的性状试验研究

基于沉降控制设计理念,无砟轨道京沪高速铁路地基处理采用筏板+垫层+疏桩的方法,形成复合桩基以实现有效减少工后沉降和充分利用地基承载力的优化加固方案。为探索该新方法沉降控制机制,选用CFG桩开展了复合桩基现场试验研究,对复合桩基在高速铁路路基填筑、静置、预压卸载过程中的地基沉降变形、桩和桩间土土压力、筏板顶与底部压力进行了长期观测,分析了路基沉降变形、桩-土应力比和荷载分担比以及筏板的受力随填筑高度和固结时间的变化规律。研究表明：筏板＋垫层＋疏桩联合加固地基方案在初期充分发挥了桩间土承载作用,导致桩与桩间土产生差异沉降;随着垫层的调节作用,筏板可集中发挥桩体的承载能力及显著提高桩顶应力集中程度,地基土沉降主要发生在加固区范围内,从而揭示了复合桩基在路基荷载下的承载机制和变形特性。现场试验结果可为指导高速铁路CFG桩复合桩基设计参数的进一步优化提供试验依据。     

复合加载条件下沉箱基础稳定性的三维效应

联合采用swipe加载模式与固定位移比加载模式,对于吸力式沉箱基础在水平荷载H与力矩M的复合加载条件下的稳定性进行比较系统的三维有限元分析,主要探讨了基础埋深与直径之比、地基土不排水强度的非均质性对于基础在H-M荷载空间内的破坏包络轨迹的影响,揭示了地基在不同荷载分量组合条件下的失稳破坏机制,并与平面应变假定下得到的结果进行了比较。计算结果表明：平面应变与三维情况下基础的破坏包络面形状有较大差异,分析基础稳定性时,必须考虑其三维效应。在三维情况下,非均质土中埋深与直径之比较小的基础的破坏包络面仍然会向负方向倾斜,已有的包络面方程明显高估这种情况下沉箱基础在正向水平荷载与力矩联合作用下的承载力,从而导致基础设计偏于不安全。     

Experimental research on horizontal bearing behavior of caisson-pile composite foundationEI北大核心CSCD

In this study, four groups of different types of bridge foundation model are tested to research the horizontal bearing behavior of caisson-pile composite foundation in lab based on the Qiongzhou Strait bridge project. The Q-s curve and horizontal ultimate bearing capacity of these four groups of foundations in sandy soil layer are obtained. Pile bending moment and shear force of pile shaft are analyzed in detail. At the same time, the load sharing ratio of caisson and piles is discussed. The results show that the horizontal ultimate bearing capacities of a single caisson foundation are increased by 1.2 times, 1.6 times and 2 times respectively with adding skirts, steel pipe pile, or steel pipe pile and the skirt. The maximum bending moment point is in the middle of the pile shaft, i.e. at about 0.5 m under the mud surface. The horizontal load is borne mainly by the upper caisson foundation and soil layers above the middle upper part of pile. The maximum shear force is found at the joint of pile top of steel pipe and caisson pile, where the reinforcement measures should be taken in practical engineering. The research achievements could provide a better reference for design or construction of caisson-pile composite foundation.     

带桩沉箱复合基础水平向承载性状模型试验研究

以琼州海峡跨海大桥工程为背景,通过4组不同型式深水桥梁基础模型试验,对新型带桩沉箱复合基础的水平向承载性能进行了初步研究。试验得到了4组模型在砂性土层中的Q-s曲线及水平向极限承载力,并对复合基础在各级水平荷载下的桩身弯矩和剪力进行了详细分析,同时对沉箱-桩荷载分担比展开了讨论。试验结果表明：当增加裙边、钢管桩、或同时增加钢管桩和裙边后能够使单体沉箱基础的水平向极限承载力分别提高1.2倍、1.6倍和2.0倍;桩身最大弯矩点均出现在桩身中部即泥面下约0.5 m处。水平荷载主要由上部沉箱基础及桩身中上部土体承担,钢管桩桩顶与沉箱连接部位出现最大剪力,在实际工程中应在此处采取加固措施。研究成果可为这一新型深水桥梁基础的推广应用提供诸多有益参考。     

桩端后注浆对大直径灌注桩影响的现场对比试验研究

基于郑州三环快速路工程开展的6个场地19根大直径灌注桩现场足尺试验,通过对比分析后注浆桩与未注浆桩实测结果,研究桩端后注浆对大直径灌注桩承载变形性状、荷载传递规律、桩端承载特性及桩侧摩阻力发挥性状的影响。结果表明,桩端后注浆条件下大直径灌注桩承载变形性能明显提高,且提高幅度受注浆龄期影响较为显著;在黄河中下游以中密～密实粉土、粉细砂及可塑～硬塑粉质黏土为主要冲积地层中桩长40 m左右的大直径灌注桩表现为摩擦型桩,但相比于未注浆桩,桩端后注浆桩传递至桩身下部及桩端的荷载更小;桩端后注浆在桩端下形成水泥沉渣坚硬固结体,有效地处理了桩端沉渣问题,且通过渗透劈裂作用,形成深度可达1 m的网状分布的水泥胶结体,加之对桩端土层的压密效应,显著提高了桩端支承性能与承载刚度;桩端后注浆显著提高大直径灌注桩桩侧极限摩阻力发挥水平,并降低了桩侧极限摩阻力对应的桩土相对位移,使得大直径灌注桩在较小的沉降下表现出较高的承载能力。     

复合加载下软基上半圆堤结构稳定性分析

半圆堤是适用于软土地基的一种轻型重力式的新型防波堤结构,复合加载模式下软基上半圆堤的稳定性计算和结构破坏模式尚需建立合理的分析和计算方法。将加载模式与软基上大型海岸结构稳定性分析的有限元模拟方法相结合,同时考虑半圆堤在不同荷载组合时可能发生沿底板或抛石基床底部的滑动破坏及地基竖向承载力破坏,建立了复合加载模式下软基上半圆堤的稳定性分析方法,得出了结构的稳定性破坏模式和破坏包络线（面）,并分析了箱内填砂量、抛石基床宽度及地基加固深度对半圆堤稳定性的影响。计算结果表明：半圆堤结构在复合荷载作用的破坏包络线（面）均由一定区域的结构滑移破坏面和地基承载力破坏线（面）组成,并将整个荷载组合区分成4个区域：稳定区、只发生滑移破坏区、只发生地基承载力破坏区和同时发生滑移和地基承载力破坏区;荷载与位移组合加载模式得到的地基承载力破坏包络线位于Swipe加载方式得到的破坏包络线之外,但对每种加载方式得到的地基承载力破坏包络线变化趋势基本一致;随着箱内填砂高度的增加沿沉箱底部和抛石基床底部的抗滑安全系数均增加,但地基承载力安全系数减小;随着抛石基床宽度或地基加固深度的增加,地基承载力安全系数明显增大。