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5倍; 2) 沉井總位移超過40 mm．

試驗(yàn)中通過索尼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,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小．與普通沉井相比,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．