桶式基础结构土压力分布规律

高志伟，陈甦，李武，，程泽坤，蔡正银

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2.南京水利科学研究院，江苏南京 210029）

0 引言

我国沿海从北到南广泛分布着淤泥质海岸带，如上海、天津、连云港、宁波舟山、温州等，软土深厚、物理力学指标差，传统结构不能适应水运工程又好又快地建设要求。为此，桶式基础结构作为一种新型基础结构，是依托连云港港徐圩港区防波堤工程而提出的，适于外海软土地基。但是该结构的稳定计算模式还在探讨中。参照桶形基础[1-8]的研究成果知，土压力是桶式基础结构稳定计算的核心内容，其分布规律和大小对计算结果起到控制作用。目前，国内外学者对该类结构土压力计算进行初步研究，王元战等[9]人采用有限元方法，分析了桶型基础上土压力的大小及竖向和环向分布规律，并与Rankine主动、被动土压力和静止土压力进行了比较。刘振纹等[10]人采用模型试验研究了桶型基础土压力分布。刘建起等[11]人采用模型试验、量测作用在无底圆筒结构上的土压力，分析无底圆筒结构与内填土和地基的相互作用。李华銮[12]采用有限元方法对土性参数、桶体的高径比对桶形基础水平承载力、桶体外侧土压力分布规律的影响进行了研究。施晓春等[13-14]通过试验和三维有限元的数值模拟，研究了在水平荷载作用下不同土体特性对桶体变位、桶体外侧土压力分布规律的影响。王广德等[15]通过对大圆筒与黏土相互作用的模型试验研究了黏土中大圆筒筒内外土压力的分布规律，提出了黏土中大圆筒筒内外土压力的计算方法。

综上所述，与桶式基础结构土压力相关的研究都集中在均质土体范围内，对于不同性质的分层土体研究鲜见报道，而桶式基础结构作为岸壁使用时，由上到下分布很多土层，已有土压力计算理论得出的计算结果与实际情况差别明显，影响结构设计。因此本文采用试验和数值模拟的方法，研究桶式基础在砂土、淤泥、粉质黏土等三个土层同时存在时，土压力分布规律。

1 模型试验

1.1 桶体模型尺寸

根据实验室水槽尺度，确定桶体稳定性试验的模型尺寸，详细尺寸见表1。

表1 桶体模型尺度mm

1.2 试验过程与结果

下桶上共安装土压力传感器79个（图1），分布于桶内壁（I）、外壁（O）、底端（B）、顶端（T）以及淤泥与粉质黏土交界面上（面向淤泥）（BM）。

图1 土压力传感器位置示意图

由图2可知，按照试验测得的土力学指标，根据郎金理论计算结构的主被动土压力曲线位于测试曲线中间，主动土压力测试值起始阶段大于计算值，随深度增加与计算值的差值减小，直到土层突变小于计算值，总体合力与计算值相当；被动土压力测试值的规律与主动土压力相反，总体合力略大于计算值。

图2 实测土压力与主动被动土压力对比

2 有限元模型

采用Plaxis有限元软件对桶式基础模型的土压力进行分析，建立的桶体有限元模型如图3所示，模型验证结果如图4。

图3 有限元模型计算区域及网格划分

图4为有限元分析的土压力值与实测结果的对比结果，实测结果与有限元模型计算结果是相符的，有限元模型分析可以反映桶式基础的土压力分布规律。

图4 实测值与有限元计算值比较

3 桶式基础土压力分布规律研究

建立桶式基础结构有限元模型，分析不回填状态和回填状态土压力分布规律。

根据某工程地质资料，针对设计高水位时不考虑回填和设计低水位时考虑回填，分别计算桶壁土压力分布。如图5、图6所示。

图5 波浪有限元模型

图6 回填有限元模型

设计波浪荷载作用下桶体主动土压力侧和被动土压力侧的土压力有限元计算结果以及根据郎金理论计算的主、被动土压力结果如图7所示。

图7 波浪荷载作用下土压力分布

图7计算结果表明，有限元分析得到的被动土压力位于郞金计算的被动土压力与主动土压力之间，说明在波浪荷载作用下，桶体受到的被动土压力远未达到理论计算土压力的界限。主动土压力在淤泥层中上部，有限元计算结果和理论计算结果相近，在下部变化较大，这是由于波浪荷载引起桶体转动在主动侧形成局部被动区，这一现象与王元战等[9]人的研究结论相同。

回填荷载作用下，下桶体主动土压力侧和被动土压力侧的土压力有限元计算结果及根据郎金理论计算的主、被动土压力结果如图8、图9。

图8 回填荷载作用下主动土压力分布

图9 回填荷载作用下被动土压力分布

由图8可知，回填荷载作用下，下桶土压力分布形式在淤泥层内与理论计算值相近，这说明回填荷载作用下，结构水平位移可以让主动土压力充分发挥。但是在淤泥与粉土交界面附近主动土压力发生显著变化，在距粉质黏土表面3m范围内淤泥产生的主动土压力向粉质黏土产生主动土压力变化，这说明不同土层之间通过摩擦力和黏聚力互相影响，影响范围在2～3m之间。进入粉土层后，主动土压力变化规律与理论值再次靠近。分析图9得到，被动土压力值小于理论计算值，在分界面附近土压力变化不是十分显著，相对主动土压力变化幅度小，这说明被动土压力在回填荷载作用下没有充分发挥，未达到极限状态，但与水工常用的行业规范规定的被动土压力打0.3～0.6的折扣所不同，取值范围应在0.8～1.0之间。

由图10可以看出，回填荷载作用下，粉质黏土层的十字板强度变化，主动土压力也随之变化。当粉质黏土强度为30 kPa时，与淤泥在此埋深的强度相近，主动土压力变化与理论计算结果的发展规律相似，但是粉质黏土强度增长，对界面附近淤泥产生的主动土压力影响愈大，通过分析，界面以上3m范围内，由淤泥产生的主动土压力急速变化到粉质黏土产生的主动土压力。再观察图11可知，土体被动土压力与主动土压力规律不同，粉质黏土强度越大，被动土压力越小，这是因为在相同回填荷载作用下，强度高的土体产生的主动土压力小，再通过桶体传到对面土体上引起的被动土压力也小，因此与主动土压力规律相反。但总体上看，由于回填荷载使桶体以平移为主，因此被动土压力相对容易达到极限值。

图10 粉质土不同强度主动土压力分布

图11 粉质土不同强度被动土压力分布

由图12可以看出，回填土对桶体产生主动土压力与土分层有关，还与回填工序有关，如果分层回填，在分层界面上主动土压力会减小，这是由于分层面强度增长引起的。在下桶盖板上主动土压力发生突变，是由于盖板对回填摩擦及盖板与外侧土体沉降不一致作用引起的，使产生主动土压力的楔体发生变化，在局部形成拱效应减少主动土压力。

图12 回填荷载作用下上下桶主动土压力分布

4 结语

建立桶式基础结构三维有限元模型，并与试验结果比较，验证三维有限元模型中参数选取的合理性，进而证明采用有限元模型研究桶式基础结构的土压力分布规律是可行的。通过三维有限元的数值模拟，研究了波浪荷载和回填荷载作用下，桶式基础结构不同土层产生的侧土压力分布规律，得到的初步结论为：

1）桶式基础结构在同一层土体中，主动土压力的有限元方法计算值与理论计算值相近略偏小。

2）波浪荷载作用下，桶式基础结构以转动为主，因此桶式基础受到的土压力中，主动区和被动区的分布比较复杂，在桶体同一侧即存在主动区也存在被动区，计算时要分别计算，同时考虑位移对土压力影响，计算出土压力应乘以一个折减系数，折减系数一般取为0.6～0.8之间。

3）回填荷载作用下，在土层分界面附近，强度低的土层产生的主动土压力受强度高土层的限制，影响高度为2～3m。

4）回填荷载作用下，桶式基础结构以平移为主，桶体两侧土压力可以充分发展，主动土压力可以达到极限值，被动土压力也接近计算值，可以考虑不折减。

5）回填工序对主动土压力有影响，分层施工的界面附近主动土压力小于理论计算值，在桶盖板2～3m范围内主动土压力发生突变。

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