基于土体位移的沉井下沉受力分析模型_1

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1、基于土体位移的沉井下沉受力分析模型　　要：对沉井的下沉进行分析，考虑土体的位移而建立了沉井受力分析模型。提出沉井所受的土压力为被动土压力，推出被动土压力与侧摩阻力的计算公式。依据该计算公式对某钢厂地下旋流池的结构进行计算和分析，指出在沉井结构中，沉井刃脚高度以及刃脚踏面的宽度对沉井的侧摩阻力和下沉系数影响较大。　　关键词：位移被动土压力侧摩阻力刃脚　　0引言　　沉井法是一种特殊的施工方法。沉井的下沉是在自重G作用下，克服井壁与土体的摩擦阻力Rf、刃脚反力Rj和浮力Nw来完成，见图1。在沉井下沉计算中，一般假设沉井单位面积上的侧摩阻力随深度而变化

2、：在浅土层中，侧摩阻力从地表起逐渐增加，进入土层一定深度后达到最大值，然后逐渐减少，达到一定的深度趋于稳定[1，2]。工程设计中，单位面积侧摩阻力q一般按规范或实测取值。折算深度的计算一般按照图1方法进行。文献[3]提出按图1(c)的计算方法。　　对沉井所受的土压力，普遍观点认为沉井受主动土压力的作用，并根据Coulomb和Rankine土压力理论进行计算与分析。文献[4]提出沉井所受的土压力为被动土压力，并进行了论证。认为沉井下沉过程中井壁未受到土压力的作用，只是在刃脚处受到被动土压力的作用。但是并未提出此土压力的计算方法。图1沉井侧摩阻力分

3、布图沉井下沉受力；规范提出的折算高度计算方法；文献[3]提出的折算高度计算方法　　现行的计算方法简便，但比较粗糙。它忽略了沉井外土体对沉井井壁与刃脚的不同作用；未考虑刃脚结构几何尺寸对沉井下沉的影响；也未考虑沉井挤压土体后的影响，因此，精度较差。　　由于土压力的性质与大小与墙身的位移、墙身的材料、高度及结构形式、墙后填土的性质、填土表面的形式以及墙和地基的弹性等有关，而其中又以墙身的位移、墙高和填土的物理力学性质等最为重要[5，6]。因此本文重点从土体的位移、墙高和填土的物理力学性质等方面对沉井土压力及侧摩阻力进行分析。通过对单孔圆形沉井下沉过

4、程进行分析，对沉井结构的简化，建立沉井受力简化模型，分析沉井所受的土压力，并据此对沉井刃脚和井壁所受的土压力及侧摩阻力进行分析。同时对现行方法及本文方法，对某钢厂新建的地下铁皮旋流池结构的受力进行分析和验算。1沉井的下沉分析模型　　根据试验研究和理论分析可知，沉井的下沉过程实际是刃脚的踏面挤压土体的过程。沉井下沉时，在重力作用下，刃脚对其下及周围土施加压力，使土中的应力、应变发生改变，水分被挤出，土的孔隙减少，土体产生弹性变形并伴随着永久变形。在沉井刃脚踏面下，由于土与基底间的摩擦力对基底下土粒侧向位移的约束作用，在基础下形成楔形的弹性压实核，

5、见图2。为此，对沉井下沉进行如下假定：图2　　沉井下沉模型(a)刃脚与弹性核；(b)沉井下沉的闭口系　　⑴沉井下沉对地基的破坏形式主要是冲剪破坏和局部剪切破坏。　　⑵被压缩的土体符合小变形的假定：　　土体的压缩量为：，设土体的压缩距离为s＜＜D，当Δh→0时，ΔV→0。　　⑶沉井在Δt的时间内下沉深度Δh→0的这一过程为一准平衡过程。⑷被压缩的土体符合连续性坚定和各向同性假定。　　⑸在沉井下沉过程中，将与基础同时移动的压实核看作基础的一部分。沉井下沉Δh高度，相当于刃脚从a-b-o-c下沉到a′-b′-o′-c′面。　　⑹设刃脚的厚度Δ=(D-

6、d)/2≤，Δ为D的高阶无穷小。将沉井简化为直径为фd′=D-2s、壁厚为Δ→0的园筒；将沉井环形面积上的荷载(G-Nw)简化为直径为φd′的园周上的线荷载，见图2。　　⑺井内及时取土，Rj≈0。　　⑻沉井对土体的压缩为刃脚宽度的一半s，即土体从o-o′面被挤压至c-c′面外。　　⑼沉井外土体土体被压缩后，土体产生相对滑动，达到土的抗剪强度，形成滑动面，土体被压缩后，逐渐在沉井外形成一环绕沉井井壁及刃脚的压密体。环绕沉井的土体被压缩前后，内摩擦角φ不变。图3刃脚外侧土体压缩变化的三相图　　⑽将沉井及被压缩的土体设置为一闭口系，见图2虚线所围成的

7、体积。外力作用下，沉井的下沉及压缩土体的过程为一绝热过程，且与外界无物质交换。　　在上述假定的基础上，依据热力学第一定律可知，沉井下沉过程中外力所做的功全部转化为物质的变形能，且外力所做的功与初始状态和最终状态有关，而和变形过程无关。因此，可将沉井在Δt的时间内下沉深度Δh分解为两个独立的子过程的叠加、而建立沉井受力模型：　　⑴沉井的下沉　　直径φd′、壁厚Δ→0的园筒，在园周上的线荷载作用下，克服摩擦阻力，下沉Δh深度。在此过程中，土体位移：s=0；土的物理性质指标保持不变。⑵土体的位移与压缩　　直径φd′、壁厚Δ→0的园筒在土压力作用下挤压

8、土体，使土体产生的位移s＞0。土的物理性质指标发生改变，其中：γ′＞γ、e′＜e、w′＜w，φ′=φ。　　2沉井受力分析土体的位移　　根据上述的沉井受