设置裙边与桩的沉箱复合基础及承载性能研究

发布时间：2019-11-11 16:53

【摘要】：为研究一种底板周圈设置裙边、底板中部设置桩的新型沉箱复合基础的承载性能,尤其是裙边与桩对承载性能的影响机制,基于缩尺模型试验验证的FLAC3D接触面单元与桩结构单元数值分析方法,建立了琼州海峡跨海大桥西线实际地层中的沉箱复合基础三维数值模型,研究了裙边与桩的尺寸参数(裙边高度、桩长、桩径、桩数)和组合方式对沉箱复合基础竖向及水平向承载性能的影响。结果表明:裙边能约束箱底塑性区的开展与贯通,有效提高了沉箱的水平极限承载力,对底面尺寸125m×75m的沉箱基础,单独设置壁厚2m、高度6m的裙边后,设计荷载下裙边可分担47%的水平荷载和26%的竖向荷载;桩端落在相对较好持力层的桩可分担较多的竖向荷载,有效提高沉箱的竖向刚度、控制差异沉降,对底面尺寸125m×75m的沉箱基础,单独设置52根、直径2m、桩长72m、桩端进入4-2硬塑粉质黏土层的群桩基础后,设计荷载下群桩可分担67.8%的竖向荷载和37%的水平荷载;裙边与桩组合设置后,沉箱复合基础的竖向及水平向承载力得到进一步提高,设计荷载作用下,群桩承担64%的竖向荷载和31%的水平荷载,裙边承担14%的竖向荷载和52%的水平荷载。研究成果可为琼州海峡跨海大桥深水基础设计提供重要参考。
【图文】：

照片,沉箱,复合基础,单位

图１设置裙边与桩的沉箱复合基础（单位：ｍ）Ｆｉｇ．１ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＣａｉｓｓｏｎＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｗｉｔｈＳｋｉｒｔａｎｄＰｉｌｅｓ（Ｕｎｉｔ：ｍ）壁厚１．５ｍ。水位标高±０．０ｍ，箱底标高－５２ｍ。沉箱隔舱内设有沉桩预留孔和二次封底混凝土等构造，桩基础通过沉箱内部的沉桩预留孔施工，箱内浇筑二次封底混凝土保证沉箱与桩牢固连接，沉箱四周抛填块石作为冲刷防护。为验证设置裙边与桩的沉箱复合基础的受力机理，并校验ＦＬＡＣ３Ｄ数值分析方法的有效性，在６ｍ×３ｍ×４．５ｍ（长×宽×深）模型槽中开展了沉箱、沉箱＋桩、沉箱＋桩＋裙边３种模型的竖向及水平向模型试验，并用数值方法进行了对比分析。考虑到砂土具有性质稳定、便于量测、试验重复性好、易取得规律性成果等优点，采用重度为１５．９ｋＮ·ｍ－３、压缩模量为３３ＭＰａ、泊松比为０．２６、内摩擦角为３５°的中砂作为试验土，不考虑剪胀角影响。沉箱模型底面为１０６ｃｍ×７０ｃｍ圆端形截面，采用３ｃｍ厚钢板加工而成，内部采用隔板加劲保证绝对刚性。裙边采用厚度１ｃｍ、高１０ｃｍ的钢板焊接在箱底周圈。群桩基础采用１６根直径４ｃｍ、长９０ｃｍ的钢管模型桩模拟。竖向荷载施加在沉箱顶面，每级荷载７５ｋＮ，施加１０级，量测沉箱顶的荷载－沉降曲线。水平向荷载施加在中砂表面以上１０ｃｍ高度处，为模拟上部结构自重等竖向荷载，在水平向加载前先施加１９０ｋＮ的竖向荷载并稳定，其后沿沉箱长边方向逐级施加２０ｋＮ的水平荷载直到破坏。模型布置及试验照片如图２所示。采用ＦＬＡ

照片,模型试验,照片,单位

ｃｍ厚钢板加工而成，，内部采用隔板加劲保证绝对刚性。裙边采用厚度１ｃｍ、高１０ｃｍ的钢板焊接在箱底周圈。群桩基础采用１６根直径４ｃｍ、长９０ｃｍ的钢管模型桩模拟。竖向荷载施加在沉箱顶面，每级荷载７５ｋＮ，施加１０级，量测沉箱顶的荷载－沉降曲线。水平向荷载施加在中砂表面以上１０ｃｍ高度处，为模拟上部结构自重等竖向荷载，在水平向加载前先施加１９０ｋＮ的竖向荷载并稳定，其后沿沉箱长边方向逐级施加２０ｋＮ的水平荷载直到破坏。模型布置及试验照片如图２所示。采用ＦＬＡＣ３Ｄ接触面单元和桩结构单元模拟方法进行数值分析，土体、沉箱、裙边采用实体单元模拟，群桩采用桩结构单元模拟。土体本构采用摩尔－库仑弹塑性模型，桩土界面、裙边与土体接触界面、沉箱底板与土体接触界面均采用接触面单元模拟，接触面单元本构也采用摩尔－库仑模型，接触面抗剪强度指标与周围土体抗剪强度指标相同。接触面法向和切向刚度计算式如下图２模型试验布置及照片（单位：ｃｍ）Ｆｉｇ．２ＬａｙｏｕｔａｎｄＰｈｏｔｏｓｏｆＭｏｄｅｌＴｅｓｔｓ（Ｕｎｉｔ：ｃｍ）ｋｎ＝ｋｓ＝１０ｍａｘＫ＋４Ｇ／３Δｚ（）ｍｉｎ（１）Ｋ＝Ｅ３（１－２ν），Ｇ＝Ｅ２（１＋ν）（２）式中：ｋｎ为桩土界面法向弹簧刚度；ｋｓ为桩土界面切向弹簧刚度；Ｅ为土体变形模量；Ｋ为桩周土体积模量；Ｇ为桩周土剪切模量；ν为土的泊松比；Δｚｍｉｎ为桩周土网格划分的最小单元尺寸。中砂层变形模量取为压缩模量的２．１１倍［１０］。桩结构单元的其他参数如表１所示。

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