根式沉井抗拔特性试验与数值模拟

朱小军, 戴良岩, 袁 伟, 王先勇

(1. 扬州大学建筑科学与工程学院, 江苏 扬州 225127; 2. 南京南大岩土工程技术有限公司, 南京 210012)

根式沉井根键因能通过带动基础周边土体承担顶部载荷, 提高了基础竖向抗压和抗拔承载力而受到广泛关注．朱福春[1]通过对根式沉井与普通沉井竖向抗压抗拔承载力、水平抗推承载力的数值模拟,发现根式基础能很好地将上部载荷扩散到基础周边土层中,从而减小土体的附加应力和相应的沉降; 龚维明等[2]研究了根式沉井中根键对土体产生的挤土效应,并通过改善根键的抗弯特性提高了基础承载力; Kumar等[3-4]分析了沉井基础的承载极限状态和正常使用极限状态,提出了土体-基础相互作用因子的预测方法; He等[5]分析了沉井基础的承载特性,指出前后井壁两侧均有较大的土压力且外部土压力在单调荷载下呈现“S”形分布的规律;殷永高等[6]通过现场竖向及水平载荷试验及数值模拟,指出根键带动沉井基础周边大范围土体承担载荷效果明显, 在井壁合理设置根键可大幅提高根式沉井基础承载力; Gaudio等[7]研究了土体-沉井-墩体系的抗震性能,发现其主要取决于体系的几何特征和动力特性; Zhong等[8]为了减弱地震对沉井基础的危害, 提出在沉井下加桩的基础型式能显著减小基础和上部结构的位移和2个柱端的内力; Harireche等[9]探究了砂土中吸力式沉井的作用机理,提出可通过失效机理和应力不连续性等方法研究该类基础的承载能力．本文拟采用图像处理技术[10],并结合模型试验和数值模拟,对根式沉井基础的受力特性进行分析,以期为根式沉井基础的设计提供参考．

1 模型与试验

1.1 模型设计

试件为1.000 m×0.500 m×1.200 m的模型箱, 模型箱正面为20 mm厚透明钢化玻璃,钢化玻璃表面刻有20 mm×20 mm的网格,其余面设置10 mm厚钢板, 如图1所示．模型试验共包括模型箱、加载装置、测量系统及反力装置等部分．加载装置由液压千斤顶、压力油泵以及百分表组成,测量系统由自动综合测试系统、单反数码相机等部分组成．

根式沉井模型为半模钢管圆形沉井, 其长度H=420 mm, 外径D=76 mm, 内径为66 mm, 并垂直紧贴模型箱玻璃侧内壁;同时为了便于加载,在沉井顶部焊接了厚度为20 mm的盖板, 底部封底选择焊接半圆形钢板．根式沉井外侧根键采用焊接方型钢条的方式,根键截面为5 mm×5 mm, 总长度为40 mm．沉井侧壁根键采用等角度梅花形均匀布置,每层根键数为6根,各层交错布置,具体布置如图2所示,本文设计的层数分别为0,5,9,13．

图1 根式沉井抗拔室内试验图Fig.1 Root type caisson pull-out laboratory test

图2 根式沉井示意图Fig.2 Sketch map of root type caisson

1.2 材料物理参数

模型试验土样选用福建平潭标准砂, 相关物理参数为: 粒径大于0.65 mm的砂含量(质量分数，下同)为3%, 粒径为0.45～0.65 mm的砂含量为45%, 粒径为0.25～0.4 mm的砂含量为46%, 粒径小于0.25 mm的砂含量为6%; 土粒相对密度为2.643; 最大与最小孔隙比分别为0.848,0.519; 不均匀系数为1.542, 曲率系数为1.104;相对密实度为0.7,最大与最小干密度分别为1.749,1.430 g·cm-3．

1.3 加载及测量方法

采用慢速维持荷载法进行分级加载, 共分13级加载,每级加载值为预估极限承载力的1/10, 即60 N,并在每级加载5,15,30 min后各测量一次, 加载结束后等待30 min至土体达到稳定状态, 记录砂土位移场和砂颗粒的运动路径．当试验过程中出现下列情况时停止加载: 1) 当沉井顶部竖向位移比上一级荷载作用下位移超过5倍; 2) 沉井总位移超过40 mm．

试验中通过索尼α35数码相机记录并对比固定跟踪点的相对坐标变化, 分析加载前后位移变化状况,其有效像素为1 620万,图像最大分辨率为4 912×3 264像素．拍摄区域选取图1中2×3网格区域,大小为40 mm×60 mm, 拍摄精度为0.01 mm．试验中单次拍摄范围为6个20 mm×20 mm网格, 并选择单次拍摄范围中大矩形的4个顶点作为固定点,图像跟踪点选择易分辨且形状不变的砂颗粒,即每张图像中共读取6个跟踪点坐标和4个固定点坐标．试验中按从左向右、从上到下的顺序拍照,得到整个拍摄区域的图像．

2 结果与分析

2.1 根式沉井上拔量

图3 根式沉井抗拔Q-s曲线图Fig.3 Pullout model of root type caisson Q-s curve

图3为根式沉井抗拔试验载荷Q与上拔量s曲线．从图3中可见, 4组试验沉井抗拔破坏形式均为陡变型, 无根键沉井抗拔承载力为420 N, 而5,9,13层根键的沉井抗拔承载力分别提高了42.9%, 71.4%, 85.7%,表明设置根键能显著提高沉井的抗拔承载力,且随根键层数的增多抗拔承载力增加．

2.2 土体位移

2.2.1 水平位移

图4 土体水平位移云图Fig.4 Horizontal displacement contour of soil

图4为沉井在抗拔破坏前侧面土体的水平位移云图．由图4可知,普通沉井在土体破坏前仅在顶部一定范围内产生正向的水平位移,而端部土体由于回填沉井上拔产生的空隙而产生负向位移,位移集中区在根键处．由于存在正负位移交界面,使土体在根键作用下发生了旋转,致使部分土体颗粒被挤出根键区域,并产生正向水平位移;同时根键上移过程中会产生空隙,部分土颗粒填充空隙并出现负向水平位移,故根式沉井在沉井深度范围对土体水平位移的影响更大．

2.2.2 竖向位移

图5 土体竖向位移云图Fig.5 Vertical displacement contour of soil

图5是普通沉井和根式沉井抗拔破坏前侧面土体竖向位移云图．由图5可知,普通沉井仅在上部区域出现竖向位移,而根式沉井端面以下的土体未产生明显竖向位移,在根式沉井深度范围内,根键区域的土体竖向位移较大,根键外侧土体位移较小,土体竖向位移的影响区域呈“V”形．普通沉井由于上部出现塑性集中区,故土体位移仅出现在桩上部; 根式沉井由于根键与土体的紧密结合, 桩体在受拔时会扰动土体产生位移,土体在重力的影响下产生自下向上逐渐增大的位移．

2.2.3 土体颗粒移动

图6 土颗粒移动矢量图Fig.6 Moving vector contour of soil particles

图6是普通沉井与根式沉井侧面土体颗粒位移矢量图, 比例尺为1∶5．图6(a)为普通沉井在420 N下土颗粒位移矢量图, 土体移动现象仅在顶部小范围出现, 上部土体产生塑性变形区,故沉井外围土体摩擦作用表现不明显,并且由于比例尺原因,沉井外围土体颗粒的移动在矢量图中没有标记．图6(b)为根式沉井在780 N下土颗粒位移矢量图．结果显示,其根键区域土体位移最大,土体位移影响区域由下向上逐渐增大,由根键带动其外侧较大区域土体产生竖向位移,外围土颗粒移动规律显示出“V”形破坏特征．与普通沉井相比,根键区域土体阻止了根式沉井向上移动,表明根键对提高根式沉井的抗拔承载力发挥了重要作用．

2.3 土体位移范围

图7为普通沉井和根式沉井不同深度侧面土体水平位移曲线．由图7可知, 普通沉井侧面水平位移值较小,在距沉井中心约2.0D, 距沉井顶部100 mm范围内土体产生水平位移影响．与普通沉井相比,根式沉井侧面水平位移值较大,在沉井顶部和端部区域土体水平位移呈现正负交错的现象, 距沉井中心2.0D处为正负位移交界面,此位置土体由于根键上拔而出现旋转现象,而在距沉井中心4.0D范围以外的土体未产生明显水平移动．

图8为普通沉井和根式沉井不同深度侧面土体竖向位移曲线．由图8可以看出,普通沉井在50, 100 mm深平面上影响范围约为1.5H, 在200 mm深平面上土体竖向位移较小．与普通沉井相比,根式沉井竖向位移影响范围最大为2H, 其影响范围比普通沉井更大．

图7 不同深度水平位移变化曲线Fig.7 Change curve of horizontal displacement along the horizontal direction in different depth

图8 不同深度竖向位移变化曲线Fig.8 Change curve of vertical displacement along the horizontal direction in different depth

综合上述, 在沉井受到上拔载荷时,普通沉井对水平方向约1.0倍沉井直径范围内土体产生位移影响,在竖直方向对约1.5倍沉井深度范围内土体产生位移影响; 根式沉井对水平方向约2.0倍沉井直径范围内的土体产生位移影响,在竖直方向对约2倍沉井深度范围内土体产生位移影响,而在距沉井深度2.0H范围以外的土体未产生明显竖向移动．

3 数值模拟

3.1 模型建立

图9 计算模型及边界示意图Fig.9 Sketch map of calculation model and boundary

采用ABAQUS有限元软件对沉井抗拔承载特性进行模拟分析[11], 模型如图9所示. 在A面设置对称边界条件ZSYMM, B, D面边界设置为X=0, C面边界设置为Z=0, 底面边界设置为Y=0．土的物理性质和沉井结构选用与试验相同的参数,土体选择Drucker-Prager模型, 具体图层材料参数见表1; 沉井材料设置为钢材, 选用线弹性模型,其弹性模量为200 GPa, 泊松比为0.3,密度为7 850 kg·m-3; 沉井与土体之间接触面法向属性设置为硬接触, 切向属性设置为罚函数算法,允许弹性滑移变形发生．沉井数值模拟的加载条件与试验条件相同, 即分13级加载,每级加载60 N．

表1 土层材料参数表

3.2 土体竖向位移

图10为土体竖向位移云图．由图10可知,普通沉井在顶部区域土体位移较明显,而根式沉井在根键部位位移最大,根键外围呈现出与普通沉井类似的“V”形发展规律．结果显示,模拟结果位移规律与试验结果基本吻合．

图10 土体竖向位移云图Fig.10 Vertical displacement cloud image of soil

3.3 Q-s曲线

图11 数值模拟与试验的Q-s曲线Fig.11 Q-s curve of numerical simulation and model test

图11为沉井在竖向上拔作用下载荷Q与上拔量s的关系曲线．结果表明,普通沉井与根式沉井抗拔破坏均为缓变型,并且普通沉井在前5级荷载下与试验数据吻合较好,后3级荷载上拔位移存在偏差;根式沉井模拟结果在第10级荷载之前均能与试验数据较好地吻合,在第11～12级荷载下竖向位移有一定偏差,因为此时土体开始发生破坏,在第13级荷载下根式沉井被拔出,故上拔位移相差较大．