無底圓筒結(jié)構(gòu)基底壓力的模型試驗研究

無底圓筒結(jié)構(gòu)基底壓力的模型試驗研究

無底沉降結(jié)構(gòu)是一種具有一定深度的空心薄殼結(jié)構(gòu)，在沉降基礎(chǔ)上填充一定深度。一般來說，填充材料和袋體材料以維持結(jié)構(gòu)材料的穩(wěn)定性。這是重力結(jié)構(gòu)的一部分。該結(jié)構(gòu)的特點是圓筒筒壁為剛性,內(nèi)填料為彈塑性,但是由于無底,因此其基底為非完全剛性的混合基底,與傳統(tǒng)的完全剛性基底的重力式結(jié)構(gòu)相比,圓筒結(jié)構(gòu)與內(nèi)填料和地基土存在復(fù)雜的相互作用,這將直接影響剛性基底壓力的變化趨勢。由于無底圓筒結(jié)構(gòu)基底壓力方面的研究很少,長期以來一直采用傳統(tǒng)的有底重力式結(jié)構(gòu)方法計算無底結(jié)構(gòu)的基底壓力,一些工程設(shè)計也采用有底結(jié)構(gòu)的方法驗算無底圓筒結(jié)構(gòu)的基底應(yīng)力,因此采用模型試驗揭示無底圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)填料和地基土與筒壁間的相互作用以及摩阻力的變化規(guī)律,進而提出圓筒結(jié)構(gòu)基底壓力的計算方法是應(yīng)用該結(jié)構(gòu)的客觀需要。1基土及充填材料模型為3個并列的無底圓筒,圓筒外徑D=0.8m,內(nèi)徑d=0.7m,筒高H=2.0m。為量測圓筒底壓力,在筒底均勻布設(shè)12個土壓力盒;為量測筒內(nèi)和筒前后土壓力,沿筒身設(shè)置13個量測斷面,計180個土壓力盒。試驗用地基土為海濱細(xì)砂,天然重度γ=15kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=32°。筒內(nèi)填料采用3種:1)海濱細(xì)砂,物理力學(xué)指標(biāo)同上;2)級配碎石,重度γ=15.8kN/m3,粒徑d=1～3cm,內(nèi)摩擦角φ=41.2°;3)均勻碎石,重度γ=14.6kN/m3,粒徑d≈2cm,內(nèi)摩擦角φ=39.3°。試驗進行了2項內(nèi)容,即實筒推力試驗(試驗1)和空筒推力試驗(試驗2),二者不同之處是筒內(nèi)有無填料。試驗時,圓筒埋入地基中,筒內(nèi)填滿料(試驗2筒內(nèi)不填料),在筒外連續(xù)施加水平荷載,直至圓筒破壞止。圓筒埋深h分5種:h=0.4,0.6,0.8,1.0,1.2m。2內(nèi)套筒內(nèi)的壓力2.1內(nèi)土壓力分布筒內(nèi)土壓力實測結(jié)果表明,在各種受荷狀態(tài)下其分布形態(tài)基本相同,即筒內(nèi)土壓力隨深度增大,至一定深度后增大趨勢減緩且趨于常數(shù),但在筒底附近土壓力又明顯增大。筒內(nèi)土壓力分布見圖1。其它一些無底薄殼結(jié)構(gòu)試驗也觀察到了類似筒內(nèi)壓力分布圖。因此,筒內(nèi)土壓力形態(tài)基本可分為3個區(qū)段,上部緩慢增大段為主動區(qū),中部為常數(shù)區(qū),底部突然增大段為被動區(qū)。圖1(a)為圓筒埋深60cm,其轉(zhuǎn)角θ=0°,0.2°,0.5°三種變位狀態(tài)下的實測筒內(nèi)土壓力均值分布圖(其它埋深與此圖相似)。轉(zhuǎn)角θ=0°時,筒體不受水平荷載作用,處于垂直對稱荷載狀態(tài);θ=0.2°和θ=0.5°時,筒體受水平荷載作用,分別處于后趾剛好脫空狀態(tài)和極限破壞狀態(tài)。2.2單元體及邊界條件依據(jù)試驗研究,將筒內(nèi)土壓力沿筒高分為3個區(qū)域:AB為主動區(qū),BC為常數(shù)區(qū),CD為被動區(qū),見圖1(b)。主動區(qū)和被動區(qū)高度與無底圓筒和筒內(nèi)填土相互作用有關(guān),主要決定于內(nèi)填土土質(zhì)、筒壁糙度、筒高H和內(nèi)徑d等參數(shù)。當(dāng)圓筒置于不可壓縮的地基上時,無底圓筒與有剛性底板的結(jié)構(gòu)一樣,整個筒高均為主動區(qū);當(dāng)圓筒置于可壓縮的地基上時,主動區(qū)和被動區(qū)高度很難精確求解。依據(jù)本次試驗和其它試驗資料,在H/d≥2.0條件下,主動區(qū)高度h1和被動區(qū)高度h3可由下面2式確定。h1=αdtan(45°+φ/2-δ)(1)h3=αdtan[45°-(φ+δ)/3](2)式中:α為參數(shù),α=(H/d)1/4,φ為土的內(nèi)摩擦角,δ為筒壁的外摩擦角。筒體主動區(qū)內(nèi)填料在自重和垂直超載作用下,相對筒壁向下運動;被動區(qū)由于筒壁基底壓力遠大于內(nèi)填料底壓力,使得內(nèi)填料相對筒壁向上滑移。分別從主動區(qū)和被動區(qū)的任意深度y處取一內(nèi)填料單元片體,見圖1(c),其上作用有:片體自重力γAdy;片體頂面垂直向下的壓力σy;底面向上的壓力σy+dσy;片體周邊摩阻力τf。根據(jù)主動區(qū)平衡條件得到dσydy+σyh0?γ=0(3)dσydy+σyh0-γ=0(3)在y=0,σy=q0邊界條件下,該方程的解為σy=γh0-(γh0-q0)e-y/h0(4)根據(jù)被動區(qū)的平衡條件得到dσydy+σyh0?γ=0(5)dσydy+σyh0-γ=0(5)在y=hc(hc為被動區(qū)頂面深度),σy=σhc(σhc由(4)式確定)的邊界條件下,該方程的解為σy=?γh0[1?exp(y?hch0)]+σhcexp(y?hch0)(6)σy=-γh0[1-exp(y-hch0)]+σhcexp(y-hch0)(6)式中:γ為內(nèi)填土重度;q0為填土表面作用的超載;h0=A/(ukf)為一參數(shù),其中A、u為圓筒內(nèi)徑面積和內(nèi)徑周長,k,f為內(nèi)填土土壓力系數(shù)及與筒壁的摩擦系數(shù)。按(4)式和(6)式算得主動區(qū)B點和被動區(qū)D點的側(cè)壓力為σBX=3.55kN/m2,σDX=7.21kN/m2;實測值為σBX=3.10kN/m2,σDX=6.80kN/m2,可見二者吻合較好。3有效摩擦法的比例3.1摩阻力有效比無底圓筒結(jié)構(gòu)內(nèi)填料和地基土與筒壁間的摩阻力Ff是經(jīng)筒壁傳遞的豎向力,它直接影響圓筒基底應(yīng)力。摩阻力Ff與內(nèi)填料重力Q的比值n稱為摩阻力有效比,即n=Ff/Q。在垂直對稱荷載狀態(tài)下,內(nèi)填料和地基土與筒壁的摩阻力沿圓周是對稱分布的。根據(jù)受力平衡條件,Ff=Pσ-G,其中G為圓筒自重力,Pσ為圓筒基底壓力,可由筒底壓力盒實測得到。內(nèi)填料分別為海濱細(xì)砂和級配碎石,由試驗實測的摩阻力有效比見表1和表2中θ=0°一欄。其中:n為試驗1實測,它即為內(nèi)填料和筒外地基土共同工作的摩阻力有效比;n2為試驗2實測,它為由筒外地基土產(chǎn)生的摩阻力有效比;n1為2試驗實測有效比之差,它為由筒內(nèi)填料產(chǎn)生的摩阻力有效比。由表中數(shù)值得到:1)n1不隨埋深變化,基本維持一常量,細(xì)砂填料時n1=35%～37%;級配石填料時n1=39%;均勻石填料時n1=38%(篇幅有限,表中未列出)。2)n2隨埋深增大而增大,埋深40cm時n2=5%,埋深120cm時n2=27%。3.2摩阻力的變化在水平荷載作用下,圓筒結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生傾斜變位。在傾覆過程中,由于圓筒前趾應(yīng)力增大地基局部塑變而下沉,造成前壁被動區(qū)向上發(fā)展,使內(nèi)填料和地基土向上的摩阻力增大;后趾由于筒身傾斜而略有上拔,造成后壁被動區(qū)摩阻力變向(相對筒壁向下),使被動區(qū)高度減小,見圖2。無底圓筒結(jié)構(gòu)傾覆過程中,由于內(nèi)填料和地基土摩阻力發(fā)生調(diào)整而破壞了原先的荷載對稱狀態(tài),因此,此時摩阻力Ff不僅數(shù)值發(fā)生了變化,而且其合力點位置也從圓心向后壁移動。合力點位置移動,使摩阻力偏心,便在筒內(nèi)產(chǎn)生了附加力矩Mr,Mr可由下式確定。Mr=MH+MEa-MEp-Mσ(7)式中:MH、MEa、MEp和Mσ分別為水平推力PH、主動土壓力Ea、被動土壓力Ep和筒底壓力σ對筒底圓心點O的力矩,這些量均可由試驗的實測值得到,因此應(yīng)用(7)式可求出Mr。3.3摩阻力有效比與摩擦學(xué)性能關(guān)系2項試驗實測n、n1、n2數(shù)值表明,n1值起初隨θ值增大而增大,直至θ=0.2°時達到最大值,細(xì)砂填料n1=46%～49%,碎石填料n1=50%～52%;隨后便隨θ值增大而減小。內(nèi)填料的摩阻力有效比n1是由其摩阻力Ff1產(chǎn)生的,由內(nèi)填料受力平衡條件可得Ff1=Q+q0A-σHA(8)式中:Q為內(nèi)填料重力,q0為填料頂面均布荷載,A為圓筒內(nèi)徑面積,σH為筒底填料垂直反力,按(6)式計算。按(8)式計算得到的內(nèi)填料摩阻力有效比理論值n0見表1和表2,結(jié)果表明,細(xì)砂填料n0=46%;碎石填料n0=48%。該值與試驗值n1(0°<θ≤0.2°)接近。由于實際工程為內(nèi)填料和筒外地基土共同工作,因此需要確定內(nèi)填料和地基土共同工作的摩阻力有效比。鑒于實際工程中圓筒結(jié)構(gòu)埋入深度不能太小,一般相對埋深h/H≥0.4,同時考慮到現(xiàn)行重力式碼頭規(guī)范關(guān)于圓筒結(jié)構(gòu)后趾應(yīng)力不宜出現(xiàn)負(fù)應(yīng)力的規(guī)定,根據(jù)θ≤0.2°(即后趾應(yīng)力>0)的試驗數(shù)據(jù)分析,可確定內(nèi)填料和地基土共同工作的摩阻力有效比為n=1.72(h/H)1/2n0(9)無底圓筒結(jié)構(gòu)在傾斜變位過程中,內(nèi)填料和地基土產(chǎn)生的附加力矩Mr與作用在圓筒結(jié)構(gòu)上的外荷載對筒底中心的合力矩∑M0有關(guān)。本次試驗∑M0=MH+MEa-MEP,實際工程中∑M0為筒前后土壓力、剩余水壓力、波吸力以及結(jié)構(gòu)自重力等對筒底中心的力矩之和。由文獻數(shù)據(jù)得到,Mr/∑M0隨轉(zhuǎn)角θ的增大而減小,在θ=0.2°時Mr/∑M0約為0.35。從偏于安全出發(fā)可確定內(nèi)填料和地基土共同工作產(chǎn)生的附加力矩Mr=0.35∑M0。4基底壓力曲線實測圓筒結(jié)構(gòu)基底壓力沿橫軸分布,見圖3。橫坐標(biāo)為各測點在橫軸上的投影。圖3(a)、(b)、(c)分別為后趾尚未脫空、后趾剛好脫空和圓筒達傾覆破壞等狀態(tài)的橫向分布。由實測曲線看出,隨水平推力的增大(即θ角增大),前趾壓力逐漸增大,后趾壓力逐漸減小,直至后趾出現(xiàn)大面積脫空。在傾覆過程中,基底壓力曲線近似符合直線分布,因此圓筒基底壓力可近似按偏心受壓公式計算。σmaxmin=PA±∑MW(10)σminmax=ΡA±∑ΜW(10)式中:A,W分別為圓筒剛性基底面積和抗彎截面系數(shù);P為經(jīng)筒壁傳到地基上的垂直合力;∑M為作用在圓筒結(jié)構(gòu)上的所有外力對筒底中心的合力矩。P,∑M由下面2式確定。P=G+nQ(11)∑M=0.65∑M0(12)式中:G為結(jié)構(gòu)物自重力,包括作用在筒壁上的其它重力;∑M意義同前。由圖3看出,按(10)式計算得到的基底壓力與實測基底壓力較接近。圓筒周邊其圓心角為β處的基底壓力σβ為σβ=σmax(1+cosβ)/2+σmin(1-cosβ)/2