軟土地基上大型沉井基礎(chǔ)安全監(jiān)控模型

陳 松,陳志堅(jiān)

(河海大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

軟土地基上大型沉井基礎(chǔ)安全監(jiān)控模型

陳 松,陳志堅(jiān)

(河海大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

為了提高軟土地基上大型沉井基礎(chǔ)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和安全監(jiān)控的有效性,以江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)為對(duì)象,在研究影響其穩(wěn)定和安全運(yùn)營主要因素的基礎(chǔ)上,探討了監(jiān)控系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu),并從基礎(chǔ)位移監(jiān)控、基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定監(jiān)控和地基土穩(wěn)定監(jiān)控3個(gè)方面建立了散索鞍水平位移監(jiān)控模型、沉井前側(cè)地基土水平向反力監(jiān)控模型和基底反力監(jiān)控模型.在綜合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,探討了監(jiān)控模型中原因量的主要構(gòu)成及其與監(jiān)控效應(yīng)量之間函數(shù)關(guān)系的確定方法,并給出了江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)主要控穩(wěn)模型——散索鞍水平位移監(jiān)控模型在通車運(yùn)營期的具體函數(shù)表達(dá)式.研究結(jié)果表明,基礎(chǔ)變位是軟土地基上大型沉井基礎(chǔ)的主要控穩(wěn)因素,通過安全監(jiān)控模型對(duì)其進(jìn)行控制能為建筑物的安全運(yùn)營提供保障.

軟土地基;沉井基礎(chǔ);錨碇;監(jiān)控模型;江陰長(zhǎng)江公路大橋

目前,深厚軟土地基上大型建筑物不斷增多,其沉井基礎(chǔ)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大,施工方法也有很大創(chuàng)新.例如:江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)(圖1)[1],位于長(zhǎng)江下游深厚沖積河漫灘上(基巖埋深達(dá)80m),主要功能是將大橋約640MN的主纜力(水平分力約為550MN,垂向分力約為270MN)有效地傳給地基,并使基礎(chǔ)沉降和水平位移限制在容許值以內(nèi),以保證全橋的總體剛度.錨碇長(zhǎng)61.73m,寬48.50m,高20～30m.沉井南北長(zhǎng)69m,東西長(zhǎng)51m,埋深58m,共設(shè)36個(gè)隔倉.為了獲得更大的抵抗主纜拉力的穩(wěn)定力矩,隔倉分區(qū)分別填充水、砂和片石,并將錨體相對(duì)沉井基礎(chǔ)后偏12m后座式布置.由于整個(gè)基礎(chǔ)規(guī)模巨大,地基較軟弱,受力巨大,允許變位值小(散索鞍水平位移不超過10cm,沉降不超過20cm),分區(qū)效應(yīng)明顯,故基礎(chǔ)沉降、不均勻沉降、抗傾覆和抗滑穩(wěn)定問題均十分突出[2],因此監(jiān)測(cè)和研究其變形變位過程對(duì)確保大橋結(jié)構(gòu)安全具有十分重要的意義.另外,關(guān)于此類軟土地基上的大型沉井基礎(chǔ)的主要控穩(wěn)因素是什么以及如何進(jìn)行安全監(jiān)控的研究還較少.為了提高軟土地基上大型沉井基礎(chǔ)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和安全監(jiān)控的有效性,本文以江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)為研究對(duì)象,探討其監(jiān)控系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu),建立安全監(jiān)控模型,并在綜合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上,探討監(jiān)控模型參數(shù)的確定方法,給出主要控穩(wěn)模型的函數(shù)表達(dá)式.

圖1 江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)與地基土層(尺寸單位:m)Fig.1 Caisson foundation at north anchorage of Jiangyin Yangtze River Bridge and its soil strata(unit of size:m)

1 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

沉井基礎(chǔ)具有整體性好、承載面積較大、施工期較長(zhǎng)等特點(diǎn),沉井基礎(chǔ)、地基巖土體和上部結(jié)構(gòu)三者共同承受各種荷載,三者的共同作用顯著.軟土地基上大型沉井基礎(chǔ)所面臨的主要工程問題是:(a)由于基礎(chǔ)自重大,地基軟弱,因此基礎(chǔ)沉降控制成為工程難點(diǎn),工后基礎(chǔ)垂向承載問題突出;(b)由于沉井施工會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生大范圍擾動(dòng),導(dǎo)致地基土物理力學(xué)性質(zhì)惡化,而周邊地基土物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)沉井基礎(chǔ)的工作性態(tài)有很大影響,因此工后基礎(chǔ)不均勻沉降和側(cè)向穩(wěn)定性等問題亦較突出;(c)地下水埋藏較淺區(qū),揚(yáng)壓力對(duì)基底的影響顯著且具有明顯的季節(jié)性.

以江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)為例,由于分區(qū)封底效應(yīng)和錨碇后置施工影響,使得沉井基礎(chǔ)自封底施工開始即逐步后傾(左旋),錨碇施工時(shí)這一趨勢(shì)進(jìn)一步加劇,至主纜架設(shè),基礎(chǔ)又逐步前傾(右旋)[2].另一方面,在橋纜架設(shè)完成之前,沉井基礎(chǔ)及其周邊地基土體主要承受上部錨碇的重力荷載,而橋纜架設(shè)完成后,在逐步增大的主纜力作用下,基礎(chǔ)將出現(xiàn)垂向受壓減弱、水平向受拉上拔、轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì),而基底揚(yáng)壓力季節(jié)性作用又進(jìn)一步加劇了這種趨勢(shì).在整個(gè)施工過程中,受結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換的影響,地基土體受力狀態(tài)及荷載大小均不斷地發(fā)生變化,這既給施工控制造成困難,也使得穩(wěn)定分析更為復(fù)雜.因此,構(gòu)建適宜的監(jiān)控系統(tǒng)并開展安全監(jiān)控是施工過程中防患于未然的必然選擇.

考慮上述主要工程問題的軟土地基上的大型沉井基礎(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分:(a)外部變形監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置在上部結(jié)構(gòu)與沉井連接部位、沉井頂面及其周邊地區(qū),用于觀測(cè)各測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位移.(b)沉井內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)主要布置在沉井內(nèi)墻受力較集中的部位,用于觀測(cè)沉井內(nèi)部的應(yīng)力.(c)沉井周邊地基土反力和位移監(jiān)控系統(tǒng).地基土反力測(cè)點(diǎn)布置在沉井井壁外側(cè),而位移監(jiān)控通過在地基土中布設(shè)測(cè)斜孔來實(shí)現(xiàn).(d)沉井基底反力及孔隙水壓力監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)借助于沉井基底安裝的土壓力盒、孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行觀測(cè).(e)環(huán)境因素監(jiān)測(cè)系統(tǒng),包括溫度場(chǎng)變化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等.該系統(tǒng)用于了解水化熱、外界溫度變化對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的影響,并為消除觀測(cè)數(shù)據(jù)中的環(huán)境噪聲提供依據(jù).上述監(jiān)控系統(tǒng)需使用經(jīng)緯儀、全站儀、鋼筋計(jì)、孔壓計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)、土壓力計(jì)、溫度計(jì)、測(cè)斜儀等多種觀測(cè)儀器,并需通過編制的軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析.由于江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)安全監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)數(shù)超過300個(gè),測(cè)得的數(shù)據(jù)量大、種類多,因此對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析特別是建立相應(yīng)的安全監(jiān)控模型是非常必要的.

2 安全監(jiān)控模型與建模方式

安全監(jiān)控模型[3-4]是指借助數(shù)學(xué)工具和物理力學(xué)原理建立的監(jiān)控效應(yīng)量(如位移和應(yīng)變等)與原因量(如水壓和荷載等)之間的函數(shù)關(guān)系式,它隱含了監(jiān)控對(duì)象系統(tǒng)在外部因素影響下的響應(yīng),是對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)特征和規(guī)律的歸納.當(dāng)給系統(tǒng)響應(yīng)設(shè)定警戒指標(biāo)后,安全監(jiān)控模型還可作為安全判據(jù),當(dāng)監(jiān)控效應(yīng)量或原因量接近警戒指標(biāo)時(shí)即需進(jìn)行施工控制.從建模方式上來講,安全監(jiān)控模型可分為統(tǒng)計(jì)模型、確定性模型和混合模型3種,其中混合模型因具有統(tǒng)計(jì)模型和確定性模型二者的優(yōu)點(diǎn)而常被采用.混合模型的建模過程是:首先以數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果[5-7]為基礎(chǔ)找出安全監(jiān)控的主要因子,建立監(jiān)控效應(yīng)量與響應(yīng)量之間基本的函數(shù)關(guān)系,然后利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)這種關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證,并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為修正的依據(jù),通過反分析和正分析確定模型中各監(jiān)控效應(yīng)量與響應(yīng)量之間的函數(shù)關(guān)系,再以設(shè)計(jì)值為基礎(chǔ)通過反饋分析擬定模型中各原因量的監(jiān)控警戒指標(biāo).文獻(xiàn)[4]對(duì)大跨徑懸索橋重力式錨碇及其場(chǎng)區(qū)邊坡綜合安全評(píng)判模型的研究,即采用了混合模型建模方式,其主要難點(diǎn)是對(duì)監(jiān)控目標(biāo)工作性態(tài)的模擬[8]以及原因量監(jiān)控警戒指標(biāo)的確定.

圖2 主纜力水平向分力與散索鞍水平位移之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between horizontal component force of main cable force and horizontal displacement of cable saddle

以沉井基礎(chǔ)為例,影響其沉降的主要因素是基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量、地基承載力,而地基承載力又受到持力層地基巖土體物理力學(xué)性質(zhì)、基礎(chǔ)側(cè)壁摩阻力、基礎(chǔ)底部與地基巖土體接觸面積、基底所受揚(yáng)壓力等因素的影響,其中,地基巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的確定最為關(guān)鍵.文獻(xiàn)[6-7]采用基于三維比奧固結(jié)理論和土體鄧肯-張非線性彈性模型的土工計(jì)算程序,對(duì)江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)二次封底后地基土體材料參數(shù)、地基土滲透特性與上覆巨型基礎(chǔ)施工荷載之間的關(guān)系進(jìn)行了分析,得出了上覆基礎(chǔ)施工過程中地基土非線性變化規(guī)律,以及施工荷載會(huì)使地基土滲透性減小,而地基土滲透性減小對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性有利的結(jié)論.這說明地基土體的非線性特征對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定有重要的影響,而基礎(chǔ)與地基土相互作用關(guān)系十分復(fù)雜.文獻(xiàn)[6-7]所用土工計(jì)算程序在地基土體非線性彈性參數(shù)反演分析中發(fā)揮了重要作用,這也證明了該土工計(jì)算程序在研究大型沉井基礎(chǔ)與地基土共同作用方面的適用性.本文采用該土工計(jì)算程序?qū)庨L(zhǎng)江公路大橋北錨碇及其地基基礎(chǔ)進(jìn)行施工過程的數(shù)值模擬,在得到沉井變位的基礎(chǔ)上,通過位移反演分析,對(duì)實(shí)測(cè)的錨碇施工開始后沉井的沉降和不均勻沉降、架纜開始后散索鞍水平位移等變形特征進(jìn)行擬合分析,得到了各施工階段地基土體參數(shù)變化規(guī)律,并獲得了一系列計(jì)算成果與實(shí)測(cè)成果擬合曲線.圖2給出了主纜力水平向分力與散索鞍水平位移之間的關(guān)系.從圖2可以看出,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合程度較好,這證明了所選計(jì)算模型、邊界條件和地基土體參數(shù)的適用性和可靠性.

3 江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)安全監(jiān)控模型

采用上述建模方法,并以江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)值作為警戒指標(biāo)[9],從分別監(jiān)控基礎(chǔ)位移、基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定和地基土穩(wěn)定的角度建立監(jiān)控模型.這3種模型的重點(diǎn)監(jiān)控因子分別是錨碇散索鞍水平位移、沉井前側(cè)地基土水平向反力、沉井基底反力.3種模型各自的基本特點(diǎn)為:(a)散索鞍水平位移監(jiān)控模型.該監(jiān)控模型又稱為沉井前傾安全監(jiān)控模型,用于監(jiān)控上部結(jié)構(gòu)和沉井基礎(chǔ)的前傾穩(wěn)定性.由于散索鞍水平位移直接影響到該長(zhǎng)跨度懸索橋的全橋剛度,故該監(jiān)控模型是錨碇完建后至成橋、通車階段最重要的監(jiān)控模型.(b)沉井前側(cè)地基土水平向反力監(jiān)控模型.該模型是前一模型的輔助模型,即通過對(duì)前側(cè)地基土水平向反力發(fā)揮情況的監(jiān)測(cè)來對(duì)沉井前側(cè)地基土穩(wěn)定性和沉井變形情況進(jìn)行監(jiān)控.(c)基底反力監(jiān)控模型.該模型用于基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定性和不均勻沉降監(jiān)控.其中:散索鞍水平位移監(jiān)控模型的監(jiān)控預(yù)警條件為水平位移迅速增大或累計(jì)值接近100mm,前者預(yù)示可能出現(xiàn)前傾穩(wěn)定問題,后者則是考慮全橋受力尤其是北塔受力而在設(shè)計(jì)過程中采用的控制指標(biāo);沉井前側(cè)地基土水平向反力監(jiān)控模型的監(jiān)控預(yù)警條件為深部土體應(yīng)力水平迅速提高或地基土水平向反力遠(yuǎn)大于靜止土壓力;基底反力監(jiān)控模型的監(jiān)控預(yù)警條件為基礎(chǔ)滿足抗滑穩(wěn)定要求的同時(shí)避免地基土反力水平接近地基土承載力,即要求地基土體提供足夠的反力支撐基礎(chǔ)并為其提供抗滑力,同時(shí)避免地基土體自身出現(xiàn)承載穩(wěn)定問題.

3.1 模型中原因量分析與函數(shù)關(guān)系式的建立

a.散索鞍水平位移監(jiān)控模型.數(shù)值模擬結(jié)果表明:散索鞍負(fù)向和正向水平位移主要是由于錨碇相對(duì)沉井后置而發(fā)生后傾、錨碇和沉井基礎(chǔ)在巨大主纜力作用下發(fā)生前傾位移和錨碇的剪切位移造成的,因此,散索鞍水平位移監(jiān)控模型函數(shù)關(guān)系式可寫成

式中:Δ——散索鞍水平位移,mm;M——以沉井基礎(chǔ)底面中心為假想轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩,MN·m;Fh——主纜力水平向分力,MN.這3個(gè)量均以指向架纜方向?yàn)檎?

b.沉井前側(cè)地基土水平向反力監(jiān)控模型.考慮到沉井基礎(chǔ)頂面的水平位移是引起前側(cè)地基土擠壓反力水平提高的主要因素,錨碇和沉井基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角大小會(huì)影響受擠壓土體的分布深度,地基土本身的穩(wěn)定能力會(huì)影響應(yīng)力分布和水平,將沉井前側(cè)地基土水平向反力監(jiān)控模型函數(shù)關(guān)系式寫成

式中:R——沉井前側(cè)地基土水平向反力,壓為正,MPa;Δ′——沉井基礎(chǔ)頂面水平位移,mm;θ——錨碇和沉井基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角,(°);h——基礎(chǔ)埋置深度,m;Ci——反映沉井前側(cè)地基土物理力學(xué)性質(zhì)變化的指標(biāo),地基土強(qiáng)化時(shí)其值為正,反之為負(fù).

c.基底反力監(jiān)控模型.基底反力一方面承擔(dān)了錨碇和沉井基礎(chǔ)的垂向荷載,另一方面也是建筑物與地基土間抗滑力的來源.前者決定了其數(shù)值不應(yīng)該太大,否則可能超越或接近地基土承載力,而后者則要求反力維持在一個(gè)比較合適的水平,應(yīng)增加基底的摩阻力,以避免沉井基礎(chǔ)發(fā)生比較大的水平位移.沉井基底反力主要與以下幾個(gè)因素有關(guān):基底以上部分的垂向荷載和由此引起的位移(沉降和不均勻沉降)、基底超靜孔隙水壓力消散情況、基底地基土承載力,后兩者與天然地基土的物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān).因此,基底反力監(jiān)控模型函數(shù)關(guān)系式可寫為

式中σw為地表水水位變化時(shí)的基底孔隙水壓力增量,MPa.值得說明的是,水位的日變化對(duì)上述關(guān)系式的影響并不顯著,需要考慮的是水位的季節(jié)性變化即年變化[7].

上述3種監(jiān)控模型用于監(jiān)控不同的安全問題,但其相互間存在明顯的關(guān)聯(lián)和制約關(guān)系.如沉井基礎(chǔ)的水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng)決定了基礎(chǔ)前側(cè)地基土水平向反力的大小,而后者的發(fā)揮則限制了沉井基礎(chǔ)的變形變位發(fā)展;在沉井基礎(chǔ)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中,基底前半幅土壓力上升而后半幅土壓力降低則會(huì)對(duì)基底反力的監(jiān)控造成明顯影響,同樣,基底反力的增大,也可一定程度上抑制沉井基礎(chǔ)的變位發(fā)展.這種關(guān)聯(lián)和制約關(guān)系的存在,決定了監(jiān)控模型中監(jiān)控因子處于動(dòng)態(tài)變化過程中,監(jiān)控函數(shù)關(guān)系式和監(jiān)控因子監(jiān)控警戒指標(biāo)的確定需全面考慮整個(gè)基礎(chǔ)與周邊地基土體的工作性態(tài)特征.另外,3種模型中,散索鞍水平位移監(jiān)控模型是錨碇完建后的主要控穩(wěn)模型,其他2個(gè)模型主要在錨碇施工過程中發(fā)揮重要作用.這主要是因?yàn)殄^碇完建后,地基土所承受的垂向荷載已大部分施加完畢,并將在梁主纜敷設(shè)、箱梁架設(shè)、通車運(yùn)營各階段由于基礎(chǔ)承擔(dān)上拔力而使得對(duì)基底土的垂向壓力有所減弱,相應(yīng)的基礎(chǔ)沉降趨勢(shì)將被抑制;同時(shí),地基土承擔(dān)的水平向荷載則是在錨碇后置塊澆筑時(shí)逐步達(dá)到負(fù)的最大值,雖然此時(shí)基礎(chǔ)變位特征為后傾,促發(fā)的是基礎(chǔ)后側(cè)地基土的水平向反力,但所用模型及其警戒指標(biāo)與前傾時(shí)相近.

3.2 通車運(yùn)營期控穩(wěn)監(jiān)控模型的函數(shù)表達(dá)式及監(jiān)控指標(biāo)

如前所述,成橋階段及工后最重要的安全監(jiān)控模型是散索鞍水平位移監(jiān)控模型,而水平位移的大小又受基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)、平動(dòng)和錨碇剪切變形的影響.其中,轉(zhuǎn)動(dòng)部分是沉井分區(qū)封底和后座式錨碇施工過程中的監(jiān)控重點(diǎn)之一.江陰長(zhǎng)江公路大橋開始箱梁吊裝后,由于轉(zhuǎn)動(dòng)加劇,散索鞍水平位移增量一度超出警戒水平,后在錨碇后方澆筑5m厚的錨后壓重塊并增加錨頂壓重而增加6.76GN·m的后傾力矩,才使得轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)逐步趨于穩(wěn)定,此時(shí)箱梁荷載完成近70%,此后,基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)基本被遏制.因此,需以錨后壓重塊澆筑結(jié)束時(shí)間為分界點(diǎn)擬定安全監(jiān)控指標(biāo).

考慮壓重塊影響,則滿荷載通車條件下,散索鞍水平位移監(jiān)控模型的函數(shù)表達(dá)式為

式中a,b,c分別為沉井基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩、錨碇和沉井基礎(chǔ)水平位移與主纜力水平向分力、錨碇本身剪切變形與主纜力水平向分力的比值,滿荷載通車條件下(M=18.47GN·m,Fh=260MN),其取值分別為1.12×10-3/(MN·m),5.68×10-2m/MN,9.7×10-2m/MN.滿荷載通車條件下計(jì)算所得散索鞍最大正向水平位移為48.4mm,遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)允許的100mm.

若不增加錨后和錨頂壓重塊,則滿荷載通車條件下最大正向水平位移為61.5mm,仍小于100mm,但基礎(chǔ)最大轉(zhuǎn)動(dòng)角將從目前的0.09°增加到近0.15°,沉井頂面南、北兩側(cè)的沉降將從2000年3月實(shí)測(cè)得到的

式中:σv——基底承受的垂向應(yīng)力,MPa;fa——經(jīng)寬深修正后的基底地基土承載力特征值,MPa;Kb,Ks——承載安全系數(shù)和抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);S——基底垂向承載面積,m2;μc——基底摩擦系數(shù);FD——作用在基底面的水平向拖曳力,MN.式(3)沒有考慮沉井側(cè)壁的摩阻力.實(shí)際上,這種力在沉井沒有發(fā)生明顯的向前位移時(shí)并不是很大,可將其作為安全儲(chǔ)備.由于基礎(chǔ)持力層所在含水層與地表水體有良好的水力聯(lián)系,因此在高水位期,孔隙水壓力將明顯提高,沉井基礎(chǔ)受到的浮托力也會(huì)隨之增加,進(jìn)而會(huì)削弱沉井基礎(chǔ)對(duì)持力層土體的有效正向應(yīng)力,使得基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定性降低.而基底水平向拖曳力大小主要受主纜力水平向分力Fh和基礎(chǔ)前側(cè)地基土水平向反力的影響,因此對(duì)基底反力監(jiān)控模型函數(shù)關(guān)系式的抗滑穩(wěn)定部分加以改進(jìn),即-8.7mm和23.3mm增加到-11.9mm和29.8mm,沉井前側(cè)地基土反力水平略有增加但影響深度(即土壓力超過靜止土壓力水平的范圍)從-17m增加到-32m,從而喪失了很大的安全儲(chǔ)備.與文獻(xiàn)[6]計(jì)算結(jié)果相比,在同樣不考慮錨后和錨頂壓重而考慮地基土滲透特性變化情況下所得到的滿荷載通車條件下的散索鞍水平位移明顯減小,分別為74.5mm和100.8mm,說明地基土滲透特性變化對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性影響顯著,而考慮應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合作用能使得結(jié)果更為精確.

實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果表明,成橋后錨碇剪切變形是散索鞍正向水平位移的主要構(gòu)成部分,約占1/2,而基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)分別占1/6和1/3,其中基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)被控制在一個(gè)較低的水平,這既對(duì)前傾安全起到了很大作用,又削弱了基礎(chǔ)的不均勻沉降.實(shí)測(cè)資料反饋分析結(jié)果顯示,江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)地基承載力安全儲(chǔ)備大(3.5倍以上)、抗滑穩(wěn)定性好(滿荷載通車條件下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.7).

值得說明的是,式(5)未考慮地震和風(fēng)荷載的影響,因?yàn)榈卣鸷惋L(fēng)荷載引起的位移具有突變性,不能通過前期觀測(cè)資料進(jìn)行擬合.數(shù)值模擬結(jié)果表明,大橋在遭遇設(shè)計(jì)地震烈度(7度)的情況下,考慮滿荷載通車的最不利荷載組合,散索鞍瞬時(shí)水平位移增量為70mm,其總體位移達(dá)124mm,已超出100mm的限制,基礎(chǔ)仍維持目前略微前傾的狀態(tài),而抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大幅降低為2.3.但從縱向地震效應(yīng)研究結(jié)果[10]來看,大橋北塔在考慮結(jié)構(gòu)與地基土共同作用的情況下,結(jié)構(gòu)變?nèi)?內(nèi)力反應(yīng)減小,位移反應(yīng)增大.另外,散索鞍正向水平位移中的錨碇剪切變形部分所占比例較大,且部分可恢復(fù).因此,上述瞬時(shí)位移導(dǎo)致的橋梁受力狀態(tài)改變,對(duì)橋梁長(zhǎng)期健康和安全運(yùn)營影響較小.

4 結(jié) 語

本文以江陰長(zhǎng)江公路大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)安全監(jiān)控為例,探討了作為懸索橋錨碇基礎(chǔ)的大型隔倉式沉井,實(shí)施安全監(jiān)控而需布置的內(nèi)部應(yīng)力、外部變形監(jiān)控系統(tǒng)的類別,并采用混合建模方式建立了基礎(chǔ)位移監(jiān)控、地基土穩(wěn)定監(jiān)控等模型,進(jìn)而對(duì)控穩(wěn)的散索鞍水平位移監(jiān)控模型的函數(shù)表達(dá)式和監(jiān)控指標(biāo)的確定進(jìn)行了研究,證明了采用沉井分區(qū)封底和錨后壓重的合理性.本文還利用上述監(jiān)控模型對(duì)該大型錨碇沉井基礎(chǔ)遭遇設(shè)計(jì)地震烈度(7度)的安全和穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估.研究結(jié)果表明,目前該基礎(chǔ)在地基承載力、前傾穩(wěn)定、沉降控制等方面均有較大安全裕度,但遭遇不利工況時(shí),其前傾仍將是監(jiān)控重點(diǎn).綜合而言,深埋大型沉井基礎(chǔ)的穩(wěn)定性在采用合理工法的情況下較容易滿足要求,但由于體積龐大,運(yùn)營期的安全問題較為突出,表現(xiàn)為基礎(chǔ)的側(cè)傾比較容易發(fā)生.而采用本文所建立的安全監(jiān)控模型,可以使軟土地基上大型沉井基礎(chǔ)的安全監(jiān)控更有針對(duì)性.

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Monitoring model for safety of large caisson foundation in soft soil

CHEN Song,CHEN Zhi-jian
(College of Civil Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China)

In order to raise the stability of evaluation and the effectiveness of safety monitoring of large caisson foundations in soft soil,the caisson foundation at the north anchorage of the Jiangyin Yangtze River Bridge was examined as an example.Based on studies on the factors influencing its stability and safe operation,the main structure of the monitoring system was discussed.Three monitoring models respectively for the horizontal displacement of cable saddles,the horizontal reaction force of the foundation soil in front of the caisson and the reaction force at the foundation bottom were established for evaluation of the following three monitoring aspects:the displacement of the foundation,the antisliding stability of the foundation,and the stability of the foundation soil.On the basis of the observed data and numerical simulation results,the main componentsof the cause quantity in the monitoring models and its relationshipwith the effect quantity were discussed.A specific expression during the period of traffic operation was proposed for the main monitoring model of the caisson foundation at the north anchorage of the Jiangyin Yangtze River Bridge,that is,the monitoring model for the horizontal displacement of cable saddles.The results show that the displacement of the foundation is the control factor for large caisson foundations in soft soil.The monitoring model is helpful to the safe operation of similar structures.

soft soil;caisson foundation;anchorage;monitoring model;Jiangyin Yangtze River Bridge

TU443.13

A

1000-1980(2010)01-0087-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2010.01.019

2008-12-08

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2002CB412707);“十一五”國家科技支撐計(jì)劃(2006BAG04B05)

陳松(1976—),男,山東煙臺(tái)人,講師,主要從事工程穩(wěn)定分析與安全監(jiān)控研究.E-mail:chensong@hhu.edu.cn