沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

大圓結(jié)構(gòu)是由無(wú)底大直徑鋼筋混凝土或鋼圓的薄殼組成的建筑物，如橋墩、防波堤、排水溝等。近年來(lái)，它是中國(guó)的一種新興結(jié)構(gòu)，在多項(xiàng)大型國(guó)家建設(shè)項(xiàng)目中得到了采用。對(duì)于大圓筒結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、工作機(jī)理以及設(shè)計(jì)與計(jì)算方法等,國(guó)內(nèi)、外均開(kāi)展了一些研究工作,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、室內(nèi)模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬,取得了大量研究成果。在實(shí)驗(yàn)研究方面,文獻(xiàn)進(jìn)行了大圓筒結(jié)構(gòu)筒內(nèi)外土壓力及其分布、基床應(yīng)力及其分布、結(jié)構(gòu)滑動(dòng)和傾覆穩(wěn)定性等實(shí)驗(yàn)研究工作;在設(shè)計(jì)與計(jì)算方法方面,文獻(xiàn)分別給出了大圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和變位計(jì)算方法;在數(shù)值計(jì)算方法方面,文獻(xiàn)建立了大圓筒結(jié)構(gòu)與軟土相互作用分析的殼體單元-接觸面單元-非線性土體單元的耦合數(shù)值模型。上述研究工作使人們對(duì)大圓筒結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理、土壓力特性、內(nèi)力特性和穩(wěn)定性等有了更為深入的了解,并提出了不少設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法。但是,在沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用中,依然出現(xiàn)了包括傾覆破壞在內(nèi)的很多工程問(wèn)題。因此,關(guān)于沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法,特別是在深厚軟土地基中的穩(wěn)定性計(jì)算方法,仍是有待深入研究的課題。作者在先前的研究成果中,通過(guò)水平力和力矩極限平衡條件建立了大圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算方法,該方法在某大型工程的大圓筒結(jié)構(gòu)傾覆破壞分析中得到應(yīng)用。但是,在該方法中假設(shè)作用于圓筒上的水平土抗力、豎向土摩阻力、地基土豎向反力等均達(dá)到其極限值,而沒(méi)有考慮豎向力平衡條件。實(shí)際上,若假設(shè)豎向土摩阻力、地基土豎向反力等均達(dá)到其極限值,在與結(jié)構(gòu)自重和豎向外荷載構(gòu)成的力系中,往往不滿足豎向力平衡條件,也就是說(shuō)受豎向力平衡條件限制,使部分豎向力不可能達(dá)到其極限值。本文進(jìn)一步考慮豎向力平衡條件,建立了沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定性要求的新的入土深度計(jì)算方法。1按筒體極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的方法確定抗拉力假設(shè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性由土的嵌固作用來(lái)維持,沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析模型如圖1所示,圓簡(jiǎn)橫截面如圖2所示。該分析模型與板樁穩(wěn)定性分析模型的主要差別是,由于圓筒直徑很大,除水平土抗力外,還考慮了筒內(nèi)外土體對(duì)筒壁的豎向作用力、筒底土反力和土體作用于筒底的水平切力的作用。設(shè)圓筒沉入地基的深度為t,在距地基表面為H高度處的集中力P作用下,圓筒將繞地表以下某一點(diǎn)C發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。作用在筒體上的力除水平外荷P外,還包括筒體左側(cè)土體水平抗力py,筒體右側(cè)土抗水平抗力Rc,土體作用于筒底的水平切力T,筒底土反力σ,筒內(nèi)、外土體對(duì)筒壁的豎向作用力τ1、τ2、τ3和τ4,以及筒體自重和其它作用于筒體上的豎向力V。在外荷載作用下,筒體繞C點(diǎn)發(fā)生向左的轉(zhuǎn)動(dòng)。在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法中,可假設(shè)筒體左側(cè)水平土抗力py,筒體右側(cè)水平土抗力Rc(簡(jiǎn)化過(guò)程及計(jì)算參照無(wú)錨板樁),土體作用于筒底的水平切力T,筒底土反力σ,筒體左側(cè)內(nèi)、外土體對(duì)筒壁向上的豎向作用力τ3和τ4均達(dá)到其極限值。但是,如果假設(shè)筒體右側(cè)內(nèi)、外土體對(duì)筒壁向下的豎向作用力τ1和τ2也達(dá)到極限狀態(tài)的摩擦力的話,可能出現(xiàn)不滿足豎向力平衡條件的情況。也就是說(shuō)受豎向力平衡條件的限制,筒體右側(cè)內(nèi)、外土體對(duì)筒壁向下的豎向作用力τ1和τ2可能達(dá)不到極限狀態(tài)的摩擦力,它們應(yīng)是待求的未知量。2土壤重力的計(jì)算2.1墻體土壓力折減系數(shù)a假設(shè)地基土體為均質(zhì)黏土,作用于筒體左側(cè)的水平土抗力py可用郎金土壓力理論給出的被動(dòng)土壓力與主動(dòng)土壓力之差表示py=αD[γ(ΚΡ-Κa)y+2c(√ΚΡ+√Κa)](1)py=αD[γ(KP?Ka)y+2c(KP???√+Ka???√)](1)式中:a為連續(xù)圓筒墻背土壓力折減系數(shù);D為筒體外徑;γ為土的重度;c為土的黏聚力;Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù);Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù);y為計(jì)算點(diǎn)距地基地面以下的深度。筒體左側(cè)的水平土抗力py也可采用美國(guó)API建立的黏性土水平承載力公式計(jì)算,此不詳述。2.2土壤對(duì)底板的水平切割力土體對(duì)筒底的水平切力可采用下式計(jì)算Τ=14πD2cu(2)T=14πD2cu(2)式中:cu為黏土不排水剪切強(qiáng)度。2.3縱土反作，地面根據(jù)美國(guó)API,黏性土最大端阻應(yīng)力(筒底土反力)為σ=9cu(3)σ=9cu(3)2.4筒壁單元應(yīng)力假設(shè)筒體左側(cè)內(nèi)、外土體對(duì)筒壁向上的豎向作用力τ3和τ4均達(dá)到極限狀態(tài)的摩擦力。筒內(nèi)土體對(duì)單位寬度筒壁的豎向摩擦力為τ3=f(Η0+t)=f(Η0+t0+x)(4)τ3=f(H0+t)=f(H0+t0+x)(4)式中:H0為從海底泥面起算的筒內(nèi)填土深度,f為土對(duì)筒壁單位面積的摩擦力。筒外土體對(duì)單位寬度筒壁的豎向摩擦力為τ4=ft=f(t0+x)(5)τ4=ft=f(t0+x)(5)為敘述簡(jiǎn)捷,假設(shè)筒內(nèi)、外土體為均質(zhì)黏土。根據(jù)美國(guó)API,黏性土對(duì)筒壁單位面積的摩擦力f不大于黏土不排水剪切強(qiáng)度cu,最大可取為黏土不排水剪切強(qiáng)度cu。2.5自然態(tài)的作用力如前所述,受豎向力平衡條件限制,筒體右側(cè)內(nèi)、外土體對(duì)筒壁向下的豎向作用力τ1和τ2可能達(dá)不到極限狀態(tài)的摩擦力。假設(shè)筒內(nèi)、外土體對(duì)單位寬度筒壁的豎向作用力為摩擦力乘以一折減系數(shù)λ,即τ1=λf(Η0+t)=λf(Η0+t0+x)(6)τ2=λft=λf(t0+x)(7)τ1=λf(H0+t)=λf(H0+t0+x)(6)τ2=λft=λf(t0+x)(7)式中:λ為折減系數(shù),是待求的未知量。2.6t0-xpyydy,rcdy,nyydy,dydy,nydy,nyydy,dydy,nyydy,dydy,dydy,nyydydy,nydy,dydy,nyydydy,dydy,nydy,nydyydydydy,dydyydydydyydydydyydydydydydyydydydydydydyydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydydyd筒體右側(cè)水平土抗力Rc可由下式計(jì)算RC=∫tt0-xpy(y)dy=∫t0+xt0-xpy(y)dy(8)RC=∫tt0?xpy(y)dy=∫t0+xt0?xpy(y)dy(8)3筒底土反力的應(yīng)力及文化應(yīng)力沉入式大圓筒結(jié)構(gòu)主要依靠土體的嵌固作用來(lái)維持穩(wěn)定性,即應(yīng)滿足入土深度要求。它與板樁結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于要考慮作用于筒壁上的豎向力、筒底反力和筒底水平切力的作用。由水平力平衡條件可得Ρy-Τ-Rc-Ρ=0(9)Py?T?Rc?P=0(9)式中:T\,Rc分別由式(2)和式(8)給出;P為作用于筒體上的外荷水平合力;Py為筒體左側(cè)水平土抗力合力。由豎向力平衡條件可得Rσ+Τ3+Τ4-Τ1-Τ2-V=0(10)Rσ+T3+T4?T1?T2?V=0(10)式中:Rσ\,T3\,T4\,T1\,T2分別為筒底土反力、筒體左側(cè)筒內(nèi)土體對(duì)筒壁向上作用力、筒體左側(cè)筒外土體對(duì)筒壁向上作用力、筒體右側(cè)筒內(nèi)土體對(duì)筒壁向下作用力、筒體右側(cè)筒外土體對(duì)筒壁向下作用力的合力;V為作用于筒體上的外荷載豎向合力。由對(duì)C點(diǎn)的力矩平衡條件得式中:P為作用于筒體上的外荷載水平合力;H為水平合力作用點(diǎn)距地基頂面距離;V為作用于筒體上的外荷載豎向合力;e為豎向合力作用點(diǎn)距圓筒軸線的距離;Py為筒體左側(cè)水平土抗力合力;ly為Py作用點(diǎn)距C點(diǎn)的距離;M1、M2分別為筒體右側(cè)筒內(nèi)、外土體對(duì)筒壁豎向作用力產(chǎn)生的力矩;M3、M4分別為筒體左側(cè)筒內(nèi)、外土體對(duì)筒壁豎向作用力產(chǎn)生的力矩;MT為筒底切力T產(chǎn)生的力矩;Mσ為筒底土反力σ產(chǎn)生的力矩。由水平力、垂直力和力矩平衡條件建立的3個(gè)平衡方程式(9)～式(11)中有3個(gè)未知量:x\,t0和λ,求解這3個(gè)平衡方程可得到3個(gè)未知量,從而確定滿足穩(wěn)定性要求的入土深度:t=t0+x。4響應(yīng)面模型某大型國(guó)家建設(shè)項(xiàng)目導(dǎo)堤試驗(yàn)段工程,采用沉入式鋼筋混凝土大圓筒結(jié)構(gòu)方案,結(jié)構(gòu)斷面示意圖如圖3所示。地基頂面標(biāo)高-8.5m,設(shè)計(jì)堤頂高程+2.0m。地基為層狀軟黏土,各層土性指標(biāo)在表1中給出。使用期設(shè)計(jì)波浪條件下,波浪力水平合力為8362.9kN,水平合力作用點(diǎn)距地基頂面的距離為5.776m,豎向合力為3566.8kN。圓筒外徑D=12.0m,圓筒內(nèi)徑D0=11.5m,原設(shè)計(jì)入土深度t=15.2m。在一次接近使用期設(shè)計(jì)波浪條件的臺(tái)風(fēng)期間,該導(dǎo)堤試驗(yàn)段工程大圓筒結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆破壞。用本文方法計(jì)算了維持大圓筒導(dǎo)堤穩(wěn)定性所需的入土深度:在安全系數(shù)為1.0的情況下,不考慮豎向力平衡條件時(shí)所需的入土深度t=21.2m;考慮豎向力平衡條件時(shí)所需的入土深度t=24.5m,入土深度分別比原設(shè)計(jì)方法增加6.0m和9.3m。圖4給出了該圓筒導(dǎo)堤所需入土深度隨波浪力和土性指標(biāo)增減百分比的變化曲線。由圖可見(jiàn),土性指標(biāo)對(duì)圓筒導(dǎo)堤穩(wěn)定性(入土深度)的影響大于波浪力的影響,豎向力平衡條件對(duì)圓筒導(dǎo)堤穩(wěn)定性(入土深度)也有比較明顯的影響。5豎向