根式沉井基础竖向承载力的简化计算 丁二虎 ， 殷永高 ， 朱大勇 （１．合肥工业大学土木与水￣，ｊｚｃ程学院，安徽合肥摘２３０００９；２．安徽省高速公路控股集团有限公司，安徽合肥２３００５１） 要：文章利用分部计算法和扩大化沉井计算法对根式沉井基础的竖向承载力进行计算，并将计算结果与试验结果对比。研究 结果表明，两种计算方法的计算结果均能很好的趋近于试验结果，简化方法计算根式沉井基础的竖向承载力是合理可行的。 关键词：根式沉井基础；竖向承载力；简化计算；分部计算法；扩大化沉井计算法 中图分类号：ＴＵ４７０：ＴＵ４７３．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—５７８１（２０１１）０３—０３７８—０３ 随着现代社会的发展，人们给土木工程提出了越 来越高的要求。建筑物的高度逐渐提高，桥梁的跨径 也逐渐增加，这使得上部结构对基础承载力的要求越 来越高。根式基础的概念是文献［１］于２００６年提出 来的，根式沉井是在沉井壁上预留顶推孔，待下沉到 １根式沉井基础介绍 本文分析的的根式沉井基础与文献Ｅ３］进行根式 沉井基础竖向承载力试验的根式沉井基础结构相同， 通过现场竖向承载力自平衡试验，得到该基础的竖向 承载力为１０４ ２２５ ｋＮ。 根式沉井基础的结构及土层柱状图，如图１ 所示。 设计标高后在土层中顶推预制的根键，通过根键带动 沉井周边土体的承载力，从而进一步提高基础承载 力。文献［２—３］通过根式沉井基础的竖向承载力自平 衡试验，对根式沉井基础的竖向承载特性进行了研 究，得到了竖向荷载下根式沉井基础的承载能力；文 献［４—５］等通过根式沉井基础的水平向荷载试验，对 根式沉井基础的水平承载特性进行了研究，得到了水 平荷载下根式沉井基础的承载能力。文献Ｅ６３建立了 根式沉井的数值模型，对竖向荷载下和水平荷载下的 根式沉井进行数值模拟，并结合试验结果，对根式沉 井基础的承载特性进行了研究；文献［７］建立了根式 基础的数值模型，对悬索桥根式锚碇基础进行数值模 拟并对根式锚碇基础施工阶段和使用阶段的变位进 行了分析。 到目前为止，关于根式基础的试验、理论分析以 及数值计算的研究成果还较少，无法得到足够的实践 经验和理论基础，这使得根式基础的研究显得更加重 要和迫切。本文结合以往的现场试验研究成果以及 图１根式沉井结构及土层柱状图 数值模拟的结果，参考相关文献对根式沉井基础的竖 向承载力进行简化计算，并提出了根式沉井基础竖向 根式沉井的长度为３９．０ ｍ，外直径为６．０ ｒｎ，内 直径为４．４ ｍ，底部封底厚４．５ ｍ。在沉井井壁共设 承载能力简化计算方法。 收稿日期：２０１Ｉ－０３—１１；修改日期：２０１Ｉ－０３—２２ 基金项目：部省联合攻关课题（２００６ ３５３ ３３４—１２０） 作者简介：丁二虎（１９８６～），男，安徽肥东人，合肥工业大学硕士生； 殷永高（１９６０－－），男，安徽枞阳人，安徽省高速公路控股集团有限公司教授级高工 朱大勇（１９６５～），男，安徽枞阳人，博士，合肥工业大学教授． ３７８（ＣＴ程与建设》２Ｏｌ１年第２５卷第３期 置１４层根键，梅花形布置，每层沿井壁周围均布６ 根。根键横断面高宽均为０．８ １３３＿，根键总长为３．６ ｍ， 伸出井壁外２．５ ｍ，井壁和根键均为钢筋混凝土构 厚覆盖层地区，土层柱状图见图１，土层的物理力学 参数见表１所列。其中，各土层的极限承载力是在容 许承载力基础上，选取安全系数为２换算得到的，安 筑，混凝土等级为Ｃ３０。该试验场地位于长江流域， 全系数的取值参考文献Ｆ８３选取。 表１土层的物理力学参数 ２根式沉井竖向承载力的简化计算 ２．１分部计算法 触面积以及周边土体所能提供的极限摩阻力相 关，即 Ｑｓ 一 Ｕｌｉｑ。 ｉ （２） 在竖向荷载作用下，根式沉井发生竖向沉降， 其中，【，为沉井外壁周长；ｚｉ为相应土层的厚度；ｑ 为相应土层的极限摩阻力。 沉井井壁与接触土体产生相对位移形成摩阻力，沉 井底部挤压下部土体形成井底端承力，沉井带动根 键向下位移挤压根键下部土体形成土体对根键的 反作用力。因此，根式基础的竖向承载力主要是由 井底端承力、井壁侧摩阻力、根键反力组成。所谓 （４）考虑沉井尺寸较大，在计算时假定沉井井底 土体达到极限承载力并以均布力的方式作用于沉井 底部，即 Ｑ ＝＝＝Ａ ｑ （３） 分部计算法，即分别计算各部位对竖向承载力的贡 献值，然后进行叠加得到根式沉井基础整体的竖向 承载能力。 其中，Ａ 为沉井底部端承面积；ｑ 为沉井端所在土 层的极限承载力。 （５）根键反力是以根键下部土体以均布力的方 式提供，根键可以简化成固结在井壁上的悬臂梁进行 本文对简化计算作了如下假定： （１）根式沉井基础结构强度足够，竖向荷载作用 计算。在极限荷载作用下，根键下表面接触土体达到 极限承载力，即 一下，以周边土体丧失承载能力宣告根式沉井基础达到 承载能力的极限。 （２）在竖向极限荷载作用下，井壁侧土体达到摩 阻力的极限，同时根键下部土体、井底端承土体也达 到承载能力的极限状态。即根式基础的竖向承载力 ∑Ａｊｑ （４） 其中，Ａ；相应根键挤土面积（竖向荷载下即为根键下 表面积）；ｑｐｕｊ相应根键所在土层的极限承载力。 利用（１）～（４）式，对根式沉井基础进行简化计算 的计算公式为 Ｑ 一Ｑｓ ＋Ｑ。 ＋Ｑ （１） （分部计算法）的结果见表２所列。通过分部简化计 其中，Ｑｕ为根式沉井的竖向承载力；Ｑ 为沉井井壁 的极限摩阻力；ＱＤ 为沉井井底极限端承力；Ｑｒ 为根 算法计算得到的根式沉井基础的竖向极限承载力为 ８４ １７２ ｋＮ，与现场自平衡试验的结果相对偏差为 １９．２４％。本文中选取的安全系数相对保守，在合理 取得周边土体物理力学参数的情况下，该简化计算方 法计算根式沉井基础是合理的。 键下部土体的极限反力。 （３）沉井侧摩阻力是和沉井的外壁与土的接 表２分部计算法计算结果 《工程与建设》２０１１年第２５卷第３期 ３７９ ２．２扩大化沉井计算法 通沉井所发生的沉降（扩大后的沉井半径为原沉井半 通过ＦＩ ＡＣ３ＤＥ。 建立该根式沉井基础的数值模 径加根键伸出井壁的长度）。因此，本文将根式沉井 型并进行竖向加载，提取了１００ ０００ ｋＮ竖向荷载作 基础虚拟成一个扩大化的普通沉井进行计算。扩大 用下，根式沉井基础及周边土体的竖向沉降速率云图 化普通沉井的竖向承载力主要由井侧摩阻力和井底 如图２所示（图２中黑色线段是结构单元桩单元模拟 端承力组成，即 的根键）。 Ｑ 一Ｑ ＋Ｑ 。 （５） 其中，Ｑ 为根式沉井竖向极限承载力；Ｑ 为扩大化 虚拟沉井壁极限摩阻力；Ｑ 。 为扩大化虚拟沉井端极 限端承力。 扩大化沉井井侧摩阻力的计算公式为 Ｑ 一 ：Ｕ ｚ…ｑ （６） 其中，Ｕ 为扩大化虚拟沉井外壁周长；ｚ 为相应土层 的厚度；ｑ 为相应土层的极限摩阻力。 扩大化沉井井底端承力的计算公式为 Ｑ 一Ａ ｑ （７） 其中，Ａ 为扩大化虚拟沉井端面积；ｑ 为沉井端所 图２竖向沉降速率云图 在土层的极限承载力。 从图２可以看出，根键长度范围内的土体和基础 利用（５）～（７）式对扩大化的虚拟沉井进行计算， 沉降速率基比较接近，在云图中如同一个扩大化的普 计算结果见表３所列。 表３ 扩大化沉井计算法计算结果 通过分部简化计算法，计算得到根式沉井基础的 用前景。 竖向极限承载力为８２ ７１３ ｋＮ，与现场自平衡试验的 结果相对偏差为２Ｏ．６４％。 ［参考文献］ ［１］殷永高．根式基础及根式锚碇方案构思［Ｊ］．公路，２００７（２）： ３结 论 ４６ ４９． ［２］龚维明，戴国亮．根式基础竖向承载性能的试验研究ＥＪＪ．岩土工 （１）通过分部计算法和扩大化沉井计算法，对根 程学报，２００８，３０（１２）：１７８９—１７９５． 式沉井竖向承载力进行简化计算所得到的结果和与 ［３］章’“征，张立奎，殷永高．根式沉井基础竖向承载力自平衡试验 现场试验的结果均比较接近，说明简化方法是合理可 研究ＥＪ］．桥梁建设，２００９（２）：１９ ２２． Ｅ４］张立奎，章征，殷永高．根式沉井基础水平向荷载试验研究 行的。 ＿ｌＪ］．桥梁建设，２００９（３）：３３ ３６． （２）本文仅对根式沉井基础的竖向承载力进行 Ｅ５３黄挺，付守印．沉井和根式沉井水平承载特性研究ＥＪ］．１ｒ业建 了简化计算，关于根式基础的简化计算还有待于进一 筑，２ＯｌＯ，４０（４）：８４—８７． 步的研究。 ［６］殷永高，孙敦华，龚维明．根式基础承载特性的试验与数值模拟 （３）目前，关于根式基础的实践经验和理论总 研究［Ｊ］．土木工程学报，２００９，４２（１１）：１—９． 结相对较少，这在很大程度上了根式基础的应 Ｅ７３卢元刚．悬索桥根式锚碇基础变位分析［Ｄ］．合肥：合肥工业大 学土木与水利工程学院，２００９． 用。但是，随着根式基础施工工艺逐渐地进步、理 ［８］张钦喜．土力学与土质学［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５． 论研究进一步地深入，根式基础必将有着广泛地应 ［９］彭文斌．ＦＬＡＣ３Ｄ实用教程［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００７． ３８０《工程与建设》２０１１年第２５卷第３期
