不排水黏土地层沉井基础刃脚极限承载性状研究_王安辉.pdf

收稿日期：2022-11-21基金项目：国家自然科学基金项目（41972291）；江苏省自然科学基金项目（BK20210051）作者简介：王安辉，男，高级工程师，博士，主要从事地基基础方面的研究工作。通讯作者：罗如平，男，讲师，博士，主要从事地基基础及隧道工程方面的研究工作。引文格式：王安辉，张艳芳，罗如平.不排水黏土地层沉井基础刃脚极限承载性状研究 J.市政技术，2023，41（3）：45-51，114.（WANG A H，ZHANGYF，LUORP.Ultimate bearingcapacityofcaisson foundation foot blade in undrained clay J.Journal of municipal technology，2023，41（3）：45-51，114.）文章编号：1009-7767（2023）03-0045-08第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.045Journal of Municipal Technology不排水黏土地层沉井基础刃脚极限承载性状研究王安辉1，张艳芳1，罗如平2，3*（1.中建安装集团有限公司，江苏 南京 210023；2.华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013；3.江西省地下空间技术开发工程研究中心，江西 南昌 330013）摘要：沉井广泛用于取水管线、港口设施等市政工程的基础结构中，其极限承载力是工程设计重点关注的问题之一。由于沉井底部为带刃脚结构，且沉井内侧土体不断被开挖，沉井基础端部极限承载性状较传统基础存在较大差异。基于有限单元极限分析方法，建立了考虑刃脚形状及土体盆式开挖的沉井基础极限承载性状的分析模型，对不同刃脚高度、踏面宽度、倾斜角大小及土体开挖参数下沉井基础刃脚处土体破坏特性和极限承载性状进行了研究。研究结果表明：刃脚踏面宽度能显著减小沉井端部极限承载力，踏面宽度为 0.1 倍沉井壁厚时，其极限承载力约为非刃脚情况下极限承载力的 0.40.6 倍；井内土体开挖能进一步降低刃脚极限承载力值，且降低幅度与预留土宽度、土体开挖倾角有关。关键词：沉井；刃脚；极限承载力；极限分析；盆式开挖中图分类号：TU 473.2文献标志码：AUltimate Bearing Capacity of Caisson Foundation Foot Blade in Undrained ClayWang Anhui1，Zhang Yanfang1，Luo Ruping2，3*（1.China Construction Industrial&Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Nanjing 210023，China；2.School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China；3.Engineering Research&Development Centre for Underground Technology of Jiangxi Province，Nanchang 330013，China）Abstract：Being widely used in water tower，harbor facilities and other engineering structures，ultimate bearing ca-pacity of open caisson is one of the important issues in engineering design.The ultimate bearing capacity of the caissonis quite different from that of the traditional foundation because the bottom of the open caisson is a structure with footblade and the inside is constantly excavated.Considering the shape of cutting face and soil basin excavation，an ana-lytical model is established by finite element limit analysis method to study the failure characteristics and ultimatebearing capacity of caisson foundation under different cutting face height，cutting face width，cutting face inclinationangle and soil excavation parameters.The results show that the ultimate bearing capacity can be significantly reducedby width of the cutting face.When the width of the cutting face is 0.1 times of the wall thickness，the ultimate bearingcapacity is about 0.40.6 times of that without cutting face.The soil excavation in the open caisson can further re-duce the ultimate bearing capacity and the reduction portions is related to the reserved soil width and the excavationinclination angle.Key words：open caisson；foot blade；ultimate bearing capacity；limit analysis；basin excavationJournal of Municipal Technology第41卷沉井基础由于具有结构刚度大、占地面积小、抗震性能好等优点1，被广泛应用于桥梁、水塔、取水管线、港口设施等市政交通工程的基础结构中。通过不断掏挖井内土体，沉井利用自身重力和泥浆减阻等助沉措施，可以克服浮力和土体阻力下沉。沉井下沉时，沉井内部土体不断被挖走，刃脚内外侧形成压力差，下部土体在被破坏的同时也被挤向沉井内部。沉井能否顺利下沉以及是否会产生突沉，刃脚处土体的极限承载力起着至关重要的作用。因此，对沉井基础刃脚处地基承载力进行深入分析具有重要的工程意义。为了分析沉井刃脚极限承载性状，陈晓平等2、穆保岗等3、朱建民等4、蒋炳楠等5、李宗哲等6和郭明伟等7分别依托工程实例，通过现场实测对沉井下沉受力情况进行了实地监测，得到了沉井刃脚位于不同土层的端阻力大小和分布规律。李孟豪8以沪通大桥工程为背景，完成了沉井下沉模拟试验，分析得出沉井下沉过程中刃脚踏面和斜面应力的空间分布规律。胡中波等9采用离心试验对砂土地基中沉井基础的竖向承载特性进行了研究，分析了其极限承载力随埋深和宽度的变化规律，并给出了相应的计算分析表达式。此外，周和祥等10通过离心机模型试验，分别对4组不同埋深工况下的沉井进行了下沉模拟，对沉井刃脚土压力分布特性进行了分析。除了试验研究之外，理论分析和数值模拟也是研究沉井刃脚极限承载力的重要方法。闫富有等11建立了考虑尺寸和形状的刃脚极限承载力计算模型，导出了不同工况条件下沉井极限承载力计算公式；Lee等12和Birid等13分别采用有限元分析软件Plaxis，分析了沉井基础刃脚处极限承载性状，并通过既有文献研究对数值模型进行了验证，在此基础上进一步分析了吉布森地基中沉井刃脚的极限承载特性，给出了相应的设计图表。Royston等14进一步采用极限分析软件，对不排水黏土中沉井基础的极限承载性状进行了分析，研究了埋置深度、刃角和基础尺寸等因素对环形基础承载力的影响。目前，有关沉井基础刃脚极限承载力的研究均较少考虑沉井内部土体开挖对基础整体极限承载力的影响。由于沉井内部土体的开挖，刃脚处土体的约束能力减弱，在竖向荷载作用下，下部土体在被破坏的同时也被挤向沉井内部，导致其承载性状与土体未开挖时存在较大差异。因此，笔者以不排水黏土中沉井基础为例，采用有限单元极限分析方法，研究了不同刃脚高度、踏面宽度、倾斜角大小和土体开挖参数下沉井基础刃脚处土体破坏特性及极限承载性状，给出了一系列不同工况条件下沉井基础承载力计算图表，以期为类似工程设计、施工提供参考。1数值分析模型1.1模型验证考虑到沉井基础轴对称特性，笔者采用二维有限单元极限分析软件Optum G2对沉井基础刃脚处极限承载性状进行分析。相较于有限单元法，极限分析方法可以直接得到沉井基础极限承载力值及其破坏模式，避免了有限元方法通过基础荷载-变形曲线确定极限承载力的不足，大大提高了计算效率。为了验证Optum G2用于分析沉井基础极限承载性状的可行性，首先以位于不排水黏土地基上的无刃脚沉井基础为例，应用Optum G2对其极限承载性状进行验证。对于软黏土地区的沉井基础而言，由于沉井下沉施工速度较快，土体难以有效排水，且很多时候为保证坑底稳定性，采用的是不排水下沉方法，因此土体按照不排水黏土考虑具有一定的代表性。无刃脚沉井基础数值分析模型见图1。其中，沉井外半径R=10m，壁厚B=1m，外侧入土深度D=15m，内侧土体深度为h。该模型尺寸为20 m30 m（长高），可满足边界条件要求15-16。土体假定为无重度均质不排水黏土，土体不排水抗剪强度su=50 kPa。同时，为了便于计算沉井刃脚极限承载力大小，沉井侧墙-土界面假定为完全光滑，沉井整体极限承载力仅由端阻力提供。图1无刃脚沉井基础数值分析模型（m）Fig.1 Numerical model for caisson foundation without cutting foot46第3期该模型两侧边界采用法向约束，底部采用固定约束。在数值模拟过程中，通过对比分析不同单元数量情况下的计算结果来确定最优模型单元数量。根据调试对比分析结果，最终确定模型合理单元数量为20 000，进一步增加模型单元数量并不会有效提高数值计算精度，且在数值分析中采用了自适应网格，可在土体破坏区域自动加密网格，以进一步提高计算效率和计算精度（见图1）。为了得到基础极限承载力，在基础表面施加竖向荷载乘子，在计算过程中程序会自动增大荷载乘子直至达到极限破坏状态，其最后乘子大小即为基础极限承载力值。不同埋深比h/B的无刃脚沉井基础土体破坏模式见图2。极限破坏状态可通过土体剪切耗散功来确定。剪切耗散功越大，土体越接近临界破坏状态。图2中，红色部分的颜色越深，说明土体剪切耗散功越大，土体也越接近破坏。通过颜色差异对比，可以直观地看出土体破坏模式和破坏面分布范围。从图2可知，不同h/B情况下，土体破坏面均呈圆弧状分布；随着h/B的提高，土体破坏面分布范围不断扩大，破坏面发展深度及宽度也逐步增大；由于沉井外侧土体埋深D要远大于内侧土体埋深h，因此外侧土体的约束作用也要显著强于内侧土体，土体破坏面仅在沉井内侧发展。考虑到沉井基础土体破坏面仅发生在沉井内侧，参考条形基础极限承载力计算方法，不排水黏土地层中无刃脚沉井其端部极限承载力qu可用式（1）定义：qu=dc（+2）su+qz。（1）式中：dc为深度修正系数；+2为不排水黏土中无埋置深度条形基础极限承载力系数理论解答；su为土体不排水抗剪强度；qz为内侧土体覆土压力，qz=h。基于上述