朱小軍, 戴良巖, 袁 偉, 王先勇

(1. 揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127; 2. 南京南大巖土工程技術(shù)有限公司, 南京 210012)

根式沉井根鍵因能通過(guò)帶動(dòng)基礎(chǔ)周邊土體承擔(dān)頂部載荷, 提高了基礎(chǔ)豎向抗壓和抗拔承載力而受到廣泛關(guān)注．朱福春[1]通過(guò)對(duì)根式沉井與普通沉井豎向抗壓抗拔承載力、水平抗推承載力的數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)根式基礎(chǔ)能很好地將上部載荷擴(kuò)散到基礎(chǔ)周邊土層中,從而減小土體的附加應(yīng)力和相應(yīng)的沉降; 龔維明等[2]研究了根式沉井中根鍵對(duì)土體產(chǎn)生的擠土效應(yīng),并通過(guò)改善根鍵的抗彎特性提高了基礎(chǔ)承載力; Kumar等[3-4]分析了沉井基礎(chǔ)的承載極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài),提出了土體-基礎(chǔ)相互作用因子的預(yù)測(cè)方法; He等[5]分析了沉井基礎(chǔ)的承載特性,指出前后井壁兩側(cè)均有較大的土壓力且外部土壓力在單調(diào)荷載下呈現(xiàn)“S”形分布的規(guī)律;殷永高等[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)豎向及水平載荷試驗(yàn)及數(shù)值模擬,指出根鍵帶動(dòng)沉井基礎(chǔ)周邊大范圍土體承擔(dān)載荷效果明顯, 在井壁合理設(shè)置根鍵可大幅提高根式沉井基礎(chǔ)承載力; Gaudio等[7]研究了土體-沉井-墩體系的抗震性能,發(fā)現(xiàn)其主要取決于體系的幾何特征和動(dòng)力特性; Zhong等[8]為了減弱地震對(duì)沉井基礎(chǔ)的危害, 提出在沉井下加樁的基礎(chǔ)型式能顯著減小基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的位移和2個(gè)柱端的內(nèi)力; Harireche等[9]探究了砂土中吸力式沉井的作用機(jī)理,提出可通過(guò)失效機(jī)理和應(yīng)力不連續(xù)性等方法研究該類基礎(chǔ)的承載能力．本文擬采用圖像處理技術(shù)[10],并結(jié)合模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬,對(duì)根式沉井基礎(chǔ)的受力特性進(jìn)行分析,以期為根式沉井基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供參考．

1 模型與試驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)

試件為1.000 m×0.500 m×1.200 m的模型箱, 模型箱正面為20 mm厚透明鋼化玻璃,鋼化玻璃表面刻有20 mm×20 mm的網(wǎng)格,其余面設(shè)置10 mm厚鋼板, 如圖1所示．模型試驗(yàn)共包括模型箱、加載裝置、測(cè)量系統(tǒng)及反力裝置等部分．加載裝置由液壓千斤頂、壓力油泵以及百分表組成,測(cè)量系統(tǒng)由自動(dòng)綜合測(cè)試系統(tǒng)、單反數(shù)碼相機(jī)等部分組成．

根式沉井模型為半模鋼管圓形沉井, 其長(zhǎng)度H=420 mm, 外徑D=76 mm, 內(nèi)徑為66 mm, 并垂直緊貼模型箱玻璃側(cè)內(nèi)壁;同時(shí)為了便于加載,在沉井頂部焊接了厚度為20 mm的蓋板, 底部封底選擇焊接半圓形鋼板．根式沉井外側(cè)根鍵采用焊接方型鋼條的方式,根鍵截面為5 mm×5 mm, 總長(zhǎng)度為40 mm．沉井側(cè)壁根鍵采用等角度梅花形均勻布置,每層根鍵數(shù)為6根,各層交錯(cuò)布置,具體布置如圖2所示,本文設(shè)計(jì)的層數(shù)分別為0,5,9,13．

圖1 根式沉井抗拔室內(nèi)試驗(yàn)圖Fig.1 Root type caisson pull-out laboratory test

圖2 根式沉井示意圖Fig.2 Sketch map of root type caisson

1.2 材料物理參數(shù)

模型試驗(yàn)土樣選用福建平潭標(biāo)準(zhǔn)砂, 相關(guān)物理參數(shù)為: 粒徑大于0.65 mm的砂含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為3%, 粒徑為0.45～0.65 mm的砂含量為45%, 粒徑為0.25～0.4 mm的砂含量為46%, 粒徑小于0.25 mm的砂含量為6%; 土粒相對(duì)密度為2.643; 最大與最小孔隙比分別為0.848,0.519; 不均勻系數(shù)為1.542, 曲率系數(shù)為1.104;相對(duì)密實(shí)度為0.7,最大與最小干密度分別為1.749,1.430 g·cm-3．

1.3 加載及測(cè)量方法

采用慢速維持荷載法進(jìn)行分級(jí)加載, 共分13級(jí)加載,每級(jí)加載值為預(yù)估極限承載力的1/10, 即60 N,并在每級(jí)加載5,15,30 min后各測(cè)量一次, 加載結(jié)束后等待30 min至土體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài), 記錄砂土位移場(chǎng)和砂顆粒的運(yùn)動(dòng)路徑．當(dāng)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)下列情況時(shí)停止加載: 1) 當(dāng)沉井頂部豎向位移比上一級(jí)荷載作用下位移超過(guò)5倍; 2) 沉井總位移超過(guò)40 mm．

試驗(yàn)中通過(guò)索尼α35數(shù)碼相機(jī)記錄并對(duì)比固定跟蹤點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)變化, 分析加載前后位移變化狀況,其有效像素為1 620萬(wàn),圖像最大分辨率為4 912×3 264像素．拍攝區(qū)域選取圖1中2×3網(wǎng)格區(qū)域,大小為40 mm×60 mm, 拍攝精度為0.01 mm．試驗(yàn)中單次拍攝范圍為6個(gè)20 mm×20 mm網(wǎng)格, 并選擇單次拍攝范圍中大矩形的4個(gè)頂點(diǎn)作為固定點(diǎn),圖像跟蹤點(diǎn)選擇易分辨且形狀不變的砂顆粒,即每張圖像中共讀取6個(gè)跟蹤點(diǎn)坐標(biāo)和4個(gè)固定點(diǎn)坐標(biāo)．試驗(yàn)中按從左向右、從上到下的順序拍照,得到整個(gè)拍攝區(qū)域的圖像．

2 結(jié)果與分析

2.1 根式沉井上拔量

圖3 根式沉井抗拔Q-s曲線圖Fig.3 Pullout model of root type caisson Q-s curve

圖3為根式沉井抗拔試驗(yàn)載荷Q與上拔量s曲線．從圖3中可見, 4組試驗(yàn)沉井抗拔破壞形式均為陡變型, 無(wú)根鍵沉井抗拔承載力為420 N, 而5,9,13層根鍵的沉井抗拔承載力分別提高了42.9%, 71.4%, 85.7%,表明設(shè)置根鍵能顯著提高沉井的抗拔承載力,且隨根鍵層數(shù)的增多抗拔承載力增加．

2.2 土體位移

2.2.1 水平位移

圖4 土體水平位移云圖Fig.4 Horizontal displacement contour of soil

圖4為沉井在抗拔破壞前側(cè)面土體的水平位移云圖．由圖4可知,普通沉井在土體破壞前僅在頂部一定范圍內(nèi)產(chǎn)生正向的水平位移,而端部土體由于回填沉井上拔產(chǎn)生的空隙而產(chǎn)生負(fù)向位移,位移集中區(qū)在根鍵處．由于存在正負(fù)位移交界面,使土體在根鍵作用下發(fā)生了旋轉(zhuǎn),致使部分土體顆粒被擠出根鍵區(qū)域,并產(chǎn)生正向水平位移;同時(shí)根鍵上移過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生空隙,部分土顆粒填充空隙并出現(xiàn)負(fù)向水平位移,故根式沉井在沉井深度范圍對(duì)土體水平位移的影響更大．

2.2.2 豎向位移

圖5 土體豎向位移云圖Fig.5 Vertical displacement contour of soil

圖5是普通沉井和根式沉井抗拔破壞前側(cè)面土體豎向位移云圖．由圖5可知,普通沉井僅在上部區(qū)域出現(xiàn)豎向位移,而根式沉井端面以下的土體未產(chǎn)生明顯豎向位移,在根式沉井深度范圍內(nèi),根鍵區(qū)域的土體豎向位移較大,根鍵外側(cè)土體位移較小,土體豎向位移的影響區(qū)域呈“V”形．普通沉井由于上部出現(xiàn)塑性集中區(qū),故土體位移僅出現(xiàn)在樁上部; 根式沉井由于根鍵與土體的緊密結(jié)合, 樁體在受拔時(shí)會(huì)擾動(dòng)土體產(chǎn)生位移,土體在重力的影響下產(chǎn)生自下向上逐漸增大的位移．

2.2.3 土體顆粒移動(dòng)

圖6 土顆粒移動(dòng)矢量圖Fig.6 Moving vector contour of soil particles

圖6是普通沉井與根式沉井側(cè)面土體顆粒位移矢量圖, 比例尺為1∶5．圖6(a)為普通沉井在420 N下土顆粒位移矢量圖, 土體移動(dòng)現(xiàn)象僅在頂部小范圍出現(xiàn), 上部土體產(chǎn)生塑性變形區(qū),故沉井外圍土體摩擦作用表現(xiàn)不明顯,并且由于比例尺原因,沉井外圍土體顆粒的移動(dòng)在矢量圖中沒(méi)有標(biāo)記．圖6(b)為根式沉井在780 N下土顆粒位移矢量圖．結(jié)果顯示,其根鍵區(qū)域土體位移最大,土體位移影響區(qū)域由下向上逐漸增大,由根鍵帶動(dòng)其外側(cè)較大區(qū)域土體產(chǎn)生豎向位移,外圍土顆粒移動(dòng)規(guī)律顯示出“V”形破壞特征．與普通沉井相比,根鍵區(qū)域土體阻止了根式沉井向上移動(dòng),表明根鍵對(duì)提高根式沉井的抗拔承載力發(fā)揮了重要作用．

2.3 土體位移范圍

圖7為普通沉井和根式沉井不同深度側(cè)面土體水平位移曲線．由圖7可知, 普通沉井側(cè)面水平位移值較小,在距沉井中心約2.0D, 距沉井頂部100 mm范圍內(nèi)土體產(chǎn)生水平位移影響．與普通沉井相比,根式沉井側(cè)面水平位移值較大,在沉井頂部和端部區(qū)域土體水平位移呈現(xiàn)正負(fù)交錯(cuò)的現(xiàn)象, 距沉井中心2.0D處為正負(fù)位移交界面,此位置土體由于根鍵上拔而出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,而在距沉井中心4.0D范圍以外的土體未產(chǎn)生明顯水平移動(dòng)．

圖8為普通沉井和根式沉井不同深度側(cè)面土體豎向位移曲線．由圖8可以看出,普通沉井在50, 100 mm深平面上影響范圍約為1.5H, 在200 mm深平面上土體豎向位移較?。c普通沉井相比,根式沉井豎向位移影響范圍最大為2H, 其影響范圍比普通沉井更大．

圖7 不同深度水平位移變化曲線Fig.7 Change curve of horizontal displacement along the horizontal direction in different depth

圖8 不同深度豎向位移變化曲線Fig.8 Change curve of vertical displacement along the horizontal direction in different depth

綜合上述, 在沉井受到上拔載荷時(shí),普通沉井對(duì)水平方向約1.0倍沉井直徑范圍內(nèi)土體產(chǎn)生位移影響,在豎直方向?qū)s1.5倍沉井深度范圍內(nèi)土體產(chǎn)生位移影響; 根式沉井對(duì)水平方向約2.0倍沉井直徑范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生位移影響,在豎直方向?qū)s2倍沉井深度范圍內(nèi)土體產(chǎn)生位移影響,而在距沉井深度2.0H范圍以外的土體未產(chǎn)生明顯豎向移動(dòng)．

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

圖9 計(jì)算模型及邊界示意圖Fig.9 Sketch map of calculation model and boundary

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)沉井抗拔承載特性進(jìn)行模擬分析[11], 模型如圖9所示. 在A面設(shè)置對(duì)稱邊界條件ZSYMM, B, D面邊界設(shè)置為X=0, C面邊界設(shè)置為Z=0, 底面邊界設(shè)置為Y=0．土的物理性質(zhì)和沉井結(jié)構(gòu)選用與試驗(yàn)相同的參數(shù),土體選擇Drucker-Prager模型, 具體圖層材料參數(shù)見表1; 沉井材料設(shè)置為鋼材, 選用線彈性模型,其彈性模量為200 GPa, 泊松比為0.3,密度為7 850 kg·m-3; 沉井與土體之間接觸面法向?qū)傩栽O(shè)置為硬接觸, 切向?qū)傩栽O(shè)置為罰函數(shù)算法,允許彈性滑移變形發(fā)生．沉井?dāng)?shù)值模擬的加載條件與試驗(yàn)條件相同, 即分13級(jí)加載,每級(jí)加載60 N．

表1 土層材料參數(shù)表

3.2 土體豎向位移

圖10為土體豎向位移云圖．由圖10可知,普通沉井在頂部區(qū)域土體位移較明顯,而根式沉井在根鍵部位位移最大,根鍵外圍呈現(xiàn)出與普通沉井類似的“V”形發(fā)展規(guī)律．結(jié)果顯示,模擬結(jié)果位移規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合．

圖10 土體豎向位移云圖Fig.10 Vertical displacement cloud image of soil

3.3 Q-s曲線

圖11 數(shù)值模擬與試驗(yàn)的Q-s曲線Fig.11 Q-s curve of numerical simulation and model test

圖11為沉井在豎向上拔作用下載荷Q與上拔量s的關(guān)系曲線．結(jié)果表明,普通沉井與根式沉井抗拔破壞均為緩變型,并且普通沉井在前5級(jí)荷載下與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,后3級(jí)荷載上拔位移存在偏差;根式沉井模擬結(jié)果在第10級(jí)荷載之前均能與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較好地吻合,在第11～12級(jí)荷載下豎向位移有一定偏差,因?yàn)榇藭r(shí)土體開始發(fā)生破壞,在第13級(jí)荷載下根式沉井被拔出,故上拔位移相差較大．