沉井在不同真空預壓處理程度的軟土地基中下沉阻力特征

曾芳金，詹魯鋼，楊克軍，符洪濤

(1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，贛州 341000；2.江西省巖土與工程災害控制重點實驗室，贛州 341000；3.溫州設計集團，溫州 325035；4.溫州大學建筑與土木工程學院，溫州 325035)

沉井的結構為井筒狀，以井內挖土，依靠自身的重力或其他方法克服側摩阻力與刃腳反力后下沉至設計標高，然后封底，使其成為建筑物的基礎，是深基礎的重要形式之一，在橋梁、港口、大型建筑地下室及水利水電工程中廣泛應用[1-3]。目前，在關于沉井下沉受力特性方面，研究方法主要包括工程現場原位監測、室內模型試驗、數值模擬以及理論推導等手段[4-7]。陳曉平等[8]研究了沉井基礎下沉阻力分布特征。徐偉等[9]研究了環形沉井刃腳斜側面的土壓力分布規律及其地基的極限承載力。在室內模型試驗方面穆保崗等[10]、王建等[11]研究了沉井側壁摩阻力的變化特點及對周邊土體的影響。

在沿海地區，為了增加土地的利用面積，利用真空預壓的方式來處理圍墾的軟土地基[12-13]。其中圍墾所需的用土主要為吹填土，該種土的孔隙比較大，含水率較高，抗剪強度及地基承載力較低，這些都不利于實際工程，但是經過一些處理之后能明顯改善其特性。其中真空預壓法已經廣泛應用于軟土地基的加固處理工程中，該方法具有造價較低、環保、工藝較為簡單等優點。

真空預壓處理后黏土性質的改變會對沉井下沉產生新的影響，沉井在這類軟土地基上設計施工會面臨一系列新的問題。但對于沉井在真空預壓處理后的軟土地基中下沉的室內模型試驗，在中外相關文獻中未見有報道。為了探究沉井在不同真空預壓處理程度的軟土地基中下沉過程中的受力情況變化及特征，以真空預壓處理時間作為變量條件，觀察沉井在4組不同性質的土層中下沉過程的受力情況，分析不同真空預壓處理程度的土層對沉井下沉過程中的受力有何影響。再用有限元軟件MIDAS進行數值模擬，對其準確性、穩定性進行驗證。

1 模型試驗

1.1 試驗目的和內容

沉井模型是參考某地下室沉井工程制作的，但在模型制作和試驗過程中并沒有充分考慮沉井模型與工程原型的相似性及比例影響，也沒有考慮沉井分節接高下沉、內隔墻等施工過程細節影響，否則實際模型試驗將變得較為復雜。所以試驗測得的數據不能完全用來描述沉井在工程實際中的應力狀態，但對于了解和驗證沉井在不同真空預壓處理程度的軟土地基中下沉時側壁摩阻力、刃腳阻力的變化特征以及對后期開展相關的理論研究都是有意義的，而后者也正是開展本次模型試驗的主要目的。

試驗控制了土體受真空預壓處理后的含水率作為變量，在保持膜下真空壓力為-85 kPa左右的情況下，分為土體含水率60%、55%、50%、45%、40%共5組(實際略有偏差)，在每組處理后的土層固定位置放置沉井，并通過計算沉井下沉系數及反復試驗，對沉井分別施加0、30、90、180、240 kg的荷載使其自然下沉。

圖1 模型試驗裝置Fig.1 Model testing device

1.2 真空預壓處理

將準備好的土體放入試驗模型裝置中，如圖1所示。試驗模型箱尺寸為2 m×2 m×1 m(長×寬×高)，模型箱周圍及底板均由鋼板制成，厚度均為10 mm，其中試驗泥面高度為0.8 m。該處理系統由排水模塊和密封模塊構成。排水模塊由真空泵、排水管和新型防堵塞塑料排水板構成[14]；密封模塊由編織布、土工布和聚氯乙烯密封膜構成。

1.3 土體參數

試驗所需土體取自溫州沿海的海涂圍墾區，通過室內土工試驗測得經過不同真空預壓處理后的土體基本物理參數如表1所示，其中彈性模量及泊松比為估算取值。

1.4 沉井模型

制作鋼筋混凝土沉井模型，如圖2所示，模型的尺寸為40 cm×35 cm×50 cm(長×寬×高)。沉井模型的自重為0.96 kN，壁厚3～7 cm，踏面寬度3 cm，刃腳高度8 cm，刃腳斜面傾角63.4°，模型俯、剖面圖如圖3所示。

1.5 儀器分布與采集

目前工程實際中對于沉井側摩阻力的計算以經驗法為主，而經驗法[15]并不適用于室內模型試驗的精確測量。由于每種沉井材料的表面特性各不相同，直接測量摩阻力的儀器難以模擬，特制的摩擦力儀又較為昂貴且工作量大，故試驗采取土壓力盒測量側壁土壓力換算的方法測量側摩阻力。將土壓力盒對稱分布于沉井兩側面距踏面距離為10、20、30、40 cm處，底部土壓力盒對稱分布于兩側刃腳底部及斜面，導線沿沉井壁引至沉井頂面。土壓力盒布置如圖4所示。

表1 試驗土體基本物理參數Table 1 Physical properties indexes of soil

圖2 試驗沉井模型Fig.2 Open caisson model

圖3 沉井模型俯、剖面圖Fig.3 The planform and section of the caisson model

圖4 土壓力盒布置Fig.4 Setup of earth pressure

圖5 采集分析系統Fig.5 Test system

1.6 試驗過程

土壓力盒的數據采集選用uT7816動靜態應變采集分析系統(圖5)。由于試驗沉井下沉深度較小，故排除地下水對沉井下沉的影響，采取排水下沉的方法。沉井下沉過程控制方法對沉井阻力影響較大，為了盡可能避免一些干擾因素，試驗的過程中采取了以下措施：①沉井下沉過程中刃腳附近需均勻取土以控制刃腳下方的脫空范圍，避免出現突沉現象；②通過刃腳附近的非均勻取土或移動加載在沉井上方的重物重心來調整傾斜(圖6)。在下沉過程中實施以上措施，實現了沉井模型的平穩下沉。在每次模型下沉穩定之后，對下沉深度及各儀器讀數進行測量記錄，多次采樣取其平均值作為最終量測數據。

圖6 試驗過程實物圖Fig.6 Picture of test process

2 試驗結果與分析

在沉井模型下沉過程中，井壁土壓力盒傳感器的讀數會受到傾斜等不利因素影響表現出一定的波動特征，為此，取其平均值進行分析。側壁土壓力讀數取2只土壓力盒的平均值，刃腳底部及斜面土壓力取4只土壓力盒的平均值，均值曲線相對較為光滑。

2.1 側摩阻力變化分析

5組試驗中對應的沉井側壁土壓力隨下沉深度的變化曲線如圖7所示(s為測點離沉井頂部距離)，從試驗數據的變化來看，側壁土壓力在試驗1、2、3中隨著入土深度接近線性增加，在一定深度達到峰值后減小。而在試驗4、5中先接近線性增加。試驗1、2、3中的特征與文獻中得出的結論在規律上總體上是一致的，原因是沉井下沉到一定深度H時，井內土體高度小于井外土體高度，在刃腳的內外側形成壓力差，壓力差會使刃腳外側的土體向內側移動，如圖8所示(Rf為側摩阻力，Rb為刃腳底部土壓力)。此現象在試驗1、2、3中較為明顯，在試驗4、5中由于土中含水率的降低，土的流動性也隨之減小，故在刃腳底部附近摩擦力減小的現象不明顯。

試驗中沉井側摩阻力f的計算式為

f=μfn

(1)

式(1)中：μ為沉井壁與土體的摩擦系數；fn為井壁所受到的側向土壓力。本次試驗通過摩擦板試驗來確定混凝土井壁與土體之間的摩擦系數，如表2所示。由此可知試驗1到試驗5沉井側壁阻力慢慢增大的原因是：真空預壓處理后的土體與井壁間的摩擦系數較處理前增大；地基在真空預壓處理后土體重度的增加導致了側向壓力的增大。

2.2 刃腳阻力變化分析

2.2.1 刃腳踏面土壓力

沉井模型刃腳踏面土壓力分布曲線如圖9所示，刃腳踏面土壓力隨著深度的增加緩慢減少，這與一般工程實測大型沉井結果[9]不同。造成此現象是因為：工程實際中的沉井是分段接高下沉，沉井自重有所增加，而室內模型試驗由于下沉深度較淺，下沉過程中沉井自重保持不變。沉井自重及加載不變的情況下，隨著沉井模型下沉過程中側摩阻力及刃腳斜面阻力的增加，刃腳踏面阻力會減小，這符合本試驗的觀察結果。

2.2.2 刃腳斜面土壓力

沉井模型刃腳斜面土壓力分布曲線如圖10所示。可以看出，刃腳斜面在剛下沉波動較大，之后土壓力隨著入土深度的增加而緩慢減小，且5組試驗刃腳斜面反力占刃腳踏面反力的20%～30%。而傳統實際工程[10]中沉井在下沉過程中實測的刃腳斜面反力比刃腳踏面反力要小很多，僅為10%左右。出現此現象的原因是在實際工程中沉井的下沉過程中采用吸泥下沉時，對刃腳斜面附近的泥土也有沖吸作用，會帶走刃腳附近的土體，而室內模型試驗不排水下沉中取土控制精確，所以更加接近刃腳底部理論的受力情況。

圖7 沉井側壁土壓力分布Fig.7 Distribution of earth pressure on sidewall

圖10 刃腳斜面土壓力隨沉井下沉分布Fig.10 Distribution of earth pressure on foot blade incline

3 數值模擬分析對比

3.1 有限元模擬

數值模擬采用Midas有限元軟件按與實體沉井模型1∶1的比例進行模擬。在沉井基礎下沉阻力的數值模擬中，沉井井壁混凝土采用彈性模型，周圍土體采用摩爾-庫侖模型，混凝土井壁與土體接觸面采用庫侖摩擦準則。求解的內容包括井壁側向土壓力、豎向土壓力、周圍土體的應力應變狀態的數值模擬結果。估算得鋼筋混凝土材料的容重為23 kN/m3，彈性模量取30 GPa，泊松比取0.2，土體參數如表1所示。

通過改變土體參數，模擬了真空預壓前后沉井的下沉。按照施工順序，對下沉過程進行施工階段分組。模擬計算下沉過程節點取土壓力盒的位置點(離刃腳底面10、20、30、40 cm處)。施工階段組分為步驟1：初始；步驟2：下沉10 cm；步驟3：下沉20 cm；步驟4：下沉30 cm；步驟5：下沉40 cm;步驟6：下沉50 cm。模型如圖11所示。

圖11 沉井有限元模型Fig.11 Finite element model of caisson

3.2 數據分析

由室內模型試驗數據可知，在下沉過程中刃腳斜面的反力占刃腳踏面反力比為30%～40%，與工程實際相差較大。為了更好地探究沉井刃腳阻力的分布情況，分析對比了現有的刃腳底部理論豎向受力分布情況與數值模擬情況。圖12所示為沉井刃腳底部的豎向理論受力特征圖，F為沉井豎直向下的力，該模型假設了刃腳斜面b與土面交點位置處豎直向上的受力p為零，且刃腳踏面a均勻受力，刃腳斜面受力情況為從最大值線性減小至零。在使用有限元模擬沉井模型時，通過模擬得出的刃腳底部線上圖，反映出刃腳底部的豎向受力特征，如圖13所示。從圖13中可以看出刃腳底部豎向受力p分布較為均勻，呈現為在波動中先增大，在刃腳踏面與斜面的交界處達到最大值，之后緩慢減小的規律，而不是線性均勻分布。由此可知理論計算方式對于刃腳踏面的豎向受力計算偏大，對于刃腳斜面的豎向受力計算偏小。

圖12 理論刃腳豎向受力Fig.12 Theoretical vertical force of foot blade

圖13 有限元模擬刃腳豎向受力Fig.13 Finite element vertical force of foot blade

4 結論

相對于其他室內模型試驗，本次試驗探索的是沉井在不同真空預壓處理程度的軟土地基中下沉受力的變化特征。在沿海地區廣泛分布的軟土地基中，對于真空預壓處理技術與沉井基礎的結合具有較好的指導性，從而更好地幫助沉井設計與施工。室內模型試驗是沉井下沉阻力研究的輔助手段之一，目前在這方面的研究工作還較為欠缺，有很多方面需要探究。通過模型試驗及數值模擬得出以下結論。

(1)試驗模擬了沉井在不同真空預壓處理程度的軟土地基中下沉，當土體含水率由61.2%下降到40.6%時，軟土基礎對于沉井自重荷載提高了250%，且當含水率降低到45%左右時，沉井的承載力有明顯提升。

(2)隨著真空預壓處理時間的增加，沉井在軟土地基中下沉時的側摩阻力逐漸增加，靠近刃腳附近側摩阻力減小的趨勢消失。

(3)刃腳阻力隨沉井入土深度的增加緩慢減小，其中刃腳斜面阻力占同一深度踏面阻力的20%～30%，大于工程實際。

(4)通過有限元模擬，得出刃腳底部土壓力分布較為均勻，呈現為在波動中先增大，在刃腳踏面與斜面的交界處達到最大值，之后緩慢減小的規律，而不是線性均勻分布。現有理論計算方式對于刃腳踏面的豎向受力計算偏大，對于刃腳斜面的豎向受力計算偏小。