临江超深阶梯式沉井下沉阻力计算及姿态控制研究
作者单位：华东交通大学
学位级别：硕士
导师姓名：朱碧堂;张艳芳
授予年度：2023年
学科分类：08[工学] 081401[工学-岩土工程] 0814[工学-土木工程]
摘 要：沉井应用广泛,如桥梁墩台基础,顶管施工的始发井和接收井,地下停车场和储存罐等地下空间的开发。随着建设要求的提高,沉井朝着更大、更深方向发展,如江苏镇江某长江引水工程沉井深达40余米,给沉井下沉施工带来了巨大的挑战。沉井能否下沉与其所受阻力、下沉姿态等密切相关,而所受阻力主要是刃脚处端阻力和侧壁摩阻力。因此,研究沉井下沉过程中的土体破坏模式、沉井阻力的大小和分布规律以及超深沉井的下沉姿态控制技术,对复杂条件下超深沉井施工具有重要意义。本文依托江苏句容某长江引水工程中的沉井工程,研究临江超深阶梯式沉井下沉阻力计算及姿态控制技术。主要研究内容和结论如下:1.采用OPTUM G2有限元极限分析软件,对临江富水砂层中带踏面的刃脚端阻力开展了上下限极限数值模拟分析,研究了刃脚处土体的破坏机理,探究了不同刃脚形状、埋置深度、沉井半径、盆式开挖条件下的沉井刃脚处土体破坏模式及其对刃脚极限端阻力的影响,绘制了各影响因素与极限端阻力之间的关系曲线。结果表明:(1)对于刃脚极限端阻力,沉井刃脚光滑情况远小于刃脚粗糙情况;(2)沉井外侧入土深度与壁厚比值h/B≥15,刃脚极限端阻力趋于稳定,不再随入土深度加深而增大;(3)沉井半径的减小、沉井刃脚踏面宽度的增加使刃脚极限端阻力迅速增大;(4)刃脚土体盆式开挖后沉井的极限端阻力显著降低,为未开挖的0.54～0.85倍;(5)以后类似工程可参考本文的曲线进行阻力预测。2.考虑土拱效应,对阶梯式侧壁土压力的分布形式和摩阻力的大小进行了研究讨论。论文进一步开展了膨润土泥浆减阻效果的试验研究,考虑了侧壁砂土坍塌引起泥浆含砂量、不同静置时间对泥浆—混凝土板界面剪切摩阻力的影响。试验表明:(1)井壁—砂土摩阻力计算公式为f=0.546P,摩擦系数μ=0.546;(2)采用膨润土:纯碱:CMC:水=9:0.5:0.2:100的泥浆,井壁—膨润土泥浆摩阻力计算公式为f=0.05P+0.252,摩擦系数μ=0.05,注浆后管壁摩阻力减小85%,减阻效果显著;(3)当静置时间超过24h,静置后的摩擦系数不再增大,摩擦系数约为未静置的2倍;(4)泥浆内砂粒含量为40%时,膨润土泥浆减阻效果达79%;泥浆内砂粒含量为60%时,减阻效果达46%。工程中建议膨润土泥浆既要有一定流动性,又要有一定支撑力,支撑砂土塌落量低于泥浆40%。3.采用PLAXIS 3D有限元软件,数值模拟了沉井结构底部十字梁、不同开挖方式(对称和不对称开挖)对圆形沉井的稳定性和姿态影响。结果表明:(1)沉井下沉深度较浅或每次下沉启动时,顶面沉降和沉降差大,易产生不均匀沉降,此时应重点加强观测;(2)无十字梁的顶面沉降差较大。可见,下沉过程中十字梁可减小沉井不均匀沉降;即针对土质软硬不均情况,十字梁可起到调控沉井姿态的作用;(3)引入下沉倾斜率Δm,发现有十字梁的Δm均小于无十字梁的Δm且有十字梁的Δm波动率小于无十字梁的Δm波动率,当沉井下沉深度达22.5米(下沉深度大)后,有十字梁的Δm趋于稳定,进一步证明,下沉过程中,十字梁能够调控沉井姿态。4.推导了沉井不同下沉深度情况下,井内外水头差对井底稳定性的影响,绘制了不排水下沉时,允许最大可降水高度与下沉深度的关系图。结果表明:(1)沉井下沉时渗流稳定性及抗承压稳定性主要与井内下降水位有关,沉井内下降水位越大,其相应安全稳定系数越低;(2)下沉深度与允许最大可降水高度基本呈线性关系;(3)当沉井下沉至砂土顶面时,可降水的深度小于3.4米,不建议通过沉井内降水提高下沉系数。5.结合依托江苏镇江实际工程项目,对工程实例进行计算,证明了下沉阻力计算图表的可行性。计算结果表明:(1)不同工况下沉井下沉系数有明显区别,范围从0.38到1.65;(2)实际工程中,为确保沉井顺利下沉,持续泵送泥浆灌注沉井侧壁,同时尽可能使刃脚光滑;通过控制开挖深度和预留土宽度,控制沉井下沉速度;(3)沉井下沉过程中刃脚处端阻力和侧摩阻力比值受刃脚粗糙程度、侧壁土体状态、刃脚土体开挖、侧壁减阻效果等因素的影响;(4)刃脚端阻力占总阻力的比例大,侧壁摩阻力占比小。
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