泰州大橋中塔沉井基礎(chǔ)承載力模型試驗研究

阮 靜，胡 豐

(1.河海大學地球科學與工程學院，南京 210098;2.江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部，江蘇泰州 225321;3.河海大學力學與材料學院，南京 210098)

1 前言

泰州大橋采用主跨為1 080 m三塔兩跨懸索橋，中塔位于主江中心，河床標高為▽－15.0 m，河床較穩(wěn)定。河床長期受流砂沖積影響，覆蓋層極為深厚，基巖埋藏在200 m以下，中塔基礎(chǔ)處從河床面向下到▽－55 m以粉細砂為主，▽－55 m到▽－68 m以中粗砂為主，▽－68 m到▽－79 m以細砂為主，▽－79 m以下以中砂、礫砂為主。三塔兩跨懸索橋的結(jié)構(gòu)要求中塔有足夠的變形剛度及抵抗船舶撞擊(或地震力)的能力。通過對沉井基礎(chǔ)和高樁承臺鉆孔樁基礎(chǔ)等多項基礎(chǔ)方案的比選，最終采用自身結(jié)構(gòu)剛度大、地基承載力要求相對較低、抵抗水平力性能較好的沉井基礎(chǔ)。根據(jù)塔柱底的構(gòu)造與受力要求，沉井采用58 m×44 m四角倒圓的矩形沉井，沉井總高76 m。為能在深水中順利施工，沉井下部為鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，上部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

泰州大橋中塔重量為1.35萬t，承臺及塔座自重4.56 萬 t，沉井自重為 15.27 萬 t，封底混凝土自重為4.68萬t。一般工況時，上部結(jié)構(gòu)傳到沉井頂面的軸力為4.6萬(恒載)～5.0萬 t(恒載 +活載)。泰州大橋中塔沉井基礎(chǔ)端部持力層為砂層。沉井基礎(chǔ)尺寸大，施工過程摩擦力削弱過大，設(shè)計中不考慮沉井側(cè)面土的摩阻力，主要考慮端部土承載力，因而端部土承載力的合理計算顯得極其重要［1］。對于超大超深沉井基礎(chǔ)的端部土豎向承載力的計算尚沒有找到合適的參考文獻，設(shè)計參考了《公路橋涵地基基礎(chǔ)規(guī)范》淺基礎(chǔ)計算公式，該計算公式是在小平板現(xiàn)場試驗基礎(chǔ)上建立的，基礎(chǔ)呈整體剪切破壞，試驗板最大尺寸不大于1 m2、埋深不大于6 m，公式中雖然考慮了地基土的深度修正和寬度修正，其實質(zhì)還是仍適用于淺基礎(chǔ)情況。因此泰州大橋開展了模型試驗，獲取極限承載力與沉井埋深、土體含水量、側(cè)壁摩阻力之間的關(guān)系，并根據(jù)相似理論將模型極限承載力轉(zhuǎn)化為實橋極限承載力，確保泰州大橋結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。

2 中塔沉井基礎(chǔ)承載力試驗

2.1 試驗方法

模型相似比設(shè)定為1∶100。試驗前期用混凝土制作沉井模型，并在沉井外壁安置相應測試傳感器。將沉井模型置于含土試驗槽內(nèi)，在沉井頂部以連續(xù)加載方式分級施加豎向載荷，通過位移表、應變計、土壓力表等量測原件獲得相應物理量，從而確定沉井的承載性能。

泰州大橋中塔沉井為深水基礎(chǔ)，為考慮水下環(huán)境的影響，試驗土體分一般含水量和飽和含水量兩種工況。由于中塔基礎(chǔ)局部沖刷較為嚴重［2］，試驗還以不同沉井埋深來模擬多個沖刷深度對承載力的影響。其中不發(fā)生沖刷沉井埋深是55 m，一般沖刷沉井埋深是50 m，局部沖刷沉井埋深是10 m。根據(jù)模型相似比，對應模型的埋深分別為55 cm、50 cm和10 cm，一般沖刷和局部沖刷的深度跨度較大，故試驗增加埋深30 cm和0 cm的情況。為考慮沉井的深部效應，去掉摩阻力對基礎(chǔ)影響，試驗還增加了沉井埋深仍是55 cm，但井壁外側(cè)與土分離的工況。因此，試驗共含有如下12組工況［3］(見表1)。

表1 模型試驗的試驗工況Table 1 Test conditions of physics model experiment

2.2 試驗模型

沉井自身剛度遠大于相鄰土體，因此可視為剛體，模型采用鋼筋混凝土為主要材料制作。沉井模型含井身和底板兩部分，由于沉井實際尺寸為長58 m、寬44 m、高76 m，根據(jù)相似比系數(shù)，井身尺寸為長0.58 m、寬 0.44 m、高 0.76 m，中間為邊長0.26 m正方形孔，四角為0.1 m圓角，底板厚度為6 cm。試驗土層采用均質(zhì)土層，有關(guān)物理力學參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場原型土層分布按厚度進行加權(quán)平均，選用物理力學參數(shù)相近的南京某深基坑粉砂作為原型土的相似土，土體物理參數(shù)見表2。

表2 模型土物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of soil used in model experiment

試驗槽尺寸設(shè)計為3 m×2.52 m×2 m，可使沉井模型外緣至土槽邊緣的距離遠大于模型半寬，并在模型槽內(nèi)側(cè)用土工薄膜處理，以適應考慮地下水位方案的需要。試驗加載采用噸位為20 t的千斤頂置于模型頂部，同時在試驗槽內(nèi)放置反力梁以產(chǎn)生反力，沉井模型及其加載裝置如圖1所示。采用電阻應變式微型土壓力盒測量模型基底中心點反力和角點反力，采用電阻應變式位移計測量模型頂部位移，采用河海大學自行研制的摩阻力測試盒測試模型側(cè)壁摩阻力。

圖1 沉井模型及其加載裝置Fig.1 Caisson model and its loading device

2.3 試驗過程

試驗采用人工千斤頂加載方式，千斤頂頂端連有壓力傳感器，可實時獲知壓力值，經(jīng)計算每級施加0.5 t荷載，待每一級荷載達到穩(wěn)定時，記錄下所有傳感器量測值，然后再進行下一級加載。當沉井頂部位移變化過大且千斤頂讀數(shù)難以穩(wěn)定時，結(jié)束加載并卸載。以工況1為例，該工況下沉井模型埋深55 cm，土體含水量為9.2%。以每級0.5 t加載，在第32級時千斤頂讀數(shù)難以穩(wěn)定，位移變化較大，停止加載，土體表面已存在微裂縫，以第31級荷載15.5 t為極限荷載，可獲得各級荷載下模型的頂部位移、基底中心點反力、基底角點反力以及側(cè)壁摩阻力。模型基底反力與豎向荷載變化關(guān)系如圖2所示，側(cè)壁摩阻力與豎向荷載變化關(guān)系如圖3所示。

圖2 基底反力與豎向荷載變化關(guān)系(工況1)Fig.2 Relationship of base counter-force and vertical load variation(Condition 1)

圖3 側(cè)壁摩阻力與豎向荷載變化關(guān)系(工況1)Fig.3 Relationship of side wall frictional resistance and vertical load variation(Condition 1)

2.4 試驗結(jié)果分析

2.4.1 承載性能對比

將不同埋深工況下的荷載－位移曲線進行對比，圖4為非飽和土體沉井模型荷載－位移曲線，圖5為飽和土體沉井模型荷載－位移曲線。由圖可知，模型埋深越小，每級荷載下位移值越大，最終加載極限值也越小。沉井模型在不同埋深、不同含水量條件下，極限承載力變化曲線如圖6所示，從圖中可知沉井埋深越大，沉井極限承載力也越大。埋深0 cm工況的承載力是埋深55 cm工況的45%左右，說明沖刷對基礎(chǔ)的承載力影響很大。而含水量變大會使承載力降低，土體飽水相對于土體非飽水時，承載力降低8.33% ～24.00%。

圖4 荷載－位移曲線(非飽和土體)Fig.4 Curve of load and displacement(unsaturated soil)

圖5 荷載－位移曲線(飽和土體)Fig.5 Curve of load and displacement(saturated soil)

圖6 極限承載力與沉井埋深關(guān)系曲線Fig.6 Curve of the ultimate bearing capability and caission sinking depth

2.4.2 埋深效應分析

對比工況1、工況2、工況7和工況8可知，基礎(chǔ)摩阻力占總承載力比重較小，承載力主要來自于基底土反力。工況1與工況2埋深相同，極限承載力相差3 t，由于工況2還缺少井壁周圍部分土體，故工況1摩阻力所占總承載力比重要小于19.3%。工況7和工況8埋深相同，但由于基礎(chǔ)和土體均處在水中，受水壓影響，二者承載力只相差0.5 t，說明摩阻力對水下沉井基礎(chǔ)作用更小。再對比其他工況可知，基底的極限承載力與埋深有顯著關(guān)系。受水壓和潤滑作用影響，對水下基礎(chǔ)而言，側(cè)壁摩阻力對沉井基礎(chǔ)中承載力的貢獻更小。

3 實橋沉井承載性能轉(zhuǎn)化

由相似理論，實橋荷載－位移曲線可按以下方法轉(zhuǎn)化。半平面受豎向分布載荷的沉降彈性計算公式為

式(1)中，q為荷載集度;E為土體彈性模量;s為基點距分布力中點距離;c為分布荷載寬度;r為微分力至分布荷載中心點處距離。

實橋沉井與模型沉井的沉降比為

式(2)中，Qp、Qm分別為實橋與模型沉井頂部荷載;Ap、Am分別為實橋與模型沉井橫截面面積;Ep、Em分別為實橋與模型土體彈性模量。

以實橋基底土層壓縮模量(12.20 MPa)作為Ep，模型土壓縮模量(13.51 MPa)作為Em，根據(jù)相似系數(shù)，Qp/Qm=104、Ap/Am=104，則沉降比ηp/ηm=1.11 。

分別以模型埋深55、50、30 cm作為無沖刷、一般沖刷及局部沖刷工況，再將沉降比代入模型荷載－位移關(guān)系曲線，可得實橋沉井荷載－位移曲線(見圖7)。由圖7可知，各種沖刷條件下的荷載－位移曲線拐點均大于設(shè)計荷載，可證明大橋沉井基礎(chǔ)承載力滿足設(shè)計要求。無沖刷和局部沖刷時所對應的極限承載力分別11萬t和7萬t，說明沖刷使得基礎(chǔ)承載力降低36.36%。在最大工況荷載(5萬t)作用下，無沖刷和局部沖刷對應的位移分別為3.45 cm和4.45 cm，說明沖刷使得豎向位移增加29.85%。

圖7 實橋沉井荷載－位移曲線Fig.7 Curve of load and displacement for real bridge

4 結(jié)語

1)沉井基礎(chǔ)每級荷載下的位移值大小與埋深有關(guān)，埋深越大位移值越小，極限承載力越大。埋深0 cm工況的承載力是埋深55 cm工況的45%左右，說明沖刷對基礎(chǔ)的承載力影響很大。

2)土體含水量的增大會使基礎(chǔ)承載力降低8.33% ～24.00%，具體降低數(shù)值與基礎(chǔ)埋深等的變化相關(guān)。

3)基礎(chǔ)側(cè)壁摩阻力對沉井總承載力貢獻較小，沉井基礎(chǔ)承載力主要來自于基底土反力。受水壓和潤滑作用影響，對水下基礎(chǔ)而言，側(cè)壁摩阻力對沉井基礎(chǔ)中承載力的貢獻更小。

［1］童小東，殷永高，徐 敏，等.沉井基礎(chǔ)豎向承載力試驗研究［J］.地下空間與工程學報，2009，5(5):897 －902.

［2］盧中一，高正榮.泰州大橋施工期局部沖刷試驗報告［R］.南京:江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部，2007.

［3］邵國建，胡 豐.泰州大橋中塔沉井基礎(chǔ)承載能力研究報告［R］.南京:江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部，2011.