大型桥梁圆形沉井锚碇下沉过程中力学特性监测分析

武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇采用特大圆形沉井,沉井立面尺寸为66 m×43 m,沉井的下沉控制和结构应力的监测是施工过程中的难点。在沉井施工过程中,在沉井侧壁的不同高度和第2节沉井底部分别安装了大量的侧壁土压力计和钢筋计,用于监测沉井下沉过程中侧壁土压力和沉井底部应力的变化;同时还使用空气幕助沉系统来克服沉井后期下沉的阻力。监测结果表明：沉井侧壁土压力随沉井的下沉逐渐增大,同时沉井的下沉速度降低,其底部结构的应力减小;沉井的最大拉应力与最大压应力均出现在其初次下沉过程中,在随后的两次下沉过程中沉井结构的应力分布较为均衡。由此可见,对沉井的第1次下沉进行结构应力监测和控制非常关键。     

沉井基础下沉阻力分布特征研究

以海口某大桥主墩的沉井基础为研究对象,对沉井的下沉全过程进行了实时监测,根据大量现场实测资料,系统分析了沉井基础的下沉机理和下沉过程中的受力特性,得出了沉井下沉不同深度,经过不同土层时井壁侧摩阻力和刃脚端阻力的大小及分布规律,提出了下沉系数K和侧壁摩阻力值σf的计算方法和经验公式,以及土压力系数ki的取值范围。在此基础上建立了下沉阻力的计算模型,给出了最大侧壁摩阻力f0的计算公式和分布特征,所得出的结论可供同类工程借鉴与参考。     

超大型沉井基础下沉中后期摩阻力特性及突沉机制研究

针对平面面积不断增大的超大型沉井基础在下沉施工中后期因摩阻力增大导致的滞沉、突沉等问题,基于沉井下沉期间井底端阻力、刃脚埋深摩阻力、侧壁摩阻力等受力组成的理论研究,提出计算静、动摩阻系数的理论公式。以五峰山长江大桥沉井基础为对象,结合现场实测数据与理论计算结果研究下沉中后期的阻力特征及突沉机制,并探讨突沉控制对策。研究结果表明:侧壁摩阻力随下沉深度增加而增大,在下沉中后期约占总阻力的70%以上,是滞沉的主导因素;基底开挖不均匀及局部过挖时,瞬时静、动摩阻力变化力差是引起突沉的关键因素;根据多次突沉前后实测数据计算得到的静、动摩阻系数分别介于0.444～0.525,0.245～0.401,动摩阻系数为突沉前瞬间静摩阻系数的0.56～0.77倍,导致了显著的不平衡下沉力带动沉井瞬间加速下沉;空气幕及降水等措施有效降低静摩阻系数至0.225～0.325,提升下沉系数至1.10以上,是避免滞沉、突沉的关键措施。     

南京长江四桥北锚碇沉井监控方案及成果分析

在南京长江四桥北锚碇沉井首次降排水下沉过程中,对沉井结构的应力应变、刃脚和隔墙底部土压力以及侧壁土压力进行了监控。通过有限元分析,确定了隔墙中间部位的受力最大截面为监控重点,并埋设了钢板计和钢筋计;在刃脚和隔墙底部以及沉井侧壁的凹槽和凸起部位选取测点安装了土压力计。监控结果表明,沉井受力情况与隔墙底部的土体支承情况密切相关,最不利工况出现在下沉初期形成较大支承跨度时;刃脚和隔墙反力则随着土体支承装况的不同而改变;沉井侧壁凹槽部位的土压力明显小于凸起部位,通过设置凹槽可以有效降低侧摩阻力。     

深厚软土地层圆形沉井受力性能实测

刃脚土阻力和侧壁土压力的大小和变化规律对沉井是否能平稳下沉具有重要影响.为此,以深厚软土地区圆形沉井为研究对象,通过布置刃脚踏面、刃脚斜面、沉井侧壁土压力传感器,对沉井整个施工过程展开现场监测试验,分析现场监测数据,得出土压力的分布及变化规律,并与理论和规范计算进行对比.     

软土地区某大型沉井的下沉监测数据分析

为了研究深厚软土地区某大型沉井下沉过程中的受力状态,通过施工阶段的现场监测数据分析了沉井基础底部和侧面的受力分布规律。结果表明,初期端阻力随深度的增加而缓慢增长,入土较深时上、下游井壁端阻力值表现出较大幅度的增长,而中隔墙底的端阻力值呈现相反的减小趋势;随着沉井下沉的深入,侧壁土压力受吸泥扰动的影响逐渐减小,土压力值与入土深度呈线性增长关系,整体介于静止土压力和被动土压力之间。     

压入式沉井侧摩阻力的监测及分析

传统的沉井下沉工艺存在纠偏困难、下沉缓慢等弊端,而压入式下沉工艺可有效解决以上难题,并能实现井内带土塞下沉,以减小沉井施工对周边环境的影响。结合工程实例,详细介绍了压入式沉井的施工工艺,并且采用布设钢筋应力计及混凝上应变计的方法,对上海自龙港污水处婵厂2座沉井的侧摩阻力进行了现场监控。监测结果表明,总侧摩阻力与下沉深度近似二次曲线关系,但在呈流塑状的淤泥质土层中增长缓慢。最后,根据现场实测数据,对井内带土塞下沉的沉井,提出了总侧摩阻力的简化计算方法。     

超深沉井下沉周边环境效应与控制措施

针对镇江大港水厂一期取水工程中的超深沉井施工,利用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法建立了三维数值计算模型,考虑沉井下沉深度、井内土体高度、井-土界面极限摩阻力等因素,分析超深沉井下沉周边环境效应。计算结果表明:沉井下沉影响范围约为距沉井侧壁0.5倍下沉深度;随着井-土界面极限摩阻力提高,土体变形和下沉阻力均增大;井内留有一定土体高度可有效降低环境变形,但会使下沉阻力增大。根据计算结果,提出了沉井下沉地表沉降计算公式,并从加固范围、注浆、井内土体高度等方面提出了沉井下沉控制措施,可为今后类似工程提供借鉴。     

超大沉井预留核心土开挖下沉施工技术

超大沉井平面尺寸大,沉井底部混凝土拉应力易超容许值,沉井开裂风险大。随着沉井接高与下沉,侧壁摩阻力逐渐增大,沉井下沉系数逐渐变小,沉井需要进一步减少支撑面积以保证下沉,且在不排水下沉阶段水下取土施工控制难度大,沉井底部混凝土拉应力控制难度大。为控制沉井下沉过程中底部拉应力,防止沉井开裂,采用预留核心土滞后开挖下沉工艺。随着沉井刚度增大,逐步减少沉井支撑面积,当核心区面积减至最小时,采用空气幕辅助下沉。实践表明,该工艺能有效控制沉井底部拉应力,确保沉井安全下沉至设计标高。     

沉井基础竖向承载力试验研究

因沉井基础具有尺寸大、承载力高等特点,所以难以利用常规的方法对其竖向承载力进行测试.利用自平衡测试技术,通过两次试验对1个直径5.0m、长度12.0m的沉井进行了竖向静载试验,分别得到了沉井基础的极限侧阻力和端阻力,通过将两者叠加得到了沉井基础的竖向极限承载力,并对测试结果进行了等效转换.试验结果表明,沉井封底之下的土压力分布呈现由外向内逐渐减小的规律;预制下沉工艺造成沉井侧壁周围土体的结构遭到破坏,导致土体的极限侧摩阻力降低;实测得到的沉井基础的端部承栽力大于按规范中钻(挖)孔灌注桩竖向承栽力计算公式得到的估算值.     

基于被动土压力的沉井结构分析

对沉井的下沉进行分析,指出刃脚处所受的土压力为被动土压力,井壁所受的土压力为主动土压力或静止土压力。根据地基破坏理论,将与沉井同时移动的压实核作为基础的一部分,从位移、刃脚和土的物理力学性质等方面进行分析,指出沉井刃脚所受的被动土压力介于静止土压力与被动土压力极限值之间。由被动土压力折减系数,推导出被动土压力与侧摩阻力的计算公式。依据该计算公式对地下旋流池的结构进行分析和比较。指出沉井刃脚高度以及刃脚踏面的宽度对沉井的侧摩阻力和下沉系数影响较大。     

南京长江四桥北锚碇沉井下沉安全监控研究

南京长江四桥北锚碇沉井长69m,宽58m,高52.8m,是目前世界上平面尺寸最大的超大型沉井。因其施工难度大,故对该沉井排水下沉过程进行安全监控。超大型沉井结构受力的最不利工况是下沉初期即开挖形成仅刃脚支撑的大锅底,有限元分析表明,此时顺桥向和横桥向拉应力最大点均出现在首节钢壳沉井隔墙中跨底部。根据有限元分析结果选取典型截面来监控拉应力变化。沉井下沉曲线表现出慢-快-慢的特点,拉应力曲线则分为上升-峰值-下降-回弹4个阶段。沉井下沉初期,随着开挖面的扩大,隔墙底部所受拉应力也相应增加;下沉中期,通过调整开挖方案能有效降低拉应力,改善结构受力状况;当下沉超过一定深度后,井壁外逐渐增大的土压力会使墙底拉应力减小,结构本体趋于安全;排水下沉到位后的地下水回灌能引起墙底拉应力增大。现场监控表明首节钢壳沉井在下沉过程中有较多的安全储备,监控结果反馈于施工指导保证了下沉的安全高效。     

大型沉井实测下沉阻力分析

大型沉井下沉过程中摩阻力和底部的端阻力分布是沉井下沉可行性的主要控制因素,基于大直径桩和中、小型沉井的研究成果已不适用。结合马鞍山长江公路大桥南锚碇大型沉井下沉过程的实时监测数据,分析了大型沉井基础下沉机理和下沉过程中的受力特性,验证了不同地基极限承载力公式在沉井工程中的适用性;对比沉井下沉至不同深度时,底面阻力和井壁侧摩阻力的大小及分布规律,对现行规范建议的侧摩阻力的计算公式和分布特征进行初步修正,结论可供大型沉井工程借鉴和参考。     

沉井下沉施工土压力和摩擦力分析

基于土体应力状态分析、自重应力和极限平衡假定,推导了沉井下沉时的土压力和摩擦力计算公式。并与某工程实测数据进行了对比分析,结论如下:①其它参数不变时,沉井土压力和侧壁摩擦力随着土体内摩擦角增大而减少,随着土体黏聚力的增大而减少,随着土体与沉井壁的外摩擦角的增大而增大;②本文计算的土压力和实测土压力都介于朗肯主动土压力和静止土压力之间;③本文计算的土压力比采用朗肯主动土压力计算更接近实测土压力,且考虑了摩擦的影响,计算过程同样简单,适合于工程应用。     

基于颗粒椭球体理论的隧道松动土压力计算方法

基于颗粒椭球体理论认为隧道上部松动区滑动面为椭圆形,据此推导出受滑动面倾角影响的侧土压力系数计算方法;在椭圆形松动区内竖向荷载沿水平向呈梯形分布,推导出隧道松动土压力计算方法。结果表明:当埋深低于极限椭圆高度时,松动区域为地面线以下的极限椭圆区域;当埋深达到极限椭圆高度时,松动区为整个极限椭圆,松动土压力不再增加。滑动面侧土压力系数是变化的,与滑动面倾角和土的摩擦角有关,随着内摩擦角增大而减小,随着滑动面倾角增大而增大。取值范围为0.2~0.8,介于主动土压力系数和Krynine侧土压力系数之间。本模型计算结果与实测数据较为吻合,可以用于隧道设计和施工中。     

Earth Pressure and Sidewall Friction Acting on an Embedded Footing in Dry Sand Based on Centrifuge Tests

Earth pressure and sidewall friction acting on an embedded footing are investigated based on dynamic centrifuge tests on a superstructure-footing model that is supported on piles in sand deposits of different densities. For this purpose, a simple method is presented to evaluate not only the earth pressures on the active and passive sides, but also the sidewall friction of an embedded footing. Results show that the total earth thrust, which is defined by the difference in earth pressure between the passive and active sides, and the sidewall friction counter the inertial force transmitted from the superstructure-footing to the pile head. Especially, the total earth thrust in the dense sand case plays an important role in reducing the shear force at pile heads because the difference between the total earth thrust and sidewall friction in the dense sand is greater than that in loose sand.     

沉井下沉施工若干问题的防治

针对沉井下沉施工中出现的流砂现象、井壁摩阻力过大或过小、沉井突沉、沉井偏差、超标裂缝等五个方面的技术问题,分析其产生的原因,并提出有效、实用的预防和处理措施。