根式沉井竖向承载机理研究

根式沉井是一种全新的变截面基础形式，它是通过在预定位置下沉一个井壁有预留孔的沉井，待其沉至设计标高后，通过井壁的预留孔顶入预制的混凝土构件——根键，最后通过封壁将根键和井壁连成整体来共同承担上部荷载。从现场试验研究成果可以看出，根式沉井具有竖向承载力高、变形小的显著优点。在根式沉井设想被提出后，各方面的研究仅局限在应用自平衡测试方法进行现场试验及相应的数值模拟分析，而自平衡测试方法与正常工况（顶部加载）有所差异，需要对测试数据进行转换处理，不够直观。深入研究根式沉井的竖向承载机理，对于确定竖向承载力的合理计算方法、构建根式沉井设计理论，是十分必要的。 首先，采用福建平潭标准砂做模型箱填料，在确保相同的土层密实度和加载方式等试验条件下，对砂土中的普通沉井和根式沉井分别进行了竖向下压及上拔试验。利用图像处理技术，得到了每级荷载下普通沉井、根式沉井及土层的位移云图、荷载及相应沉井顶部位移等资料。试验结果表明，无论是在竖向下压荷载或是在竖向上拔荷载的作用下，由于根键的存在，根式沉井能调动更大范围的土层发挥承载作用，确定了普通沉井和根式沉井的位移影响范围。 其次，通过在试验模型的井身及根键位置布置电阻式应变片，研究了在基础顶部下压和上拔荷载作用下，普通沉井和不同根键布置方式下根式沉井的竖向承载特性，分析了根式沉井在砂土中的竖向抗压、抗拔承载机理。 然后，运用ABAQUS有限元软件，对模型试验进行了数值模拟。模拟了普通沉井和根式沉井在竖向荷载作用下的荷载-位移关系，研究了沉井和根键的位移性状；研究了根式沉井在不同根键尺寸及布置方式下的承载特性，及根键下土体反力和根键侧摩阻力的分布形式；分析了沉井侧阻力的发挥规律及在荷载作用下沉井各部分荷载分担比的变化规律。 最后，对普通沉井和根式沉井的竖向承载性状进行了理论分析，提出了适用于普通沉井和根式沉井的竖向承载力计算公式。 2100433B

根式沉井是一种改进型沉井。2006年起，本项目组在国内外率先开展对根式沉井竖向承载性能的现场足尺试验研究。实测结果表明，根式沉井的竖向承载性能比普通沉井有显著改善。本项目旨在揭示根式沉井的竖向承载机理，建立其抗压、抗拔承载力的计算方法及结构形式的优化原则，为构建根式沉井设计理论奠定基础。主要研究内容有：以现场试验研究和数值模拟的成果为指导，通过模型试验研究根式沉井的竖向抗压、抗拔承载性能；采用数值分析软件结合模型试验研究根键的尺寸、排列方式、基础-土相对刚度比等对根式沉井竖向承载性能的影响；将根键及沉井底部分别简化为非线性Winkler地基梁和板，由模型试验确定相应的荷载传递函数。对根式沉井进行单元离散，在含根键的节点上叠加土反力，基于荷载传递理论并结合边界条件得到从顶部节点到底部节点的荷载传递关系，推导根式沉井竖向承载性能的力学解答，并对该解答进行试验验证或修正。

本研究从试验研究、数值研究、理论研究三方面展开。试验研究方面，提出了梁板结构的岩溶区基桩承载力计算模型，并探讨了不同跨度、厚度溶洞顶板对基桩极限承载力的影响；数值研究方面，以工程实例为背景，探讨了不同岩性、厚度、跨度溶洞顶板下基桩的极限承载力，得到了一般性的规律，并用于指导工程实践；在理论研究方面，基于极限分析，根据基桩与溶洞的距离，推得了溶洞发生冲切破坏、冒顶破坏、不破坏三种情况的限定条件，并对溶洞顶板发生冲切破坏研究展开更为深入研究，包括冲切破坏体母线方程及溶洞顶板安全厚度的求解，此外，在复变函数的基础上，提出了基桩作用在不同位置时，溶洞稳定性评价方法及基桩桩端极限承载力计算方法。

单桩竖向承载力，是指单桩在外荷载作用下，不丧失稳定，不产生过大变形所能承受的最大荷载。单桩竖向承载力的确定：

(1)对于一级建筑物，单桩的竖向承载力标准值，应通过现场静荷载试验确定。在同一 条件下的试桩数量，不宜少于总桩数的1%，并不应少于3根。这种确定承载力的方法最为可靠。

1) 载荷试验开始时间的规定：

a. 对于预制桩：在砂土中入土7d后;粘性土中应视土的强度恢复而定，一般不得少于 15d; 饱和软粘土不得小于25d。

b. 灌注桩应在桩身混凝土强度达到设计值后才能试验。

2) 单桩竖向静载荷试验要点：

a. 荷载分级： 每级荷载值约为单桩承载力设计值的1/5～1/8。

b.测读桩沉降量的间隔时间：每级加载后，隔5、10、15min各测读一次，以后每隔15min 读一次，累计1h后每隔0.5h读一次。

c. 稳定标准： 在每级荷载作用下，桩的沉降量在每小时内小于0.1mm。

d. 终止加载条件： 当出现下列情况之一时，即可终止加载：

①当荷载-沉降 (Q-s) 曲线上有可判定极限承载力的陡降段，且桩顶总沉降量超过 40mm，见图1；

②桩顶总沉降量达到40mm后，继续增加二级或二级以上荷载仍无陡降段。如果桩底支 承在坚硬岩 (土) 层上，桩的沉降量很小时，最大加载量应不小于设计荷载的两倍。

e.卸载观测的规定：每级卸载值为加载值的两倍。卸载后每隔15min测读一次，读两次 后，隔0.5h再读一次，即可卸下一级荷载。全部卸载后，隔3～4h再测读一次。

3) 单桩极限承载力的确定方法： 作荷载-沉降 (Q-s) 曲线图，图中应标明试桩的构 造尺寸和地质剖面以及各层土的物理力学指标。根据Q-s曲线确定单桩垂直承载力。《规范》法： 当陡降段明显时，采用相应于陡降段起点的荷载值为极限荷载；对于直径或桩宽在550mm以下的预制桩，当某级荷载Q_{i 1}作用下，其沉降增量与相应 荷载增量的比值(ΔS_{i 1}/ΔQ_{i 1})≥0.1mm/kN时，取前一级荷载Q_i为极限荷载。当桩顶总沉降量达到40mm后，继续增加二级或二级以上荷载仍无陡降时，在Q-s曲 线上取桩顶总沉降量s为40mm时的相应荷载作为极限荷载。最后，参加统计的试桩，当满足其极差不超过平均值的30%时，可取其平均值作为单 桩竖向极限承载力。当极差超过时，应查明原因，必要时宜增加试桩数。将单桩竖向极限承载力除以安全系数2，即得单桩竖向承载力标准值R_k，而单桩竖向承 载力设计值取R=1.2R_k。2100433B

挤扩支盘桩是一种变截面桩，借助专用挤扩设备使桩的几处截面直径扩大，增加桩一土接触面积，从而提高桩的承载力。挤扩支盘桩是对普通钻孔灌注桩的优化，其桩一土接触面积增大数倍，多支点端阻力也增加数倍，还具有对各类土层适应性好、工期短、经济效益显著、无环境污染等优势。

《挤扩支盘桩承载机理与应用研究》介绍挤扩支盘桩承载机理与应用研究，主要内容包括：挤扩支盘桩的荷载传递特性、桩侧摩阻力及桩端阻力特性的试验研究过程；挤扩支盘桩的成桩理论及破坏机理分析；适应支盘桩特点的荷载传递函数和极限承载力计算公式的建立；挤扩支盘桩的工程运用与经济效益分析。

《挤扩支盘桩承载机理与应用研究》可供岩土工程设计、施工、监测人员使用，也可供科研院所相关专业人员和相关专业大学师生学习参考。