導(dǎo)語(yǔ)：土體位移沉井管理論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要：對(duì)沉井的下沉進(jìn)行分析，考慮土體的位移而建立了沉井受力分析模型。提出沉井所受的土壓力為被動(dòng)土壓力，推出被動(dòng)土壓力與側(cè)摩阻力的計(jì)算公式。依據(jù)該計(jì)算公式對(duì)某鋼廠地下旋流池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析，指出在沉井結(jié)構(gòu)中，沉井刃腳高度以及刃腳踏面的寬度對(duì)沉井的側(cè)摩阻力和下沉系數(shù)影響較大。

關(guān)鍵詞：位移被動(dòng)土壓力側(cè)摩阻力刃腳

0引言

沉井法是一種特殊的施工方法。沉井的下沉是在自重G作用下，克服井壁與土體的摩擦阻力Rf、刃腳反力Rj和浮力Nw來(lái)完成，見(jiàn)圖1（a）。在沉井下沉計(jì)算中，一般假設(shè)沉井單位面積上的側(cè)摩阻力隨深度而變化：在淺土層中，側(cè)摩阻力從地表起逐漸增加，進(jìn)入土層一定深度后達(dá)到最大值，然后逐漸減少，達(dá)到一定的深度趨于穩(wěn)定[1，2]。工程設(shè)計(jì)中，單位面積側(cè)摩阻力q一般按規(guī)范或?qū)崪y(cè)取值。折算深度的計(jì)算一般按照?qǐng)D1（b）方法進(jìn)行。文獻(xiàn)[3]提出按圖1(c)的計(jì)算方法。

對(duì)沉井所受的土壓力，普遍觀點(diǎn)認(rèn)為沉井受主動(dòng)土壓力的作用，并根據(jù)Coulomb和Rankine土壓力理論進(jìn)行計(jì)算與分析。文獻(xiàn)[4]提出沉井所受的土壓力為被動(dòng)土壓力，并進(jìn)行了論證。認(rèn)為沉井下沉過(guò)程中井壁未受到土壓力的作用，只是在刃腳處受到被動(dòng)土壓力的作用。但是并未提出此土壓力的計(jì)算方法。

圖1沉井側(cè)摩阻力分布圖

（a）沉井下沉受力；（b）規(guī)范提出的折算高度計(jì)算方法；（c）文獻(xiàn)[3]提出的折算高度計(jì)算方法

現(xiàn)行的計(jì)算方法簡(jiǎn)便，但比較粗糙。它忽略了沉井外土體對(duì)沉井井壁與刃腳的不同作用；未考慮刃腳結(jié)構(gòu)幾何尺寸對(duì)沉井下沉的影響；也未考慮沉井?dāng)D壓土體后的影響，因此，精度較差。

由于土壓力的性質(zhì)與大小與墻身的位移、墻身的材料、高度及結(jié)構(gòu)形式、墻后填土的性質(zhì)、填土表面的形式以及墻和地基的彈性等有關(guān)，而其中又以墻身的位移、墻高和填土的物理力學(xué)性質(zhì)等最為重要[5，6]。因此本文重點(diǎn)從土體的位移、墻高和填土的物理力學(xué)性質(zhì)等方面對(duì)沉井土壓力及側(cè)摩阻力進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)單孔圓形沉井下沉過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)沉井結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，建立沉井受力簡(jiǎn)化模型，分析沉井所受的土壓力，并據(jù)此對(duì)沉井刃腳和井壁所受的土壓力及側(cè)摩阻力進(jìn)行分析。同時(shí)對(duì)現(xiàn)行方法及本文方法，對(duì)某鋼廠新建的地下鐵皮旋流池結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行分析和驗(yàn)算。

1沉井的下沉分析模型

根據(jù)試驗(yàn)研究和理論分析可知，沉井的下沉過(guò)程實(shí)際是刃腳的踏面擠壓土體的過(guò)程。沉井下沉?xí)r，在重力作用下，刃腳對(duì)其下及周?chē)潦┘訅毫Γ雇林械膽?yīng)力、應(yīng)變發(fā)生改變，水分被擠出，土的孔隙減少，土體產(chǎn)生彈性變形并伴隨著永久變形。在沉井刃腳踏面下，由于土與基底間的摩擦力對(duì)基底下土粒側(cè)向位移的約束作用，在基礎(chǔ)下形成楔形的彈性壓實(shí)核，見(jiàn)圖2（a）。為此，對(duì)沉井下沉進(jìn)行如下假定：

圖2沉井下沉模型

(a)刃腳與彈性核；(b)沉井下沉的閉口系

⑴沉井下沉對(duì)地基的破壞形式主要是沖剪破壞和局部剪切破壞。

⑵被壓縮的土體符合小變形的假定：

土體的壓縮量為：，設(shè)土體的壓縮距離為s＜＜D，當(dāng)Δh→0時(shí)，ΔV→0。

⑶沉井在Δt的時(shí)間內(nèi)下沉深度Δh→0的這一過(guò)程為一準(zhǔn)平衡過(guò)程。

⑷被壓縮的土體符合連續(xù)性堅(jiān)定和各向同性假定。

⑸在沉井下沉過(guò)程中，將與基礎(chǔ)同時(shí)移動(dòng)的壓實(shí)核看作基礎(chǔ)的一部分。沉井下沉Δh高度，相當(dāng)于刃腳從a-b-o-c下沉到a′-b′-o′-c′面。

⑹設(shè)刃腳的厚度Δ=(D-d)/2≤0.1D，Δ為D的高階無(wú)窮小。將沉井簡(jiǎn)化為直徑為фd′=D-2s、壁厚為Δ→0的園筒；將沉井環(huán)形面積上的荷載(G-Nw)簡(jiǎn)化為直徑為φd′的園周上的線荷載，見(jiàn)圖2（b）。

⑺井內(nèi)及時(shí)取土，Rj≈0。

⑻沉井對(duì)土體的壓縮為刃腳寬度的一半s，即土體從o-o′面被擠壓至c-c′面外。

⑼沉井外土體土體被壓縮后，土體產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度，形成滑動(dòng)面，土體被壓縮后（圖3），逐漸在沉井外形成一環(huán)繞沉井井壁及刃腳的壓密體。環(huán)繞沉井的土體被壓縮前后，內(nèi)摩擦角φ不變。

圖3刃腳外側(cè)土體壓縮變化的三相圖

⑽將沉井及被壓縮的土體設(shè)置為一閉口系，見(jiàn)圖2（b）虛線所圍成的體積。外力作用下，沉井的下沉及壓縮土體的過(guò)程為一絕熱過(guò)程，且與外界無(wú)物質(zhì)交換。

在上述假定的基礎(chǔ)上，依據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，沉井下沉過(guò)程中外力所做的功全部轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的變形能，且外力所做的功與初始狀態(tài)和最終狀態(tài)有關(guān)，而和變形過(guò)程無(wú)關(guān)。因此，可將沉井在Δt的時(shí)間內(nèi)下沉深度Δh分解為兩個(gè)獨(dú)立的子過(guò)程的疊加、而建立沉井受力模型：

⑴沉井的下沉

直徑φd′、壁厚Δ→0的園筒，在園周上的線荷載作用下，克服摩擦阻力，下沉Δh深度。在此過(guò)程中，土體位移：s=0；土的物理性質(zhì)指標(biāo)（γ、e、w、φ）保持不變。

⑵土體的位移與壓縮

直徑φd′、壁厚Δ→0的園筒在土壓力作用下擠壓土體，使土體產(chǎn)生的位移s＞0。土的物理性質(zhì)指標(biāo)（γ′、e′、w′、φ′）發(fā)生改變，其中：γ′＞γ、e′＜e、w′＜w，φ′=φ。

2沉井受力分析

2.1土體的位移

根據(jù)上述的沉井受力模型，由Coulomb和Rankine土力學(xué)理論可知：在沉井下沉過(guò)程中，土體未產(chǎn)生位移，沉井所受的土壓力為靜止土壓力E0；而在土體的壓縮過(guò)程中，土體產(chǎn)生的位移從0增加到s。沉井所受的土壓力從靜止土壓力E0逐漸增大到Ep′，Ep′=∈(E0,Ep］，見(jiàn)圖4。綜合以上兩個(gè)過(guò)程可知：沉井所受的土壓力為被動(dòng)土壓力。

圖4土壓力隨位移的變化

由于在沉井實(shí)際設(shè)計(jì)中，井壁外側(cè)一般向內(nèi)收縮一定距離，形成一臺(tái)階空間。因此，對(duì)沉井的井壁及刃腳所受的土壓力需要進(jìn)一步分析。

有關(guān)文獻(xiàn)資料已證明，在正常的下沉情況下，沉井外側(cè)的環(huán)狀的壓實(shí)土體一般不會(huì)與土層發(fā)生接觸和摩擦[3]。因此，沉井在正常下沉過(guò)程中，沉井所受的被動(dòng)土壓力只局限于刃腳部份受到被動(dòng)土壓力的作用，井壁并未受到被動(dòng)土壓力的作用。

對(duì)沉井所受到的被動(dòng)土壓力Ep′的計(jì)算，可以采用的考慮變形的Rankine土壓力模型[7]進(jìn)行分析，當(dāng)擋土墻位移量s∈(0,sp)時(shí)，

Ep′=Ep（1）

其中，被動(dòng)土壓力系數(shù)折減系數(shù)：

式（1）中，s與sa符號(hào)相反，取產(chǎn)生被動(dòng)土壓力的位移為正。很明顯，刃腳的寬度越大，被動(dòng)土壓力的折減系數(shù)越大。

盡管在沉井下沉過(guò)程中，井壁未受到被動(dòng)土壓力的作用。但是，隨著時(shí)間的推移，被壓縮的土體有向井壁移動(dòng)的趨勢(shì)。因此，沉井井壁所受的土壓力應(yīng)按土體向沉井井壁移動(dòng)、按主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算分析。

2.2土的重度變化

根據(jù)工程實(shí)踐資料，沉井的刃腳擠壓和壓縮土體，在沉井外側(cè)形成一環(huán)狀的壓實(shí)土[3]，表明沉井下沉使刃腳外土的物理性質(zhì)指標(biāo)發(fā)生變化。對(duì)沉井所受的土壓力，由Rankine土壓力理論：

及：（對(duì)無(wú)粘性土：）（2）

可知，土壓力隨著土的重度增加而增加。因此，在計(jì)算土壓力E0、Ep或Ep′時(shí)，應(yīng)考慮土體物理性質(zhì)指標(biāo)的變化對(duì)土壓力的影響與變化。

土體被壓縮前：，壓縮后：。

則：（3）

取土體壓縮后沉井外側(cè)形成的環(huán)狀壓實(shí)土體：e≈0，w≈0，則：

（4）

將式（4）代入式（2），即可求出Ep及Ep′。

2.3刃角的高度

在沉井側(cè)摩阻力的計(jì)算中，規(guī)范法假定總側(cè)摩阻力Rf距地面5m范圍內(nèi)按三角形分布，其下為常數(shù)，見(jiàn)圖1（b）；文獻(xiàn)[3]提出的觀點(diǎn)與此相近，見(jiàn)圖1（c），只是折算深度計(jì)算方法不同。兩種方法均認(rèn)為沉井井壁受到土體側(cè)摩阻力的作用，總側(cè)摩阻力Rf沿深度成梯形分布。而根據(jù)沉井受力模型及實(shí)際工程中的沉井結(jié)構(gòu)，在沉井下沉過(guò)程中，井壁未受到被刃腳壓實(shí)的環(huán)狀的土體的接觸和摩擦，因此，本文建議采用單位面積側(cè)摩阻力q等于側(cè)壓力E與表面積摩擦系數(shù)μ之積[8]，即：

q=μEp′（5）

取h0=h進(jìn)行計(jì)算，求得的側(cè)摩阻力Rf與沉井實(shí)際所受側(cè)摩阻力更為吻合。

3應(yīng)用與分析

3.1基本情況

某鋼廠新建連鑄車(chē)間擬建一地下鐵皮旋流池，工藝要求，旋流池水容量V≥320m3。各層土的分布規(guī)律及物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。地下水位為標(biāo)高-16.00～-20.00m。

表1地基土的物理力學(xué)性質(zhì)

巖土名稱(chēng)層厚γ0weIpILEsfkφδcμqkk

/m/kN/㎡/%//Mpa/kPa/º/Kpa/kPa

層①：雜填土1.516~18140.780..45

層②：粗砂層3.518.6140.7511.0140260.5

層③：粉土6.019.0140.7570.457.0199292120.35

層④：粗砂層10.020200.60.4516.0200250.502000

根據(jù)工藝要求及場(chǎng)地情況確定旋流池結(jié)構(gòu)幾何尺寸，選擇圓形、帶隔墻的旋流池。由于場(chǎng)地限制，取旋流池外徑D=9m，旋流池壁厚取較小值(D-d)/2=0.7m，旋流池內(nèi)徑d=7.2m，深度H=18.2m，刃腳高度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取h=2.0m～3.2m，池底標(biāo)高-16.2m。持力層為層⑤粗砂層，地下旋流池的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5地下旋流池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2計(jì)算與討論

根據(jù)初選的結(jié)構(gòu)幾何尺寸，計(jì)算沉井重量為G≈11398kN。取刃腳高度h=2.0m、2.4m、2.8m、3.2m，以及刃腳踏面寬度2s=150mm、200mm、250mm進(jìn)行計(jì)算分析。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取達(dá)到被動(dòng)土壓力極限值所需的位移量sp=5%H，達(dá)到主動(dòng)土壓力所需的位移sa=-sP；靜止土壓力系數(shù)k=1-sinφ′≈0.5；刃腳外側(cè)被壓縮后的土體e≈0，w≈0，其重度γ′按式（4）進(jìn)行計(jì)算。側(cè)摩阻力Rf的計(jì)算與下沉系數(shù)k的驗(yàn)算分別采用規(guī)范法、文獻(xiàn)[7]的方法和本文的方法進(jìn)行計(jì)算和比較，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。其中表2中Ea、Ep為沉井下沉中刃腳所受的最大土壓力。

表2側(cè)摩阻力的計(jì)算及下沉系數(shù)的計(jì)算

計(jì)算方法hh0qsaspskakpk0kp′γEaEpmEp′Rfk

/m/m/kPa/m/m/m/kN/m3/kN/m/kN/m/kN/m/kN

規(guī)范法2.0H-2.5=15.725.9-------γ=19.11----11497.40.99

2.4H-2.5=15.725.9-------γ=19.11----11497.40.99

2.8H-2.5=15.725.9-------γ=19.11----11497.40.99

3.2H-2.5=15.725.9-------γ=19.11----11497.40.99

文獻(xiàn)[3]2.0(H+h)/2=10.125.9-------γ=19.11----7392.21.54

2.4(H+h)/2=10.325.9-------γ=19.11----7538.61.51

2.8(H+h)/2=10.525.9-------γ=19.11----7575.51.50

3.2(H+h)/2=10.725.9-------γ=19.11----7823.81.45

本文方法2.0h=2.0--0.0610.910.0750.312.90.52.76γ′=29.34398.42419.50.224543.16892.81.65

2.0h=2.0--0.0610.910.1000.312.90.52.76γ′=29.34398.42419.50.242586.57444.21.53

2.0h=2.0--0.0610.910.1250.312.90.52.76γ′=29.34398.42419.50.259630.07995.61.42

2.4h=2.4--0.0610.910.0750.312.90.52.76γ′=29.34478.12903.30.224650.48270.81.38

2.4h=2.4--0.0610.910.1000.312.90.52.76γ′=29.34478.12903.30.242702.48932.51.28

2.4h=2.4--0.0610.910.1250.312.90.52.76γ′=29.34478.12903.30.259754.59594.11.19

2.8h=2.8--0.0610.910.0750.312.90.52.76γ′=29.34557.83387.30.224758.89649.71.18

2.8h=2.8--0.0610.910.1000.312.90.52.76γ′=29.34557.83387.30.242819.510421.71.09

2.8h=2.8--0.0610.910.1250.312.90.52.76γ′=29.34557.83387.30.259880.211193.71.03

3.2h=3.2--0.0610.910.0750.312.90.52.76γ′=29.34637.53871.30.224867.211028.71.03

3.2h=3.2--0.0610.910.1000.312.90.52.76γ′=29.34637.53871.30.242936.611911.00.95

3.2h=3.2-0.061–0.91–0.1250.312.90.52.76γ′=29.34637.53871.30.259100612793.20。89

從表2中可知：

⑴按規(guī)范法進(jìn)行分析，取有效高度h0=(H-2.5)，刃腳高度、刃腳踏面寬度的變化，對(duì)計(jì)算的沉井的側(cè)摩阻力Rf及下沉系數(shù)k均不存在任何影響。

按文獻(xiàn)[3]方法，取有效高度h0=(H+h)/2，刃腳高度從h=2.0m增加到h=3.2m、增加60%，沉井的側(cè)摩阻力Rf由7392.2kN增加到7823.8kN，增加5.8%，下沉系數(shù)k由1.54下降到1.45，減少5.8%。

以上兩種計(jì)算方法的結(jié)果說(shuō)明，目前的沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際上均未考慮刃腳結(jié)構(gòu)幾何尺寸、土體的變形對(duì)沉井受力的影響。

⑵采用本文方法進(jìn)行計(jì)算分析，刃腳結(jié)構(gòu)的幾何尺寸如刃腳的高度h，刃腳踏面的寬度2s的取值對(duì)沉井的側(cè)摩阻力Rf和下沉系數(shù)k影響很大對(duì)沉井的下沉影響很大。

當(dāng)刃腳高度h＞2.8m，刃腳寬度2s＞0.25m時(shí)，采用本文方法計(jì)算的側(cè)摩阻力大于規(guī)范法計(jì)算的側(cè)摩阻力。而當(dāng)刃腳的高度h=2.0m，刃腳的寬度2s=0.15m時(shí)，計(jì)算的側(cè)摩阻力僅為規(guī)范法結(jié)果的60%。

當(dāng)刃腳的高度h=2.0m，計(jì)算的側(cè)摩阻力與文獻(xiàn)[5]方法基本接近；當(dāng)h＞2.0m時(shí)，計(jì)算的側(cè)摩阻力均大于文獻(xiàn)[5]的計(jì)算結(jié)果。

⑶在本文的分析中，假設(shè)刃腳外側(cè)被壓縮后的土體處于完全密實(shí)狀態(tài)，沉井對(duì)土體的壓縮僅假設(shè)為刃腳踏面下一半的土體。盡管如此，在保持刃腳高度h不變情況下，踏面寬度由2s=150mm增加到250mm，增加66.7%；側(cè)摩阻力Rf增加16%，下沉系數(shù)k下降12.7%～14%。

⑷根據(jù)本文的計(jì)算公式：刃腳的高度主要與沉井和土體的接觸面積有關(guān)。沉井的側(cè)摩阻力與沉井和土體的接觸面積成正比。因此，刃腳的高度越大，沉井與土體的接觸面越大，則沉井的側(cè)摩阻力越大。相應(yīng)地，計(jì)算的下沉系數(shù)越低。表2中，保持刃腳踏面寬度2s不變，刃腳的高度h從2.0m增加到3.2m，增加60%；沉井的側(cè)摩阻力Rf增加60%、下沉系數(shù)k約下降37.3%～37.6%。

⑸對(duì)刃腳處所受的土壓力進(jìn)行比較，刃腳的寬度從2s=0.15m增加到0.25m，Ep′/E0從1.36增加到1.58，增幅為16.2%

上述分析表明，減少刃腳的高度和寬度均可減少沉井的側(cè)摩阻力。因此，采用本文分析方法進(jìn)行分析，可以為某些沉井設(shè)計(jì)、施工中存在的問(wèn)題如：計(jì)算的沉井自重遠(yuǎn)超過(guò)沉井的側(cè)面阻力，但施工中出現(xiàn)難沉、而沉井壁無(wú)孤石等異常情況；計(jì)算的沉井自重能滿(mǎn)足沉井的下沉，但施工中卻出現(xiàn)超沉情況；設(shè)計(jì)表明，只有在沉井自重加一定的配重才能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，而實(shí)踐發(fā)現(xiàn)幾乎無(wú)需配重就能下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高等，應(yīng)從刃腳的結(jié)構(gòu)幾何尺寸、刃腳及井壁所受的土壓力等方面進(jìn)行分析。

針對(duì)某鋼廠地下旋流池的設(shè)計(jì)，采用本文的分析方法，可取沉井刃腳高度h=2.8m。刃腳和井壁強(qiáng)度及剛度的計(jì)算按規(guī)范進(jìn)行。其中刃腳的計(jì)算分析采用被動(dòng)土壓力；井壁的計(jì)算則根據(jù)沉井最不利情況，即被壓縮的土體可能向沉井井壁移動(dòng)，作用于井壁而采用主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算與分析。設(shè)計(jì)的配筋見(jiàn)圖5。

4結(jié)論

⑴基于土體的位移而建立的沉井下沉受力分析模型，可以得出沉井在刃腳處所受的土壓力為被動(dòng)土壓力，其被動(dòng)土壓力的大小與刃腳踏面受力有關(guān)。在一般情況下，沉井刃腳處的被動(dòng)土壓力介于靜止土壓力與被動(dòng)土壓力極限值之間。根據(jù)文獻(xiàn)[5]提出的考慮變形的Rankine土壓力模型，可以計(jì)算出沉井刃腳處的被動(dòng)土壓力值。

⑵采用規(guī)范法計(jì)算沉井的受力，未考慮沉井結(jié)構(gòu)的幾何尺寸的影響。

⑶根據(jù)本文的分析，刃腳尺寸對(duì)沉井結(jié)構(gòu)影響很大。在沉井下沉過(guò)程中，刃腳設(shè)計(jì)高度和刃腳踏面的寬度對(duì)沉井側(cè)摩阻力影響因素較大。

參考文獻(xiàn)：

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