沉井下沉側壁摩阻力離心模型試驗研究

張 凱，馬建林，周和祥，羅朝洋，褚晶磊

(西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

沉井[1-3]以其整體性強、剛性好、承載力高、施工方便等特點廣泛應用于各類大跨度橋梁基礎。對于超深大沉井的設計與施工，其核心問題之一是如何準確可靠地計算沉井下沉系數與穩定系數以保證下沉過程的安全穩定。而如何確定沉井側壁摩阻力的大小及分布規律，并在此基礎之上建立一個相應的計算模型是確定上述參數的關鍵。現行規范[4]對于深大沉井側壁摩阻力的計算方法是依據大直徑樁的下沉機理分析或針對中小沉井得出。雖然簡單易行，但與現場實測結果[5]存在很大差異。在現場試驗與室內試驗方面，國內外學者均做了相關研究。陳曉平等[6]以海口某大橋沉井現場資料分析沉井下沉機理和受力特征，得出不同下沉深度下側壁摩阻力的分布規律及計算模型。王建等[7]研制了直接測量沉井側壁摩阻力的微型摩阻力儀器，并以此獲得了側壁摩阻力隨下沉深度的發展曲線，對其發展趨勢進行了理論分析。

現場監測試驗存在數據波動性較大，數據量有限等問題；而針對沉井側壁摩阻力的室內試驗開展得較少，并且試驗結果均在1g重力場條件下獲得。離心模型試驗借助離心力場模擬重力場，克服了重力場模型試驗不能模擬原型重力場的缺陷，使模型具有與原型相似的邊界條件和受力狀態，可對沉井下沉過程中側壁摩阻力大小及分布研究提供很好的支持。

本文依托滬通長江大橋29#墩沉井基礎，開展室內離心模型試驗，研究超深大沉井下沉過程中側壁摩阻力的大小及其分布特性，并在此基礎上提出可靠、合理的沉井側壁摩阻力的計算模型，試驗結果可為類似的工程提供參考。

1 工程概況

滬通長江大橋[8-9]位于江陰長江公路大橋下游約45 km處，是滬通鐵路的控制性工程。主航道采用雙塔五跨布置，跨度為(168+462+1092+462+168)m。橋梁主跨位于28#墩和29#墩之間，主跨長 1 092 m，設計為4線6車道公鐵兩用斜拉橋。

滬通鐵路為雙線Ⅰ級鐵路，設計時速為200 km/h，公路為雙向6車道高速公路。為滿足橋梁結構承載力、沉降、防沖刷等要求，29#墩沉井基礎設計為倒圓角的矩形沉井基礎，平面尺寸為86.9 m×58.7 m。為方便吸泥下沉，平面布置為24個倒圓角矩形井孔，豎向由下部56 m的鋼沉井和上部59 m的混凝土沉井組成。29#墩沉井基礎結構見圖1。

圖1 29#墩沉井基礎結構(單位：cm)

2 離心模型試驗方案

2.1 試驗設備與裝置

2.1.1 土工離心機

試驗采用西南交通大學數據自動化采集系統的TLJ-2型土工離心機，其最大加速度為200g，有效半徑為2.7 m。

2.1.2 試驗用模型箱

試驗選用尺寸相對較大的自制模型箱，以減小尺寸效應的干擾進而提高數據的準確性。試驗用模型箱內緣尺寸：長 800 mm、寬700 mm、高700 mm，重心高度302.2 mm。

試驗模型箱底板與3個側面板材質為鋼板，正面采用有機玻璃，便于觀察模型箱內的試驗情況。在模型箱頂部相應位置按照設計依次鉆孔，用于模型箱吊裝以及與加載裝置的連接。

試驗模型處于水下環境，為保證模型箱的密封性，在模型箱內各接縫處涂抹一定厚度的玻璃膠。

2.1.3 試驗用土的制備及其物理力學特性

選用粉質砂土作為試驗用土，平均粒徑為0.3 mm。在離心模型試驗中，由于模型與材料縮尺的不一致，往往存在粒徑效應[10-11]。本次試驗沉井側壁模型的寬度與試驗用砂平均粒徑之比為67，可忽略粒徑效應對試驗結果的影響。

試驗中將砂土分層攤鋪并利用室內輕型壓實儀進行多遍夯實，直至到達設計高度。試驗土樣全部填筑完成后，通過模型箱中預先埋設的注水管緩慢從模型箱底部向上注水，當注水高度高于土面1 cm后停止注水，靜置24 h，以保證土樣的均一性。試驗土樣為粉質砂土，基本參數為：黏聚力0，內摩擦角36.2°，天然孔隙比0.73，干密度1.56 g/cm3，飽和密度1.984 g/cm3,土顆粒密度2.7 g/cm3。

2.1.4 沉井側壁模型

沉井側壁模型材質選用鋼板，由上至下以中心線為對稱軸依次布置2排土壓力盒以保證試驗數據的準確性與穩定性。沉井側壁模型如圖2所示。

圖2 沉井側壁模型示意(單位：cm)

2.1.5 試驗元器件

試驗選用江蘇溧陽科源儀器廠研發的BW箔式微型土壓力盒量測沉井側壁外側土壓力大小；選用YWC型應變式位移傳感器量測沉井側壁的下沉距離。

2.2 試驗過程

2.2.1 試驗安排

通過離心模型試驗[12-15]模擬沉井連續動態吸泥下沉的過程極為困難，因此試驗選取沉井下沉過程中幾個特定的時間點階段性地分析其動態下沉過程。盡管存在一定的誤差，但大大提高了試驗的可操作性。

試驗共分為4組，埋深分別為10，20，30，40 cm，離心加速度設定為90g，加載前保證沉井內側土面與刃腳踏面相平。離心模型試驗安排見表1。

表1 離心模型試驗安排

2.2.2 試驗加載

采用自行研制的加載裝置對沉井側壁施加豎向荷載，通過操作系統控制加載裝置緩慢勻速下降并通過加載裝置與沉井側壁上的連接裝置帶動沉井緩慢勻速下沉。當下沉距離達到2～3 cm后，停止加載。試驗布置如圖3所示。

圖3 試驗布置示意(單位：cm)

3 試驗結果分析

3.1 沉井側壁摩阻力分析

根據上述試驗條件，得到不同埋深情況下沉井側壁有效土壓力、摩阻力的大小及分布，見圖4。

圖4 不同埋深下沉井側壁土壓力、摩阻力分布曲線

不同埋深下沉井側壁土壓力分布曲線見圖4(a)。由圖4(a)可知：沉井側壁有效土壓力介于靜止土壓力與被動土壓力之間，當入土深度較小時，側壁有效土壓力更接近于被動土壓力。隨著下沉深度的增加，沉井側壁土壓力逐漸增大，在入土深度達到2/3倍沉井埋深時，有效土壓力達到最大值，隨后由于沉井下沉使刃腳外側土體有向內的趨勢，在沉井外側某一范圍內形成壓力松弛區造成側壁有效土壓力減小，且在靠近刃腳附近其減小幅度更大，數值偏向于靜止土壓力。

沉井側壁摩阻力

fs=σatanφ

(1)

通過離心模型試驗結果計算得到的σa和已知摩擦因數值0.47，由式(1)計算得到沉井在下沉過程中的側壁摩阻力的大小，不同埋深下沉井側壁摩阻力分布見圖4(b)。由圖4(b)可知：不同埋深下沉井側壁摩阻力整體呈現上下小中間大的分布形式。當下沉深度較小時，沉井側壁摩阻力與入土深度基本呈線性關系，且埋深增加時其線性增加部分比例逐漸降低。當下沉深度增加時，側壁摩阻力隨入土深度的增加先增大后減小。不同埋深下相應的摩阻力極值在一定的下沉深度內隨著下沉深度的增加而增大，且發生的部位逐漸下移。

3.2 沉井側壁摩阻力計算模型

根據離心模型試驗結果，沉井側壁摩阻力呈現上下小中間大的分布形態，考慮幾種不同的數學模型進行結果擬合[16]，從而確定一種合適的計算模型。

3.2.1 拋物線形

根據離心模型試驗結果，選取拋物線形函數進行擬合。擬合公式為

f=C+B1h+B2h2

(2)

式中：f為沉井側壁摩阻力，kPa;h為沉井入土深度，m;C,B1，B2為擬合參數。

不同埋深下沉井側壁摩阻力拋物線擬合曲線見圖5，擬合參數見表2。

圖5 不同埋深下沉井側壁摩阻力拋物線擬合曲線

表2 拋物線形擬合參數

由圖5及表2可知：在一定的入土深度范圍內，采用二次函數曲線對不同埋深下沉井側壁摩阻力的分布進行擬合，其相關系數較高，可以很好地反映側壁摩阻力的大小及分布。但其擬合參數C，B1，B2規律性不強，且與土體性質、埋深等參數之間的關系無法較準確地確定，使其不便于工程應用。

3.2.2 分段函數包絡線

考慮工程中的應用方便，采用分段函數包絡線的形式擬合。擬合公式為

(3)

式中：μ為沉井側壁與土體之間的摩擦因數；γ為土體的有效重度，kN/m3；H為總的入土深度,m；Kz為增大土壓力系數，介于K0與Kp之間(K0為靜止土壓力系數，Kp為被動土壓力系數)，考慮土體性質等因素的影響，本次試驗中取0.85Kp。

不同埋深下沉井側壁摩阻力分段函數擬合曲線見圖6。

圖6 不同埋深下沉井側壁摩阻力分段函數擬合曲線

由圖6可知：當h≤4H/9時，側壁摩阻力隨著深度的增加而線性增大至極限側壁摩阻力；4H/9

4 結論

本文采用多功能數據自動化采集系統TLJ-2型土工離心機，對4組不同埋深下的沉井側壁開展離心模型試驗。通過對試驗結果的分析，得到如下結論：

1)離心模型試驗利用離心機產生的離心加速度場代替1g重力場，可使得模型與原型應力相等、應變相等，可以更好地模擬沉井下沉過程中側壁摩阻力的大小及特性。

2)在一定的下沉深度范圍內，沉井側壁摩阻力隨下沉深度的增加呈先增大后減小的趨勢，且當入土深度為2/3倍沉井埋深時，沉井側壁摩阻力達到極大值。

3)依據試驗結果，分別采用拋物線、分段函數包絡線形式對試驗結果進行擬合，二者擬合程度均較高。考慮到工程應用的方便，選擇分段函數作為側壁摩阻力大小及分布計算模型，并給出了計算公式，可為今后類似工程提供參考。