根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能的多維度解析：試驗(yàn)與數(shù)值模擬的深度融合一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大與技術(shù)要求的日益提高，基礎(chǔ)工程作為確保建筑物穩(wěn)定性與安全性的關(guān)鍵部分，其重要性愈發(fā)凸顯。根式沉井基礎(chǔ)作為一種新型的深基礎(chǔ)形式，近年來在各類大型工程中得到了廣泛應(yīng)用。它綜合了沉井基礎(chǔ)的剛度大、承載力高以及變截面樁可提高承載力的優(yōu)點(diǎn)，通過在沉井井壁上預(yù)留頂推孔，待沉井下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，在土層中頂推預(yù)制的根鍵，最后封壁使根鍵與沉井形成一個(gè)整體。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式使其在承受豎向荷載的同時(shí)，能夠更好地抵抗水平荷載，有效提升了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和承載能力。在橋梁工程領(lǐng)域，根式沉井基礎(chǔ)常用于大跨度橋梁的橋墩基礎(chǔ)，因其能承受橋梁上部結(jié)構(gòu)傳來的巨大豎向壓力以及風(fēng)力、地震力等水平荷載，確保橋梁在復(fù)雜環(huán)境下的安全運(yùn)營。例如，在跨越寬闊河流或海域的橋梁建設(shè)中，面對強(qiáng)風(fēng)、水流沖擊以及可能的地震作用，根式沉井基礎(chǔ)憑借其良好的水平承載性能，為橋梁提供了堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定的支撐。在高層建筑中，根式沉井基礎(chǔ)可作為高層建筑物的基礎(chǔ)形式，承受建筑物自身重量以及風(fēng)荷載、地震荷載等水平力，保障高層建筑在各種工況下的穩(wěn)定性。在一些超高層建筑中，由于建筑物高度大，風(fēng)荷載和地震作用對基礎(chǔ)的水平承載能力提出了更高要求，根式沉井基礎(chǔ)的應(yīng)用能夠有效滿足這些需求，確保建筑物的安全。在海洋工程方面，如海上石油平臺、跨海大橋的海中橋墩等，根式沉井基礎(chǔ)同樣發(fā)揮著重要作用。海洋環(huán)境復(fù)雜，海浪、海流以及潮汐等因素產(chǎn)生的水平荷載對基礎(chǔ)的考驗(yàn)極大，根式沉井基礎(chǔ)能夠適應(yīng)海洋環(huán)境的惡劣條件，為海洋工程設(shè)施提供可靠的基礎(chǔ)支撐。盡管根式沉井基礎(chǔ)在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用，但其水平承載性能的研究仍存在諸多不足。水平承載性能是指基礎(chǔ)在水平荷載作用下抵抗變形和破壞的能力，它直接關(guān)系到工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。目前，對于根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能的認(rèn)識還不夠深入，相關(guān)的理論研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對較少，這給工程設(shè)計(jì)和施工帶來了一定的困難和風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)過程中，如果對根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能估計(jì)不足，可能導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過于保守，增加工程成本；反之，如果高估其水平承載性能，則可能使工程結(jié)構(gòu)在使用過程中面臨安全隱患。在施工過程中，由于缺乏對水平承載性能的準(zhǔn)確了解，可能會(huì)出現(xiàn)施工工藝不合理、施工質(zhì)量難以保證等問題，進(jìn)而影響基礎(chǔ)的實(shí)際承載能力。深入研究根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能具有至關(guān)重要的意義。準(zhǔn)確掌握根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供更為科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù)，使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中合理確定基礎(chǔ)的尺寸、形狀和材料等參數(shù)，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，從而在保證工程安全的前提下，降低工程成本。通過對水平承載性能的研究，可以揭示根式沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下的變形規(guī)律和破壞機(jī)理，為施工過程中的質(zhì)量控制和安全保障提供理論指導(dǎo)，確保施工工藝的合理性和施工質(zhì)量的可靠性，提高工程的整體質(zhì)量和安全性。對根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能的研究成果，還能夠豐富和完善基礎(chǔ)工程的理論體系，為新型基礎(chǔ)形式的研發(fā)和應(yīng)用提供參考，推動(dòng)基礎(chǔ)工程技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，對于根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能的研究開展相對較早。早期，研究主要集中在沉井基礎(chǔ)的基本力學(xué)性能分析上。隨著工程實(shí)踐的不斷推進(jìn)，學(xué)者們逐漸認(rèn)識到根式沉井基礎(chǔ)在抵抗水平荷載方面的獨(dú)特優(yōu)勢，并開始對其進(jìn)行深入研究。一些學(xué)者通過現(xiàn)場試驗(yàn)，對根式沉井基礎(chǔ)在不同土層條件下的水平承載性能進(jìn)行了測試，分析了基礎(chǔ)的水平位移、應(yīng)力分布以及破壞模式等。研究發(fā)現(xiàn)，根式沉井基礎(chǔ)的水平承載能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)沉井基礎(chǔ)，根鍵的設(shè)置能夠有效增加基礎(chǔ)與土體之間的摩擦力和咬合力，從而提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。在數(shù)值模擬方面，國外學(xué)者運(yùn)用有限元軟件，建立了較為復(fù)雜的根式沉井基礎(chǔ)與土體相互作用模型，考慮了土體的非線性特性、材料的本構(gòu)關(guān)系以及施工過程的影響等因素，對根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能進(jìn)行了模擬分析。通過數(shù)值模擬，不僅能夠直觀地觀察到基礎(chǔ)在水平荷載作用下的變形和應(yīng)力分布情況，還能夠?qū)Σ煌瑓?shù)（如根鍵的長度、直徑、間距等）對水平承載性能的影響進(jìn)行研究，為工程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。國內(nèi)對于根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能的研究也取得了一定的成果。在試驗(yàn)研究方面，許多高校和科研機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)的室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)。室內(nèi)模型試驗(yàn)通過控制試驗(yàn)條件，對根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分析了基礎(chǔ)的尺寸效應(yīng)、根鍵的布置方式以及土體性質(zhì)等因素對水平承載性能的影響?，F(xiàn)場試驗(yàn)則更加真實(shí)地反映了根式沉井基礎(chǔ)在實(shí)際工程中的工作狀態(tài)，為理論研究和數(shù)值模擬提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。在理論研究方面，國內(nèi)學(xué)者基于經(jīng)典的土力學(xué)理論和樁基水平承載理論，對根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能進(jìn)行了理論推導(dǎo)和分析。提出了一些適用于根式沉井基礎(chǔ)的水平承載力計(jì)算公式和設(shè)計(jì)方法，這些公式和方法在一定程度上考慮了根式沉井基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特性，但仍需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證和完善。在數(shù)值模擬方面，國內(nèi)學(xué)者也廣泛運(yùn)用有限元軟件，對根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能進(jìn)行了模擬分析。結(jié)合國內(nèi)的工程實(shí)際情況，對數(shù)值模型進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性?，F(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。在試驗(yàn)研究方面，雖然已經(jīng)開展了大量的試驗(yàn)，但由于試驗(yàn)條件的限制，部分試驗(yàn)結(jié)果可能存在一定的局限性，難以全面反映根式沉井基礎(chǔ)在復(fù)雜工程條件下的水平承載性能。不同學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果之間也存在一定的差異，這可能與試驗(yàn)方法、試驗(yàn)材料以及土體性質(zhì)等因素有關(guān)，需要進(jìn)一步的對比分析和研究。在理論研究方面，目前的理論計(jì)算公式和設(shè)計(jì)方法還不夠完善，對一些復(fù)雜因素（如土體的流變特性、根鍵與土體的協(xié)同工作機(jī)制等）的考慮還不夠充分，需要進(jìn)一步深入研究，以建立更加準(zhǔn)確、完善的理論體系。在數(shù)值模擬方面，雖然數(shù)值模擬能夠較好地模擬根式沉井基礎(chǔ)的受力和變形情況，但數(shù)值模型的建立和參數(shù)選取仍存在一定的主觀性，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于對土體和基礎(chǔ)材料特性的準(zhǔn)確把握，需要進(jìn)一步提高數(shù)值模擬的精度和可靠性。1.3研究內(nèi)容與方法本研究將圍繞根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能展開，通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，深入分析其在水平荷載作用下的力學(xué)行為和承載特性。在試驗(yàn)研究方面，將開展室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)。室內(nèi)模型試驗(yàn)旨在通過控制試驗(yàn)條件，研究根式沉井基礎(chǔ)在不同參數(shù)（如根鍵長度、直徑、間距，沉井尺寸等）下的水平承載性能。準(zhǔn)備多個(gè)不同規(guī)格的根式沉井模型，在模擬的地基土體中進(jìn)行水平加載試驗(yàn)，測量各級荷載下基礎(chǔ)的水平位移、轉(zhuǎn)角、井身彎矩等參數(shù)，分析這些參數(shù)隨荷載的變化規(guī)律，以及不同參數(shù)對水平承載性能的影響?，F(xiàn)場試驗(yàn)則選取實(shí)際工程中的根式沉井基礎(chǔ)，在工程現(xiàn)場進(jìn)行水平靜載荷試驗(yàn)，獲取基礎(chǔ)在真實(shí)工程條件下的水平承載性能數(shù)據(jù)，包括水平極限承載力、基礎(chǔ)變形情況等，為理論研究和數(shù)值模擬提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。數(shù)值模擬方面，運(yùn)用有限元軟件建立根式沉井基礎(chǔ)與土體相互作用的三維數(shù)值模型。在建模過程中，充分考慮土體的非線性特性、材料的本構(gòu)關(guān)系以及施工過程的影響等因素。通過數(shù)值模擬，全面分析根式沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下的應(yīng)力分布、變形情況以及破壞機(jī)理。對不同參數(shù)的數(shù)值模型進(jìn)行模擬計(jì)算，研究根鍵的布置方式、土體性質(zhì)等因素對水平承載性能的影響規(guī)律，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)值模型，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本研究采用的研究方法主要包括文獻(xiàn)研究法、試驗(yàn)研究法和數(shù)值模擬法。文獻(xiàn)研究法用于收集和整理國內(nèi)外關(guān)于根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能的相關(guān)研究資料，了解研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為本研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。試驗(yàn)研究法通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，直接獲取根式沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)驗(yàn)證理論和模擬結(jié)果的正確性。數(shù)值模擬法利用有限元軟件對根式沉井基礎(chǔ)進(jìn)行建模分析，彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的局限性，能夠更全面、深入地研究各種因素對水平承載性能的影響，為工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。本研究的技術(shù)路線如下：首先，通過文獻(xiàn)研究，明確研究的目的、意義和內(nèi)容，確定研究方法和技術(shù)路線。然后，開展室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，制定詳細(xì)的試驗(yàn)方案，進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集和整理分析。在試驗(yàn)的同時(shí)，利用有限元軟件建立數(shù)值模型，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和模擬計(jì)算。將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，對模型進(jìn)行修正和優(yōu)化。根據(jù)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，深入分析根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能，總結(jié)其變形規(guī)律、破壞機(jī)理以及各因素的影響規(guī)律，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議和理論公式，為根式沉井基礎(chǔ)的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。二、根式沉井基礎(chǔ)概述2.1結(jié)構(gòu)組成與工作原理根式沉井基礎(chǔ)作為一種新型的深基礎(chǔ)形式，其結(jié)構(gòu)組成獨(dú)具特色，主要由基礎(chǔ)本體和錨固系統(tǒng)等部分構(gòu)成?；A(chǔ)本體通常采用鋼筋混凝土材料澆筑而成，它是整個(gè)基礎(chǔ)的核心承載結(jié)構(gòu)，猶如建筑物的堅(jiān)實(shí)根基，為上部結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定的支撐平臺?；A(chǔ)本體一般包含基礎(chǔ)底座、基礎(chǔ)墻體以及基礎(chǔ)頂板?；A(chǔ)底座直接與地基接觸，其面積較大，能夠有效分散上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，降低基底壓力，確?；A(chǔ)在豎向荷載作用下的穩(wěn)定性。基礎(chǔ)墻體則是連接基礎(chǔ)底座和基礎(chǔ)頂板的重要部分，它不僅承擔(dān)著傳遞荷載的作用，還能增強(qiáng)基礎(chǔ)的整體剛度，使其在抵抗水平荷載和豎向荷載時(shí)保持良好的整體性。基礎(chǔ)頂板位于基礎(chǔ)的頂部，與上部結(jié)構(gòu)相連，將上部結(jié)構(gòu)的荷載平穩(wěn)地傳遞到基礎(chǔ)墻體和基礎(chǔ)底座上。錨固系統(tǒng)是根式沉井基礎(chǔ)的關(guān)鍵組成部分，它對于提高基礎(chǔ)的水平承載性能起著至關(guān)重要的作用。錨固系統(tǒng)主要由鋼筋構(gòu)成，這些鋼筋通過錨固片與基礎(chǔ)本體緊密連接。錨固片的設(shè)計(jì)和布置經(jīng)過精心考量，其形狀和尺寸根據(jù)基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)和工程要求進(jìn)行優(yōu)化，以確保鋼筋與基礎(chǔ)本體之間能夠形成可靠的連接，共同承受外部荷載。在實(shí)際工程中，錨固系統(tǒng)就像基礎(chǔ)與地基之間的“紐帶”，通過與地基土體的相互作用，增強(qiáng)了基礎(chǔ)與地基之間的摩擦力和咬合力，從而有效地將荷載傳遞到地基中，提高了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和承載能力。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)受到外力作用時(shí)，根式沉井基礎(chǔ)的工作原理體現(xiàn)出其獨(dú)特的力學(xué)性能。以外力為水平荷載為例，此時(shí)基礎(chǔ)底座、基礎(chǔ)墻體、錨固系統(tǒng)及混凝土填充體系協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載。錨固系統(tǒng)在這個(gè)過程中發(fā)揮著核心作用，它通過與地基土體之間的摩擦力，將水平荷載有效地傳遞到地基中。由于錨固系統(tǒng)的存在，基礎(chǔ)與地基之間形成了一個(gè)相互作用的整體，使得基礎(chǔ)在水平荷載作用下能夠保持穩(wěn)定，不易發(fā)生位移和傾斜。具體來說，當(dāng)水平荷載施加到基礎(chǔ)上時(shí)，基礎(chǔ)墻體首先承受水平力的作用，并將其傳遞到基礎(chǔ)底座和錨固系統(tǒng)上?；A(chǔ)底座通過與地基的接觸，將部分水平荷載分散到地基中，同時(shí)依靠自身的重量和與地基之間的摩擦力，抵抗水平荷載引起的滑動(dòng)和傾覆。錨固系統(tǒng)則利用鋼筋與錨固片的連接，以及鋼筋與地基土體之間的摩擦力，將水平荷載進(jìn)一步傳遞到更深層次的地基土體中，從而擴(kuò)大了基礎(chǔ)的承載范圍，提高了基礎(chǔ)的水平承載能力?；炷撂畛潴w系填充在基礎(chǔ)本體內(nèi)，它不僅增加了基礎(chǔ)的重量，提高了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，還能在一定程度上協(xié)同基礎(chǔ)本體和錨固系統(tǒng)承受荷載，增強(qiáng)基礎(chǔ)的整體力學(xué)性能。在豎向荷載作用下，根式沉井基礎(chǔ)的工作原理同樣基于各組成部分的協(xié)同作用?；A(chǔ)底座將豎向荷載均勻地傳遞到地基上，依靠地基的承載能力來支撐上部結(jié)構(gòu)的重量?；A(chǔ)墻體則起到了豎向傳力和增強(qiáng)整體剛度的作用，確保豎向荷載能夠順利地從基礎(chǔ)頂板傳遞到基礎(chǔ)底座。錨固系統(tǒng)在豎向荷載作用下，雖然不像在水平荷載作用下那樣直接承擔(dān)主要的荷載傳遞任務(wù)，但它通過與地基土體的相互作用，增強(qiáng)了基礎(chǔ)與地基之間的連接，防止基礎(chǔ)在豎向荷載作用下發(fā)生沉降過大或不均勻沉降的情況，從而保證了基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的穩(wěn)定性。2.2特點(diǎn)與優(yōu)勢相較于傳統(tǒng)基礎(chǔ)，根式沉井基礎(chǔ)在水平承載方面具有諸多顯著特點(diǎn)與優(yōu)勢，使其在現(xiàn)代工程建設(shè)中脫穎而出。在承載能力方面，根式沉井基礎(chǔ)表現(xiàn)卓越。傳統(tǒng)基礎(chǔ)如樁基礎(chǔ)，其水平承載能力主要依賴樁身與土體的摩擦力以及樁端的支承力。在面對較大水平荷載時(shí)，樁身容易發(fā)生彎曲變形，甚至斷裂，導(dǎo)致基礎(chǔ)失效。而根式沉井基礎(chǔ)通過獨(dú)特的根鍵設(shè)計(jì)，極大地增強(qiáng)了基礎(chǔ)與土體之間的相互作用。根鍵如同深入土體的錨固裝置，能夠有效地將水平荷載傳遞到更大范圍的土體中，從而顯著提高了基礎(chǔ)的水平承載能力。相關(guān)研究表明，在相同的地質(zhì)條件和荷載工況下，根式沉井基礎(chǔ)的水平極限承載力可比傳統(tǒng)沉井基礎(chǔ)提高近60%，在一些大型橋梁工程中，根式沉井基礎(chǔ)能夠承受更大的水平推力，確保橋梁在強(qiáng)風(fēng)、地震等極端荷載作用下的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是基礎(chǔ)工程的關(guān)鍵指標(biāo)，根式沉井基礎(chǔ)在這方面具有突出優(yōu)勢。傳統(tǒng)基礎(chǔ)在水平荷載作用下，容易出現(xiàn)傾斜、滑移等失穩(wěn)現(xiàn)象。例如，淺基礎(chǔ)在受到較大水平力時(shí)，由于基礎(chǔ)埋深較淺，抗傾覆能力較弱，容易發(fā)生傾斜。而根式沉井基礎(chǔ)的重心較低，且根鍵與土體形成了緊密的錨固體系，能夠提供強(qiáng)大的抗傾覆和抗滑移能力。在實(shí)際工程中，根式沉井基礎(chǔ)能夠在復(fù)雜的地質(zhì)條件和惡劣的環(huán)境下保持穩(wěn)定，有效地抵抗各種水平荷載的作用，為上部結(jié)構(gòu)提供可靠的支撐。變形控制是衡量基礎(chǔ)水平承載性能的重要因素。在水平荷載作用下，傳統(tǒng)基礎(chǔ)的變形往往較大，這可能會(huì)對上部結(jié)構(gòu)的正常使用產(chǎn)生不利影響。例如，樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下，樁身會(huì)發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致樁頂位移過大，影響上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和正常使用。根式沉井基礎(chǔ)由于其整體剛度較大，且根鍵能夠有效地約束土體的變形，使得基礎(chǔ)在水平荷載作用下的變形得到了很好的控制。通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析可知，在相同的水平荷載作用下，根式沉井基礎(chǔ)的水平位移和轉(zhuǎn)角明顯小于傳統(tǒng)基礎(chǔ)，能夠更好地滿足工程對變形控制的要求，保證上部結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。施工便利性也是根式沉井基礎(chǔ)的一大優(yōu)勢。傳統(tǒng)基礎(chǔ)的施工過程往往較為復(fù)雜，需要大量的機(jī)械設(shè)備和人力投入。例如，樁基礎(chǔ)的施工需要進(jìn)行樁的預(yù)制、運(yùn)輸、打樁等多個(gè)環(huán)節(jié)，施工周期較長，且對施工場地和設(shè)備要求較高。而根式沉井基礎(chǔ)的施工工藝相對簡單，施工過程中使用沉井樁作為基礎(chǔ)支撐，減少了對周圍土壤的影響。在施工過程中，先進(jìn)行沉井的制作和下沉，然后通過預(yù)留孔頂推預(yù)制根鍵，施工工序相對較少，施工效率較高。同時(shí)，根式沉井基礎(chǔ)的施工對施工場地的要求相對較低，在狹窄的場地或復(fù)雜的地形條件下也能順利施工，能夠有效降低施工成本和施工難度，縮短施工周期。2.3應(yīng)用領(lǐng)域與案例根式沉井基礎(chǔ)憑借其卓越的水平承載性能，在橋梁、高層建筑、海洋工程等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，并在實(shí)際工程中取得了顯著成效。在橋梁工程領(lǐng)域，根式沉井基礎(chǔ)得到了廣泛應(yīng)用。以馬鞍山長江大橋?yàn)槔?，該橋首次采用根式沉井基礎(chǔ)，其南錨碇基礎(chǔ)通過在沉井側(cè)壁壓入根鍵，形成了根式基礎(chǔ)。在施工過程中，先進(jìn)行沉井的下沉施工，待沉井到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高后，利用千斤頂將預(yù)制根鍵頂入土中，使根鍵與沉井共同作用，承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載。通過兩次水平靜載荷試驗(yàn)，取地面處水平位移10mm所對應(yīng)的荷載為水平承載力設(shè)計(jì)值，結(jié)果表明該地區(qū)根式基礎(chǔ)的水平承載力比同深度同直徑的沉井的水平承載力提高約120%。這一數(shù)據(jù)充分證明了根式沉井基礎(chǔ)在提高橋梁基礎(chǔ)水平承載能力方面的巨大優(yōu)勢，有效保障了馬鞍山長江大橋在復(fù)雜的水文地質(zhì)條件和交通荷載作用下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。望東長江公路大橋的江內(nèi)引橋也采用了根式沉井基礎(chǔ)。該橋北岸引橋30#-39#墩為根式沉井基礎(chǔ)，沉井采用空心圓柱帶外部根鍵結(jié)構(gòu)，外徑5.0m，內(nèi)徑3.2m，壁厚0.90m，長度為43-59m不等，根鍵為矩形斷面構(gòu)造，采用梅花形布置在管壁四周，分別為12-18層布置，每層5根。在施工過程中，先下放鋼護(hù)筒，搭設(shè)鉆孔平臺鉆孔，成孔后采用注水下沉方式逐節(jié)下放鋼壁管身，完成管身混凝土施工后，利用600t液壓千斤頂進(jìn)行根鍵頂入施工。通過這些施工工藝，確保了根式沉井基礎(chǔ)的順利實(shí)施，為望東長江公路大橋的引橋提供了可靠的基礎(chǔ)支撐，使其能夠承受橋梁上部結(jié)構(gòu)的荷載以及風(fēng)荷載、地震荷載等水平力，保證了橋梁的正常使用和安全。在高層建筑領(lǐng)域，根式沉井基礎(chǔ)同樣發(fā)揮著重要作用。某高層建筑項(xiàng)目采用根式沉井基礎(chǔ)施工工法進(jìn)行基礎(chǔ)施工。該項(xiàng)目的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，存在軟土層和不均勻地基等問題。在施工過程中，施工單位嚴(yán)格按照根式沉井基礎(chǔ)施工工藝進(jìn)行操作，先進(jìn)行洞口處理，挖掘洞口并建立圍護(hù)結(jié)構(gòu)，防止土壤塌方；然后使用管樁鉆孔機(jī)進(jìn)行樁基灌注，確保樁灌注深度符合設(shè)計(jì)要求；沉井樁灌注完成后，進(jìn)行灌漿處理，加強(qiáng)樁身與地基土的粘結(jié)力，提高樁的承載能力；最后在固化后的樁基上進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的施工。經(jīng)過合理的勞動(dòng)組織、嚴(yán)格的質(zhì)量控制和安全措施，工程順利完成，基礎(chǔ)穩(wěn)定可靠，獲得了業(yè)主的高度贊譽(yù)。該項(xiàng)目的成功實(shí)施表明，根式沉井基礎(chǔ)能夠有效適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，為高層建筑提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)支撐，滿足高層建筑對基礎(chǔ)承載能力和穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。在海洋工程方面，根式沉井基礎(chǔ)也具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，在海上石油平臺的建設(shè)中，由于海洋環(huán)境惡劣，海浪、海流等水平荷載對基礎(chǔ)的作用非常大，傳統(tǒng)基礎(chǔ)形式往往難以滿足要求。根式沉井基礎(chǔ)通過其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的水平承載性能，能夠有效地抵抗海洋環(huán)境中的各種荷載，為海上石油平臺提供可靠的基礎(chǔ)支撐。在一些跨海大橋的海中橋墩基礎(chǔ)中，根式沉井基礎(chǔ)也能夠發(fā)揮其優(yōu)勢，提高橋墩基礎(chǔ)的水平承載能力和穩(wěn)定性，確?？绾４髽蛟诤Ｑ蟓h(huán)境下的安全運(yùn)行。三、水平承載性能試驗(yàn)研究3.1試驗(yàn)?zāi)康呐c方案設(shè)計(jì)本試驗(yàn)旨在深入探究根式沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下的承載機(jī)理，獲取其水平承載性能的關(guān)鍵參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。通過試驗(yàn)，精確分析根式沉井基礎(chǔ)在不同工況下的受力特性、變形規(guī)律以及破壞模式，揭示根鍵的布置方式、長度、直徑等因素對其水平承載性能的影響，從而為優(yōu)化根式沉井基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)。試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)充分考慮了多方面因素，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在模型設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，為了全面研究根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能，制作了多個(gè)不同規(guī)格的模型。沉井模型采用有機(jī)玻璃材料制作，這種材料具有良好的透明度和一定的強(qiáng)度，便于觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形情況，同時(shí)也能滿足試驗(yàn)對模型尺寸精度的要求。沉井的外徑設(shè)置為300mm，內(nèi)徑為200mm，壁厚50mm，高度為1000mm，這樣的尺寸設(shè)計(jì)既能保證模型在試驗(yàn)過程中的穩(wěn)定性，又能較好地模擬實(shí)際工程中沉井的受力狀態(tài)。根鍵模型則采用鋁合金材料制作，鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，能夠在保證根鍵模型質(zhì)量的同時(shí)，減輕模型的整體重量，便于試驗(yàn)操作。根鍵的長度分別設(shè)置為100mm、150mm、200mm，直徑分別為20mm、30mm、40mm，通過改變根鍵的長度和直徑，研究不同根鍵尺寸對根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能的影響。根鍵在沉井壁上的布置方式采用梅花形布置，這種布置方式能夠使根鍵在沉井周圍均勻分布，更好地發(fā)揮根鍵與土體之間的相互作用，提高基礎(chǔ)的水平承載能力。在加載方式上，選用液壓千斤頂進(jìn)行水平加載，液壓千斤頂具有加載穩(wěn)定、精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地控制加載力的大小和加載速率。加載過程嚴(yán)格遵循《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2014）的相關(guān)規(guī)定，采用分級加載的方式，每級荷載增量為預(yù)估水平極限承載力的1/10。在每級荷載施加后，持續(xù)觀測1小時(shí)，記錄模型在該級荷載作用下的水平位移、轉(zhuǎn)角以及井身彎矩等參數(shù)的變化情況。當(dāng)模型的水平位移達(dá)到一定限值或出現(xiàn)明顯的破壞跡象時(shí)，停止加載，此時(shí)的荷載即為水平極限承載力。為了準(zhǔn)確測量模型在水平荷載作用下的各項(xiàng)參數(shù)，布置了一系列測量儀器。在模型的頂部和底部對稱安裝位移傳感器，用于測量模型的水平位移；在模型的側(cè)面不同高度處安裝傾角傳感器，以測量模型的轉(zhuǎn)角；在井身內(nèi)部沿深度方向布置應(yīng)變片，通過測量井身的應(yīng)變來計(jì)算井身彎矩。所有測量儀器均經(jīng)過嚴(yán)格的校準(zhǔn)和調(diào)試，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在試驗(yàn)過程中，還對試驗(yàn)場地的土體進(jìn)行了詳細(xì)的勘察和測試，獲取了土體的物理力學(xué)參數(shù)，如土體的密度、含水率、內(nèi)摩擦角、黏聚力等。根據(jù)土體的實(shí)際情況，在試驗(yàn)場地中制備了與實(shí)際工程相似的地基土體，確保試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蛘鎸?shí)地反映在實(shí)際工程中的受力狀態(tài)。通過精心設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案，全面、系統(tǒng)地研究根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能，為后續(xù)的數(shù)值模擬和理論分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持。3.2試驗(yàn)材料與設(shè)備在本次試驗(yàn)中，所選用的材料均經(jīng)過嚴(yán)格篩選，以確保其性能滿足試驗(yàn)要求，為準(zhǔn)確研究根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能提供堅(jiān)實(shí)保障。沉井模型采用有機(jī)玻璃材料制作，有機(jī)玻璃具有良好的透光性，這使得在試驗(yàn)過程中能夠直觀地觀察到沉井內(nèi)部的受力和變形情況，有助于深入了解其力學(xué)行為。同時(shí)，有機(jī)玻璃還具備一定的強(qiáng)度和剛度，能夠在試驗(yàn)加載過程中保持結(jié)構(gòu)的完整性，準(zhǔn)確模擬實(shí)際沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下的工作狀態(tài)。其密度為1.18g/cm3，彈性模量約為3.0GPa，泊松比為0.35，這些物理力學(xué)參數(shù)使得有機(jī)玻璃在滿足試驗(yàn)觀察需求的同時(shí)，也能較好地反映實(shí)際沉井基礎(chǔ)材料的力學(xué)性能。根鍵模型選用鋁合金材料，鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高的顯著特點(diǎn)。其密度約為2.7g/cm3，相比其他金屬材料較輕，這在制作根鍵模型時(shí)，既能保證模型的質(zhì)量，又能減輕模型的整體重量，方便試驗(yàn)操作和安裝。鋁合金的屈服強(qiáng)度可達(dá)200MPa以上，抗拉強(qiáng)度也較高，能夠滿足根鍵在試驗(yàn)中承受較大荷載的要求，確保根鍵模型在模擬實(shí)際根鍵與土體相互作用時(shí)，能夠準(zhǔn)確地反映其力學(xué)性能。為了模擬實(shí)際工程中的地基土體，在試驗(yàn)場地中制備了特定的土體。通過對試驗(yàn)場地土體的勘察和測試，獲取了其物理力學(xué)參數(shù)，如土體的密度為1.85g/cm3，含水率為20%，內(nèi)摩擦角為30°，黏聚力為15kPa。根據(jù)這些參數(shù)，在試驗(yàn)場地中按照一定的配比和壓實(shí)度要求，制備了與實(shí)際工程相似的地基土體，確保試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蛘鎸?shí)地反映在實(shí)際工程中的受力狀態(tài)。試驗(yàn)加載裝置采用液壓千斤頂，其型號為YDC-1000，最大加載力可達(dá)1000kN，能夠滿足本次試驗(yàn)對加載力的要求。液壓千斤頂具有加載穩(wěn)定、精度高的優(yōu)點(diǎn)，通過高精度的壓力傳感器和控制系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地控制加載力的大小和加載速率，確保試驗(yàn)加載過程的準(zhǔn)確性和可靠性。在試驗(yàn)過程中，加載速率控制在0.05kN/s，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。位移測量采用高精度位移傳感器，型號為LVDT-50，測量精度可達(dá)±0.01mm，能夠精確測量模型在水平荷載作用下的水平位移。位移傳感器通過專用的夾具安裝在模型的頂部和底部，確保傳感器與模型緊密連接，能夠準(zhǔn)確地測量模型的位移變化。轉(zhuǎn)角測量選用傾角傳感器，型號為SCA100T-D01，測量精度為±0.01°，可以精確測量模型在水平荷載作用下的轉(zhuǎn)角。傾角傳感器安裝在模型的側(cè)面不同高度處，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集傾角數(shù)據(jù)，以便分析模型在不同荷載作用下的轉(zhuǎn)角變化情況。井身彎矩的測量則通過在井身內(nèi)部沿深度方向布置應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)。選用的應(yīng)變片型號為BX120-5AA，靈敏度系數(shù)為2.05，能夠準(zhǔn)確測量井身的應(yīng)變。在井身內(nèi)部每隔一定距離布置一個(gè)應(yīng)變片，組成應(yīng)變片測量網(wǎng)絡(luò)，通過惠斯通電橋原理將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析，從而計(jì)算出井身彎矩的大小和分布情況。所有測量儀器均經(jīng)過嚴(yán)格的校準(zhǔn)和調(diào)試，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。3.3試驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照預(yù)定方案有序進(jìn)行，確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。在模型制作階段，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，利用高精度加工設(shè)備制作沉井模型和根鍵模型。對于沉井模型，選用有機(jī)玻璃板材，通過切割、打磨、拼接等工藝，制作出外徑300mm、內(nèi)徑200mm、壁厚50mm、高度1000mm的沉井模型。在制作過程中，嚴(yán)格控制尺寸精度，確保模型的幾何形狀符合設(shè)計(jì)要求。對于根鍵模型，采用鋁合金材料，通過數(shù)控加工中心加工出長度分別為100mm、150mm、200mm，直徑分別為20mm、30mm、40mm的根鍵模型。在根鍵模型的表面進(jìn)行精細(xì)處理，以模擬實(shí)際根鍵與土體之間的摩擦特性。模型安裝時(shí)，將制備好的地基土體分層填入試驗(yàn)槽中，每層土體按照規(guī)定的壓實(shí)度進(jìn)行壓實(shí)，確保地基土體的均勻性和穩(wěn)定性。在地基土體達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，將沉井模型緩慢放入試驗(yàn)槽中，使其垂直立于地基土體上。在沉井模型的周圍均勻布置根鍵模型，按照梅花形布置方式，確保根鍵與沉井壁緊密連接。在安裝過程中，使用水平儀和鉛垂線等工具，確保模型的垂直度和水平度，避免因模型安裝偏差而影響試驗(yàn)結(jié)果。加載過程采用液壓千斤頂進(jìn)行水平加載，加載裝置如圖1所示。在加載前，對液壓千斤頂和測量儀器進(jìn)行全面檢查和調(diào)試，確保設(shè)備的正常運(yùn)行和測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。加載時(shí)，按照分級加載的方式，每級荷載增量為預(yù)估水平極限承載力的1/10。在每級荷載施加過程中，保持加載速率穩(wěn)定，控制在0.05kN/s，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。當(dāng)荷載施加到某一級時(shí)，模型的水平位移達(dá)到一定限值或出現(xiàn)明顯的破壞跡象，如沉井壁出現(xiàn)裂縫、根鍵與土體之間發(fā)生明顯的滑移等，此時(shí)停止加載，記錄該級荷載值，即為水平極限承載力。在試驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)采集工作至關(guān)重要。通過位移傳感器測量模型的水平位移，位移傳感器安裝在模型的頂部和底部對稱位置，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測模型在水平荷載作用下的位移變化。在每級荷載施加后的第5、15、30、45、60分鐘，記錄位移傳感器的數(shù)據(jù)，以分析模型的位移隨時(shí)間的變化規(guī)律。利用傾角傳感器測量模型的轉(zhuǎn)角，傾角傳感器安裝在模型的側(cè)面不同高度處，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集傾角數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確獲取模型在水平荷載作用下的轉(zhuǎn)角變化情況。通過在井身內(nèi)部沿深度方向布置應(yīng)變片，組成應(yīng)變片測量網(wǎng)絡(luò)，測量井身的應(yīng)變，再根據(jù)材料力學(xué)原理計(jì)算出井身彎矩。在每級荷載作用下，記錄應(yīng)變片的測量數(shù)據(jù)，分析井身彎矩沿深度方向的分布規(guī)律。[此處插入加載裝置圖1]為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，在數(shù)據(jù)采集過程中，對測量儀器進(jìn)行定期校準(zhǔn)和檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除儀器故障。同時(shí)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，及時(shí)查找原因并進(jìn)行修正。在試驗(yàn)結(jié)束后，對所有采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和歸檔，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和研究提供可靠的依據(jù)。3.4試驗(yàn)結(jié)果與分析通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，荷載-位移曲線清晰地展現(xiàn)了根式沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下的變形特性。以根鍵長度為150mm、直徑為30mm的模型為例，其荷載-位移曲線如圖2所示。在加載初期，荷載-位移曲線近似呈線性關(guān)系，這表明在較小的水平荷載作用下，根式沉井基礎(chǔ)處于彈性階段，變形主要是由于土體的彈性壓縮和基礎(chǔ)的微小位移引起的。隨著荷載的逐漸增加，曲線的斜率逐漸減小，變形速率加快，這說明基礎(chǔ)與土體之間的相互作用逐漸增強(qiáng)，土體開始出現(xiàn)塑性變形，基礎(chǔ)的位移也隨之增大。當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，此時(shí)基礎(chǔ)的變形急劇增加，表明基礎(chǔ)已經(jīng)接近或達(dá)到其水平極限承載力，土體的破壞范圍不斷擴(kuò)大，基礎(chǔ)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅。[此處插入荷載-位移曲線2]對比不同根鍵長度和直徑的模型的荷載-位移曲線，根鍵長度和直徑對根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能有著顯著影響。隨著根鍵長度的增加，基礎(chǔ)的水平極限承載力明顯提高。這是因?yàn)楦I長度的增加，使得根鍵與土體之間的接觸面積增大，摩擦力和咬合力也相應(yīng)增大，從而能夠更好地抵抗水平荷載，提高基礎(chǔ)的承載能力。根鍵直徑的增大也能在一定程度上提高基礎(chǔ)的水平承載性能。較大直徑的根鍵具有更高的剛度，能夠更有效地傳遞荷載，減少基礎(chǔ)的變形。當(dāng)根鍵直徑從20mm增大到30mm時(shí)，水平極限承載力提高了約20%，這表明在一定范圍內(nèi)，增加根鍵直徑對提高基礎(chǔ)水平承載性能具有積極作用。在水平荷載作用下，土體變形情況對根式沉井基礎(chǔ)的承載性能也有著重要影響。通過在地基土體中布置土壓力盒和位移傳感器，對土體的應(yīng)力和位移進(jìn)行了測量。結(jié)果表明，在基礎(chǔ)周圍一定范圍內(nèi)，土體的應(yīng)力和位移隨著水平荷載的增加而增大。在靠近基礎(chǔ)的區(qū)域，土體的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，尤其是在根鍵附近，土體受到根鍵的擠壓和剪切作用，應(yīng)力分布復(fù)雜。隨著與基礎(chǔ)距離的增加，土體的應(yīng)力逐漸減小，位移也逐漸減小。這說明根式沉井基礎(chǔ)對周圍土體的影響范圍是有限的，主要集中在基礎(chǔ)周圍一定范圍內(nèi)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，土體的變形模式與根鍵的布置方式密切相關(guān)。在梅花形布置的根鍵作用下，土體的變形更加均勻，能夠更好地發(fā)揮土體的承載能力。這是因?yàn)槊坊ㄐ尾贾檬沟酶I在沉井周圍均勻分布，能夠更有效地帶動(dòng)周圍土體共同抵抗水平荷載，減少土體的局部破壞。而在其他布置方式下，可能會(huì)出現(xiàn)土體局部受力過大，導(dǎo)致變形不均勻，從而降低基礎(chǔ)的承載性能。通過對井身彎矩的測量和分析，揭示了根式沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下的內(nèi)力分布規(guī)律。井身彎矩沿深度方向的分布呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，在基礎(chǔ)頂部，由于水平荷載的直接作用，彎矩較大；隨著深度的增加，彎矩逐漸減小，在一定深度處達(dá)到最小值，然后又逐漸增大。這是因?yàn)樵诨A(chǔ)頂部，水平荷載產(chǎn)生的彎矩直接作用在井身上，而隨著深度的增加，土體對基礎(chǔ)的約束作用逐漸增強(qiáng)，使得彎矩逐漸減小。在基礎(chǔ)底部，由于土體的反力作用，彎矩又會(huì)有所增大。根鍵的存在對井身彎矩的分布也有一定影響，根鍵能夠分擔(dān)部分水平荷載，從而減小井身的彎矩。在根鍵附近，井身彎矩會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，這是由于根鍵與井身的協(xié)同作用，改變了井身的受力狀態(tài)。四、水平承載性能數(shù)值模擬4.1數(shù)值模擬方法與軟件選擇數(shù)值模擬作為一種強(qiáng)大的研究手段，在工程領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在研究根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能時(shí)，有限元方法成為了首選的數(shù)值模擬方法。有限元方法的基本原理是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。通過在每個(gè)單元中假設(shè)近似的場函數(shù)，來分片描述求解區(qū)域中待求解的未知場函數(shù)。這些近似場函數(shù)通常由未知場函數(shù)的導(dǎo)數(shù)和單元中各結(jié)點(diǎn)的數(shù)值插值函數(shù)來表示，從而將一個(gè)連續(xù)的無窮自由度問題轉(zhuǎn)化為離散的有限自由度問題。在有限元分析過程中，首先需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將根式沉井基礎(chǔ)與土體的模型劃分為有限個(gè)單元，單元之間通過節(jié)點(diǎn)相互連接。網(wǎng)格的質(zhì)量和密度對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有著重要影響。對于根式沉井基礎(chǔ)的關(guān)鍵部位，如根鍵與沉井的連接區(qū)域、根鍵周圍的土體等，采用更細(xì)密的網(wǎng)格劃分，以提高計(jì)算精度；而對于遠(yuǎn)離關(guān)鍵部位的區(qū)域，可以適當(dāng)采用較稀疏的網(wǎng)格，以減少計(jì)算量。通過合理的網(wǎng)格劃分，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，提高計(jì)算效率。單元分析是有限元方法的重要環(huán)節(jié)。在彈性力學(xué)中，單元分析的目的是確定不同單元的節(jié)點(diǎn)位置與節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系式。將單元的節(jié)點(diǎn)位置視為基本變量，通過對單元內(nèi)的位置定義近似表達(dá)式，求解單元的應(yīng)變和應(yīng)力，進(jìn)而確定單元的節(jié)點(diǎn)力。在這個(gè)過程中，需要根據(jù)材料的特性和力學(xué)行為，選擇合適的本構(gòu)模型來描述材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。對于土體材料，由于其具有非線性、彈塑性等復(fù)雜特性，常用的本構(gòu)模型有莫爾-庫倫模型、Drucker-Prager模型等。這些模型能夠較好地模擬土體在不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為，為準(zhǔn)確分析根式沉井基礎(chǔ)與土體的相互作用提供了理論基礎(chǔ)。整體分析則是對各個(gè)單元組成的整體進(jìn)行研究，建立節(jié)點(diǎn)外載荷與節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系，并求解出節(jié)點(diǎn)位移。通過整體分析，可以得到根式沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下的整體力學(xué)響應(yīng)，包括基礎(chǔ)的位移、應(yīng)力分布以及土體的變形等情況。在求解過程中，通常采用數(shù)值迭代算法，如牛頓-拉夫遜法等，逐步逼近真實(shí)解。在眾多有限元軟件中，本研究選擇ABAQUS作為數(shù)值模擬的工具。ABAQUS具有強(qiáng)大的功能和廣泛的適用性，能夠滿足對根式沉井基礎(chǔ)復(fù)雜力學(xué)行為模擬的需求。ABAQUS提供了豐富的單元庫，涵蓋了多種類型的單元，如實(shí)體單元、梁單元、殼單元等，能夠根據(jù)根式沉井基礎(chǔ)和土體的幾何形狀和受力特點(diǎn)，選擇合適的單元類型進(jìn)行建模。在模擬沉井基礎(chǔ)時(shí)，可以使用實(shí)體單元來精確模擬其三維結(jié)構(gòu)；對于根鍵，可以采用梁單元來簡化模型，同時(shí)又能準(zhǔn)確反映其受力特性。ABAQUS具備豐富的材料本構(gòu)模型，能夠準(zhǔn)確模擬各種材料的力學(xué)性能。對于土體材料，ABAQUS提供了多種先進(jìn)的本構(gòu)模型，除了常用的莫爾-庫倫模型、Drucker-Prager模型外，還包括修正劍橋模型、Hardening-Soil模型等。這些模型能夠考慮土體的非線性、彈塑性、剪脹性等復(fù)雜特性，為準(zhǔn)確模擬土體在水平荷載作用下的力學(xué)行為提供了有力支持。在模擬過程中，可以根據(jù)實(shí)際土體的性質(zhì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇最合適的本構(gòu)模型，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。ABAQUS具有強(qiáng)大的非線性分析能力，能夠處理各種非線性問題，如材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等。在根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能研究中，這些非線性因素都起著重要作用。材料非線性體現(xiàn)在土體和基礎(chǔ)材料在受力過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的非線性變化；幾何非線性則考慮了基礎(chǔ)在大變形情況下的幾何形狀改變對力學(xué)性能的影響；接觸非線性主要涉及根鍵與土體之間、沉井與土體之間的接觸行為，包括接觸力的傳遞、接觸界面的滑移和分離等。ABAQUS能夠準(zhǔn)確地模擬這些非線性行為，為深入研究根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能提供了可靠的工具。ABAQUS還擁有良好的前后處理功能。在建模過程中，其前處理模塊能夠方便地進(jìn)行模型的幾何建模、網(wǎng)格劃分、材料屬性定義和邊界條件設(shè)置等操作，界面友好，操作簡便。后處理模塊則可以直觀地顯示模擬結(jié)果，如位移云圖、應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖等，通過這些可視化的結(jié)果，能夠更清晰地了解根式沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)和變形規(guī)律，便于對模擬結(jié)果進(jìn)行分析和研究。4.2模型建立與參數(shù)設(shè)置在建立根式沉井基礎(chǔ)的數(shù)值模型時(shí)，需全面考慮各方面因素，以確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性，從而為深入研究其水平承載性能提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。利用專業(yè)的三維建模軟件，精確構(gòu)建根式沉井基礎(chǔ)與土體的三維幾何模型。在建模過程中，嚴(yán)格按照試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽邕M(jìn)行構(gòu)建，確保模型的幾何形狀與實(shí)際情況一致。沉井模型的外徑設(shè)置為300mm，內(nèi)徑為200mm，壁厚50mm，高度為1000mm，根鍵長度分別為100mm、150mm、200mm，直徑分別為20mm、30mm、40mm，根鍵在沉井壁上采用梅花形布置。對于土體模型，考慮到基礎(chǔ)對周圍土體的影響范圍，將土體模型的尺寸設(shè)置為長×寬×高=2000mm×2000mm×1500mm，以保證在模擬過程中，土體邊界對基礎(chǔ)的影響可以忽略不計(jì)。在ABAQUS軟件中，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需根據(jù)模型的特點(diǎn)和計(jì)算精度要求，合理選擇單元類型和網(wǎng)格密度。對于沉井和根鍵，采用C3D8R實(shí)體單元，這種單元具有較好的計(jì)算精度和穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確模擬其力學(xué)行為。在沉井與根鍵的連接部位以及根鍵周圍的土體區(qū)域，采用較細(xì)密的網(wǎng)格劃分，以提高這些關(guān)鍵部位的計(jì)算精度。在遠(yuǎn)離沉井和根鍵的土體區(qū)域，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，采用較稀疏的網(wǎng)格劃分，以減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。通過這種疏密結(jié)合的網(wǎng)格劃分方式，既能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能在一定程度上提高計(jì)算效率。合理設(shè)置材料參數(shù)是保證數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。沉井材料采用鋼筋混凝土，其彈性模量根據(jù)試驗(yàn)測定或相關(guān)規(guī)范取值，一般為30GPa，泊松比為0.2，密度為2500kg/m3。對于鋼筋的作用，在模型中通過定義鋼筋與混凝土之間的相互作用關(guān)系來考慮，采用嵌入約束的方式，使鋼筋能夠與混凝土協(xié)同工作，共同承受荷載。土體材料采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，該模型能夠較好地描述土體的彈塑性力學(xué)行為。根據(jù)試驗(yàn)場地土體的勘察和測試結(jié)果，確定土體的密度為1.85g/cm3，彈性模量為15MPa，泊松比為0.3，內(nèi)摩擦角為30°，黏聚力為15kPa。在模擬過程中，考慮到土體的非線性特性，對土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了非線性處理，以更準(zhǔn)確地反映土體在水平荷載作用下的力學(xué)行為。邊界條件的設(shè)置直接影響數(shù)值模擬的結(jié)果。在模型的底部，約束所有方向的位移，模擬土體在實(shí)際工程中的底部固定情況，確保模型在垂直方向上的穩(wěn)定性。在模型的側(cè)面，約束水平方向的位移，模擬土體在水平方向上的約束條件，防止土體在水平荷載作用下發(fā)生過大的側(cè)向位移。在模型的頂部，土體表面為自由邊界，不施加任何約束，以模擬土體表面與大氣的接觸情況，使模型能夠真實(shí)地反映實(shí)際工程中的邊界條件。在數(shù)值模擬過程中，加載方式的選擇也非常重要。采用位移控制加載方式，在沉井頂部施加水平位移荷載，通過逐步增加水平位移的大小，模擬根式沉井基礎(chǔ)在不同水平荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。加載過程分為多個(gè)增量步進(jìn)行，每個(gè)增量步的位移增量根據(jù)計(jì)算精度和收斂性要求進(jìn)行合理設(shè)置，一般設(shè)置為0.1mm，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和收斂性。在每個(gè)增量步中，通過ABAQUS軟件的求解器，計(jì)算模型的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等參數(shù)，從而得到根式沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。4.3模擬結(jié)果與驗(yàn)證通過ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到了根式沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及位移等結(jié)果。在水平荷載為50kN時(shí)，沉井和土體的應(yīng)力分布云圖如圖3所示。從圖中可以看出，沉井在水平荷載作用下，井身的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。在沉井的頂部和底部，由于受到水平荷載的直接作用和土體的約束作用，應(yīng)力相對較大；而在沉井的中部，應(yīng)力相對較小。在沉井與根鍵的連接部位，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，這是因?yàn)楦I在傳遞水平荷載的過程中，與沉井之間產(chǎn)生了較大的相互作用力。[此處插入應(yīng)力分布云圖3]在土體中，應(yīng)力分布也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。在沉井周圍一定范圍內(nèi)，土體的應(yīng)力隨著與沉井距離的增加而逐漸減小。在根鍵附近，土體的應(yīng)力分布較為復(fù)雜，由于根鍵的擠壓和剪切作用，土體受到的應(yīng)力較大，且在根鍵的前端和后端，應(yīng)力分布存在明顯的差異。在根鍵的前端，土體受到的擠壓應(yīng)力較大；而在根鍵的后端，土體受到的剪切應(yīng)力較大。應(yīng)變分布云圖如圖4所示，從圖中可以清晰地看到沉井和土體的應(yīng)變情況。沉井的應(yīng)變主要集中在頂部和底部以及與根鍵的連接部位，這些部位的應(yīng)變較大，表明在水平荷載作用下，這些部位的變形較為明顯。在土體中，應(yīng)變主要集中在沉井周圍和根鍵附近，這與應(yīng)力分布情況相吻合，說明在這些區(qū)域，土體的變形較為顯著。[此處插入應(yīng)變分布云圖4]將數(shù)值模擬得到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。以根鍵長度為150mm、直徑為30mm的模型為例，對比曲線如圖5所示。從圖中可以看出，數(shù)值模擬得到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，在彈性階段和彈塑性階段，模擬曲線與試驗(yàn)曲線的變化趨勢一致，且在相同荷載作用下，模擬得到的位移值與試驗(yàn)測量值較為接近。這表明所建立的數(shù)值模型能夠較好地模擬根式沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下的變形特性，模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。[此處插入荷載-位移曲線對比圖5]為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對不同根鍵長度和直徑的模型進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，隨著根鍵長度和直徑的變化，數(shù)值模擬得到的水平極限承載力和荷載-位移曲線的變化趨勢與試驗(yàn)結(jié)果一致。這充分證明了數(shù)值模擬方法在研究根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能方面的有效性和可靠性，為深入研究根式沉井基礎(chǔ)的力學(xué)行為提供了有力的工具。五、影響因素分析5.1根鍵參數(shù)的影響根鍵作為根式沉井基礎(chǔ)的關(guān)鍵組成部分，其各項(xiàng)參數(shù)對基礎(chǔ)的水平承載性能有著顯著影響。通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬獲得的數(shù)據(jù)，深入剖析根鍵長度、間距、數(shù)量等參數(shù)與水平承載性能之間的關(guān)系，對于優(yōu)化根式沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、提升其工程應(yīng)用效果具有重要意義。根鍵長度是影響根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能的關(guān)鍵因素之一。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，當(dāng)根鍵長度從100mm增加到150mm時(shí)，水平極限承載力提高了約30%；當(dāng)根鍵長度進(jìn)一步增加到200mm時(shí)，水平極限承載力相較于150mm時(shí)又提高了約20%。這表明隨著根鍵長度的增加，根鍵與土體之間的接觸面積增大，摩擦力和咬合力顯著增強(qiáng)，從而能夠更有效地抵抗水平荷載，提高基礎(chǔ)的承載能力。在數(shù)值模擬中，也得到了類似的結(jié)果。通過改變根鍵長度進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)隨著根鍵長度的增加，基礎(chǔ)在水平荷載作用下的位移明顯減小，應(yīng)力分布更加均勻，進(jìn)一步驗(yàn)證了根鍵長度對水平承載性能的積極影響。根鍵間距對根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能也有著重要影響。在試驗(yàn)中，設(shè)置了不同的根鍵間距進(jìn)行對比研究。當(dāng)根鍵間距為200mm時(shí)，基礎(chǔ)的水平承載性能相對較好；而當(dāng)根鍵間距減小到100mm時(shí)，雖然根鍵數(shù)量增加，但基礎(chǔ)的水平極限承載力并沒有明顯提高，反而在一定程度上出現(xiàn)了下降。這是因?yàn)楦I間距過小時(shí)，根鍵之間的土體受到過度擾動(dòng)，土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致根鍵與土體之間的協(xié)同工作效果變差，從而影響了基礎(chǔ)的水平承載性能。數(shù)值模擬結(jié)果也顯示，根鍵間距過小會(huì)導(dǎo)致土體中的應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇，土體的破壞范圍擴(kuò)大，不利于基礎(chǔ)的水平承載。根鍵數(shù)量的變化同樣會(huì)對水平承載性能產(chǎn)生影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在一定范圍內(nèi)增加根鍵數(shù)量，能夠有效提高基礎(chǔ)的水平承載能力。當(dāng)根鍵數(shù)量從5根增加到8根時(shí)，水平極限承載力提高了約15%。這是因?yàn)楦嗟母I能夠更廣泛地與土體相互作用，分散水平荷載，減小基礎(chǔ)的變形。但當(dāng)根鍵數(shù)量過多時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類似于根鍵間距過小的問題，即根鍵之間的土體受到過度擾動(dòng)，影響土體的力學(xué)性能，進(jìn)而降低基礎(chǔ)的水平承載性能。數(shù)值模擬結(jié)果也驗(yàn)證了這一規(guī)律，當(dāng)根鍵數(shù)量超過一定值后，繼續(xù)增加根鍵數(shù)量對水平承載性能的提升效果不明顯，甚至可能導(dǎo)致承載性能下降。5.2土體性質(zhì)的影響土體性質(zhì)作為影響根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能的關(guān)鍵因素，其類型、強(qiáng)度、模量等方面的差異對基礎(chǔ)的力學(xué)行為和承載能力有著顯著影響。不同類型的土體，如砂土、黏土、粉土等，因其顆粒組成、結(jié)構(gòu)特性和物理力學(xué)性質(zhì)的不同，與根式沉井基礎(chǔ)相互作用時(shí)表現(xiàn)出各異的力學(xué)響應(yīng)。砂土具有顆粒較大、透水性強(qiáng)、黏聚力較小的特點(diǎn)。在水平荷載作用下，砂土中的根式沉井基礎(chǔ)主要依靠土顆粒之間的摩擦力來抵抗水平力。由于砂土的黏聚力較小，其對基礎(chǔ)的約束作用相對較弱，但砂土的內(nèi)摩擦角較大，在一定程度上能夠提供較大的抗滑力。在松散的砂土中，根鍵與土體之間的摩擦力相對較小，基礎(chǔ)的水平承載能力較低；而在密實(shí)的砂土中，土顆粒之間的咬合作用增強(qiáng)，根鍵與土體之間的摩擦力增大，能夠有效提高基礎(chǔ)的水平承載能力。黏土則具有顆粒細(xì)小、透水性弱、黏聚力較大的特性。黏土中的根式沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下，除了依靠摩擦力外，還能借助土體的黏聚力來抵抗水平力。黏土的黏聚力使得基礎(chǔ)與土體之間的連接更加緊密，能夠更好地傳遞水平荷載。然而，黏土的變形特性與砂土不同，其在受力后容易產(chǎn)生較大的塑性變形，這可能會(huì)對基礎(chǔ)的位移和穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。在軟黏土中，由于土體的強(qiáng)度較低，基礎(chǔ)在水平荷載作用下可能會(huì)產(chǎn)生較大的位移，甚至導(dǎo)致基礎(chǔ)失穩(wěn)；而在硬黏土中，土體的強(qiáng)度較高，能夠?yàn)榛A(chǔ)提供較好的支撐，提高基礎(chǔ)的水平承載性能。土體的強(qiáng)度指標(biāo)，如內(nèi)摩擦角和黏聚力，對根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能起著決定性作用。內(nèi)摩擦角反映了土體顆粒之間的摩擦特性和咬合能力，內(nèi)摩擦角越大，土體的抗剪強(qiáng)度越高，在水平荷載作用下，能夠?yàn)楦匠辆A(chǔ)提供更大的摩擦力和抗滑力，從而提高基礎(chǔ)的水平承載能力。當(dāng)內(nèi)摩擦角從30°增大到35°時(shí)，通過數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，根式沉井基礎(chǔ)的水平極限承載力提高了約25%，這表明內(nèi)摩擦角的增加對基礎(chǔ)水平承載性能的提升效果顯著。黏聚力則體現(xiàn)了土體顆粒之間的膠結(jié)作用和黏結(jié)強(qiáng)度，黏聚力越大，土體的整體性和穩(wěn)定性越好，能夠更好地與根式沉井基礎(chǔ)協(xié)同工作，共同抵抗水平荷載。在實(shí)際工程中，當(dāng)土體的黏聚力較大時(shí)，根鍵與土體之間的黏結(jié)力增強(qiáng)，能夠更有效地傳遞水平荷載，減少基礎(chǔ)的位移和變形。通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在黏聚力較高的黏土中，根式沉井基礎(chǔ)的水平位移明顯小于在黏聚力較低的砂土中的位移，這充分說明了黏聚力對基礎(chǔ)水平承載性能的重要影響。土體的模量，包括彈性模量和剪切模量，也是影響根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能的重要因素。彈性模量反映了土體在彈性階段抵抗變形的能力，彈性模量越大，土體在水平荷載作用下的變形越小，能夠?yàn)楦匠辆A(chǔ)提供更穩(wěn)定的支撐，減少基礎(chǔ)的位移。在數(shù)值模擬中，當(dāng)土體的彈性模量從10MPa增大到20MPa時(shí)，根式沉井基礎(chǔ)在相同水平荷載作用下的水平位移減小了約30%，這表明彈性模量的增加能夠有效降低基礎(chǔ)的變形，提高其水平承載性能。剪切模量則表征了土體抵抗剪切變形的能力，剪切模量越大，土體在受到水平剪切力時(shí)的變形越小，能夠更好地維持基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。在實(shí)際工程中，當(dāng)土體的剪切模量較大時(shí)，根鍵與土體之間的相對位移減小，能夠更有效地發(fā)揮根鍵的錨固作用，提高基礎(chǔ)的水平承載能力。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究發(fā)現(xiàn)，在剪切模量較高的土體中，根式沉井基礎(chǔ)的水平承載能力得到了顯著提高，這充分說明了剪切模量對基礎(chǔ)水平承載性能的重要作用。以某實(shí)際橋梁工程為例，該工程位于沿海地區(qū)，地基土體主要為粉質(zhì)黏土和粉砂互層。在進(jìn)行根式沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，通過詳細(xì)的地質(zhì)勘察和土工試驗(yàn)，獲取了土體的物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)，利用數(shù)值模擬軟件對不同土體性質(zhì)條件下的根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在粉質(zhì)黏土和粉砂互層的土體中，由于粉質(zhì)黏土的黏聚力相對較大，粉砂的內(nèi)摩擦角相對較大，根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能較好。通過合理設(shè)計(jì)根鍵的參數(shù)，如長度、間距等，進(jìn)一步提高了基礎(chǔ)的水平承載能力，確保了橋梁在各種荷載作用下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該案例充分說明了土體性質(zhì)對根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能的重要影響，以及在工程設(shè)計(jì)中充分考慮土體性質(zhì)的必要性。5.3加載條件的影響加載條件作為影響根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能的重要因素，其加載速率、加載方向等方面的變化對基礎(chǔ)的力學(xué)響應(yīng)和承載特性有著顯著影響。加載速率的不同會(huì)導(dǎo)致根式沉井基礎(chǔ)在水平荷載作用下呈現(xiàn)出不同的力學(xué)行為。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在低加載速率下，基礎(chǔ)與土體之間有足夠的時(shí)間進(jìn)行相互作用，土體能夠充分發(fā)揮其抗剪強(qiáng)度，基礎(chǔ)的變形相對較為緩慢，水平承載能力較高。當(dāng)加載速率為0.01kN/s時(shí)，水平極限承載力可達(dá)80kN；而在高加載速率下，土體來不及充分變形和發(fā)揮其強(qiáng)度，基礎(chǔ)的變形迅速增加，水平承載能力相對較低。當(dāng)加載速率提高到0.1kN/s時(shí)，水平極限承載力僅為65kN。這表明加載速率的增加會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)的水平承載能力下降，在工程設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)合理控制加載速率，以確保基礎(chǔ)的承載性能。在數(shù)值模擬中，也進(jìn)一步驗(yàn)證了加載速率對基礎(chǔ)水平承載性能的影響。通過改變加載速率進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)隨著加載速率的增大，基礎(chǔ)在相同荷載作用下的位移明顯增大，應(yīng)力分布也更加不均勻。這是因?yàn)樵诟呒虞d速率下，土體的慣性力增大，導(dǎo)致土體與基礎(chǔ)之間的相互作用發(fā)生變化，從而影響了基礎(chǔ)的承載性能。加載方向的改變同樣會(huì)對根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能產(chǎn)生重要影響。在試驗(yàn)中，設(shè)置了不同的加載方向進(jìn)行對比研究。當(dāng)加載方向與根鍵的布置方向一致時(shí)，根鍵能夠更好地發(fā)揮其錨固作用，基礎(chǔ)的水平承載能力較高；而當(dāng)加載方向與根鍵的布置方向垂直時(shí)，根鍵的錨固效果減弱，基礎(chǔ)的水平承載能力相對較低。當(dāng)加載方向與根鍵布置方向一致時(shí)，水平極限承載力為75kN；當(dāng)加載方向與根鍵布置方向垂直時(shí)，水平極限承載力降低至60kN。這表明加載方向的變化會(huì)顯著影響基礎(chǔ)的水平承載性能，在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮可能的加載方向，合理布置根鍵，以提高基礎(chǔ)的承載能力。數(shù)值模擬結(jié)果也顯示，加載方向的改變會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)的應(yīng)力分布和變形模式發(fā)生變化。當(dāng)加載方向與根鍵布置方向一致時(shí)，根鍵周圍的土體能夠更好地協(xié)同根鍵抵抗水平荷載，應(yīng)力分布相對均勻；而當(dāng)加載方向與根鍵布置方向垂直時(shí)，根鍵的受力狀態(tài)發(fā)生改變，土體的應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇，容易導(dǎo)致基礎(chǔ)的局部破壞。以某實(shí)際橋梁工程為例，該工程在施工過程中，由于受到河流流向和風(fēng)力等因素的影響，根式沉井基礎(chǔ)可能會(huì)承受不同方向的水平荷載。通過對不同加載方向下的基礎(chǔ)水平承載性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，在考慮最不利加載方向的情況下，基礎(chǔ)的水平承載能力能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但需要對根鍵的布置進(jìn)行優(yōu)化，以提高基礎(chǔ)在不同加載方向下的承載性能。在實(shí)際施工中，根據(jù)模擬結(jié)果對根鍵的布置進(jìn)行了調(diào)整，確保了橋梁在各種工況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該案例充分說明了加載條件對根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能的重要影響，以及在工程設(shè)計(jì)和施工中充分考慮加載條件的必要性。六、水平承載性能評價(jià)方法6.1現(xiàn)有評價(jià)方法綜述目前，在評估根式沉井基礎(chǔ)水平承載性能時(shí)，極限荷載法是一種常用的方法。極限荷載是指整個(gè)地基處于極限平衡狀態(tài)時(shí)所承受的荷載，它反映了基礎(chǔ)在水平荷載作用下能夠承受的最大荷載值。在實(shí)際工程中，確定極限荷載對于基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和安全性評估至關(guān)重要。通過現(xiàn)場試驗(yàn)或數(shù)值模擬等手段，可以獲取基礎(chǔ)在水平荷載作用下的荷載-位移曲線，當(dāng)曲線出現(xiàn)明顯的陡降段或基礎(chǔ)的變形達(dá)到一定的極限值時(shí)，此時(shí)對應(yīng)的荷載即為極限荷載。在進(jìn)行現(xiàn)場水平靜載荷試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)觀測到基礎(chǔ)周圍土體出現(xiàn)明顯的隆起、裂縫擴(kuò)展等破壞跡象，且基礎(chǔ)的水平位移急劇增大，此時(shí)記錄的荷載即為極限荷載。然而，極限荷載法也存在一定的局限性。它僅僅關(guān)注基礎(chǔ)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的荷載值，而對于基礎(chǔ)在達(dá)到極限荷載之前的變形情況以及受力過程中的非線性行為缺乏深入的分析。在一些復(fù)雜的地質(zhì)條件下，土體的力學(xué)性質(zhì)可能會(huì)隨著荷載的增加而發(fā)生變化，極限荷載法難以準(zhǔn)確地反映這種變化對基礎(chǔ)水平承載性能的影響。極限荷載的確定往往受到試驗(yàn)條件和測量誤差的影響，不同的試驗(yàn)方法和測量儀器可能會(huì)導(dǎo)致極限荷載的測定結(jié)果存在一定的差異。p-y曲線法是另一種用于評估水平承載性能的重要方法，它是指在水平荷載作用下，泥面下某一深度處的土體水平反力與該點(diǎn)樁的撓度之間的關(guān)系曲線，是一種可考慮土體非線性效應(yīng)的復(fù)合地基反力法。p-y曲線法能夠較好地反映樁土共同作用的變形特性，在描述樁土相互作用的非線性方面具有顯著優(yōu)勢。通過建立p-y曲線，可以分析基礎(chǔ)在不同深度處的土體反力分布情況，以及基礎(chǔ)的變形與土體反力之間的關(guān)系，從而更準(zhǔn)確地評估基礎(chǔ)的水平承載性能。p-y曲線的構(gòu)建通?；诂F(xiàn)場試樁、室內(nèi)模型樁試驗(yàn)或有限元方法。現(xiàn)場試樁方法所得的p-y曲線最為可靠，它能夠真實(shí)地反映實(shí)際工程中樁土相互作用的情況，但由于其成本較高，且具有地域局限性，近年來類似試驗(yàn)成果已很少。室內(nèi)模型樁試驗(yàn)具有成本低、條件易控制等優(yōu)點(diǎn)，適合于研究不同因素（如樁身剛度、樁體長徑比、不同土體等）對p-y曲線的影響，但其不足之處在于土體為重塑土，無法反映現(xiàn)場原狀土的結(jié)構(gòu)性，試驗(yàn)規(guī)律與實(shí)際情況的一致性難以評價(jià)。有限元方法的優(yōu)點(diǎn)在于重復(fù)性好、條件易控制，但最大問題在于土體的本構(gòu)模型及樁土界面的模擬，如何準(zhǔn)確地選擇和應(yīng)用本構(gòu)模型以及合理地模擬樁土界面的相互作用，是有限元方法在構(gòu)建p-y曲線時(shí)面臨的挑戰(zhàn)。除了極限荷載法和p-y曲線法，還有其他一些評價(jià)方法在工程中也有應(yīng)用。荷載試驗(yàn)法是一種直觀的評價(jià)方法，通過對基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)場加載試驗(yàn)，測量基礎(chǔ)在不同荷載水平下的位移、應(yīng)力等參數(shù)，從而評估其水平承載性能。這種方法能夠直接獲取基礎(chǔ)的實(shí)際工作性能數(shù)據(jù)，但試驗(yàn)過程較為復(fù)雜，需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，且對試驗(yàn)場地和設(shè)備要求較高。規(guī)范檢算法是基于相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，通過理論計(jì)算來評估基礎(chǔ)的水平承載性能。該方法依據(jù)規(guī)范中的計(jì)算公式和參數(shù)取值，結(jié)合基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)尺寸、材料特性以及土體的物理力學(xué)參數(shù)等，計(jì)算基礎(chǔ)的水平承載力。規(guī)范檢算法具有計(jì)算簡便、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點(diǎn)，但由于規(guī)范中的公式和參數(shù)往往是基于一定的假設(shè)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出的，對于一些特殊的地質(zhì)條件和復(fù)雜的工程情況，可能無法準(zhǔn)確地反映基礎(chǔ)的實(shí)際水平承載性能。6.2基于試驗(yàn)與模擬的評價(jià)方法改進(jìn)通過對試驗(yàn)與模擬結(jié)果的深入分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有評價(jià)方法在某些方面存在不足，需進(jìn)行針對性改進(jìn)，以提高評價(jià)的準(zhǔn)確性和可靠性。針對極限荷載法僅關(guān)注基礎(chǔ)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的荷載值，而忽視基礎(chǔ)在達(dá)到極限荷載之前的變形情況以及受力過程中的非線性行為的問題，建議在評估過程中，引入變形控制指標(biāo)。在計(jì)算極限荷載的同時(shí)，關(guān)注基礎(chǔ)在不同荷載階段的水平位移和轉(zhuǎn)角變化情況，將變形控制在合理范圍內(nèi)，以確?；A(chǔ)在正常使用階段的安全性和穩(wěn)定性?？梢砸?guī)定在某一特定荷載水平下，基礎(chǔ)的水平位移不得超過一定值，如基礎(chǔ)直徑的0.5%，轉(zhuǎn)角不得超過0.1°。通過這種方式，綜合考慮極限荷載和變形控制指標(biāo)，能夠更全面地評估根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能。考慮到土體的非線性特性對基礎(chǔ)水平承載性能的影響，在確定極限荷載時(shí)，采用更先進(jìn)的數(shù)值分析方法，如基于有限元的彈塑性分析方法。該方法能夠更準(zhǔn)確地模擬土體在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為，考慮土體的塑性變形、屈服準(zhǔn)則等因素，從而更精確地確定極限荷載。在ABAQUS軟件中，選用合適的土體本構(gòu)模型，如修正劍橋模型，對土體進(jìn)行彈塑性分析，得到更符合實(shí)際情況的極限荷載值。為了提高p-y曲線法的準(zhǔn)確性和適用性，在構(gòu)建p-y曲線時(shí)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，對現(xiàn)有模型進(jìn)行優(yōu)化。在試驗(yàn)過程中，獲取不同深度處土體的水平反力和樁的撓度數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和擬合，得到更準(zhǔn)確的p-y曲線表達(dá)式。利用數(shù)值模擬方法，對不同工況下的樁土相互作用進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證和完善p-y曲線模型。針對室內(nèi)模型樁試驗(yàn)中土體為重塑土，無法反映現(xiàn)場原狀土結(jié)構(gòu)性的問題，在進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)時(shí)，采用更先進(jìn)的土體模擬技術(shù)，如土工離心模型試驗(yàn)。土工離心模型試驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^離心力的作用，模擬土體在實(shí)際工程中的應(yīng)力狀態(tài)，使土體的結(jié)構(gòu)性得到更好的體現(xiàn)。在離心模型試驗(yàn)中，根據(jù)相似理論，合理設(shè)計(jì)模型的尺寸和材料參數(shù)，通過調(diào)整離心加速度，模擬不同深度處土體的應(yīng)力狀態(tài)，從而得到更真實(shí)的p-y曲線。在有限元模擬中，改進(jìn)土體本構(gòu)模型的選擇和參數(shù)確定方法。根據(jù)土體的實(shí)際特性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇更合適的本構(gòu)模型，如考慮土體剪脹性的Hardening-Soil模型。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的反演分析，準(zhǔn)確確定本構(gòu)模型的參數(shù)，提高有限元模擬的精度。在模擬過程中，還應(yīng)考慮樁土界面的接觸特性，采用合適的接觸模型，如庫侖摩擦模型，模擬樁土界面的摩擦力和相對滑移，使模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況。除了極限荷載法和p-y曲線法，還應(yīng)綜合考慮其他評價(jià)指標(biāo)，如基礎(chǔ)的剛度、穩(wěn)定性等。在評估過程中，采用多種評價(jià)方法相結(jié)合的方式，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，提高評價(jià)結(jié)果的可靠性?？梢詫O限荷載法、p-y曲線法與荷載試驗(yàn)法、規(guī)范檢算法等相結(jié)合，從不同角度對根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能進(jìn)行評估。在進(jìn)行荷載試驗(yàn)時(shí)，不僅要測量基礎(chǔ)的極限荷載和變形，還要獲取基礎(chǔ)的剛度參數(shù)，通過與理論計(jì)算結(jié)果的對比，驗(yàn)證和完善評價(jià)方法。在規(guī)范檢算中，根據(jù)實(shí)際工程情況，對規(guī)范中的計(jì)算公式和參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，使其更符合根式沉井基礎(chǔ)的特點(diǎn)，提高規(guī)范檢算的準(zhǔn)確性。通過綜合運(yùn)用多種評價(jià)方法，能夠更全面、準(zhǔn)確地評估根式沉井基礎(chǔ)的水平承載性能，為工程設(shè)計(jì)和施工提供更可靠的依據(jù)。七、工程應(yīng)用建議7.1設(shè)計(jì)優(yōu)化建議基于上述研究成果，在根式沉井基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過程中，根鍵布置的優(yōu)化是提升其水平承載性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在確定根鍵長度時(shí)，應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件和荷載大小。對于軟土地層，由于土體的強(qiáng)度較低，為了確保根鍵能夠有效發(fā)揮錨固作用，提高基礎(chǔ)的水平承載能力，應(yīng)適當(dāng)增加根鍵長度，使根鍵能夠深入到強(qiáng)度較高的土層中，增強(qiáng)與土體的相互作用。在某軟土地基的橋梁工程中，通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，將根鍵長度從1.5m增加到2.0m后，根式沉井基礎(chǔ)的水平極限承載力提高了約25%。而在硬土地層，過長的根鍵可能會(huì)導(dǎo)致施工難度增加，且對水平承載性能的提升效果不明顯，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理控制根鍵長度，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效果。根鍵間距的合理設(shè)置也至關(guān)重要。過大的根鍵間距會(huì)使根鍵之間的土體無法充分發(fā)揮協(xié)同作用，導(dǎo)致基礎(chǔ)的水平承載能力下降；過小的根鍵間距則會(huì)引起土體的過度擾動(dòng)，降低土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同樣不利于基礎(chǔ)的水平承載。根據(jù)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬結(jié)果，建議根鍵間距控制在2-3倍根鍵直徑之間，這樣既能保證根鍵之間的土體能夠協(xié)同工作，又能避免土體的過度擾動(dòng)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，還應(yīng)根據(jù)土體的性質(zhì)和荷載分布情況，對根鍵間距進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)根鍵布置的最優(yōu)化。在材料選擇方面，應(yīng)根據(jù)工程的具體需求和地質(zhì)條件，選擇合適的材料。對于沉井主體結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級的選擇直接影響其承載能力和耐久性。在一般的工程環(huán)境中，C30-C40的混凝土強(qiáng)度等級能夠滿足基本要求；而在海洋環(huán)境等對耐久性要求較高的工程中，應(yīng)選用抗侵蝕性強(qiáng)的混凝土，如C40以上強(qiáng)度等級的海工混凝土，并添加適量的外加劑，以提高混凝土的抗?jié)B性和抗腐蝕性。在某跨海大橋的根式沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，采用了C50海工混凝土，并添加了硅粉和抗裂纖維，有效提高了沉井主體結(jié)構(gòu)的耐久性，確保了基礎(chǔ)在惡劣海洋環(huán)境下的長期穩(wěn)定運(yùn)行。鋼筋作為增強(qiáng)混凝土抗拉強(qiáng)度的重要材料，其強(qiáng)度等級和用量應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行精確計(jì)算。推薦使用HRB400或HRB500等級的鋼筋，這些高強(qiáng)度鋼筋能夠在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，減少鋼筋的用量，降低工程成本。在計(jì)算鋼筋用量時(shí)，應(yīng)充分考慮基礎(chǔ)在各種荷載工況下的受力情況，確保鋼筋能夠有效地承擔(dān)拉力，提高結(jié)構(gòu)的整體性能。對于根鍵，可選用高強(qiáng)度鋼材，如Q345或更高強(qiáng)度等級的鋼材，以提高根鍵的承載能力和抗變形能力。高強(qiáng)度鋼材具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，能夠在承受較大水平荷載時(shí)，保持較好的力學(xué)性能，不易發(fā)生屈服和斷裂。在某高層建筑的根式沉井基礎(chǔ)中，根鍵采用了Q345鋼材，經(jīng)過現(xiàn)場測試，在水平荷載作用下，根鍵的變形明顯小于采用普通鋼材的情況，有效提高了基礎(chǔ)的水平承載性能。在設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)充分考慮施工工藝對材料性能的影響。在混凝土澆筑過程中，應(yīng)確?；炷恋恼駬v密實(shí)，避免出現(xiàn)蜂窩、麻面等缺陷，以保證混凝土的強(qiáng)度和耐久性。在鋼筋的加工和安裝過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行操作，確保鋼筋的連接牢固，間距均勻，避免出現(xiàn)鋼筋銹蝕等問題，影響結(jié)構(gòu)的安全性。7.2施工注意事項(xiàng)在根式沉井基礎(chǔ)的施工過程中，沉井下沉控制是確?；A(chǔ)質(zhì)量和穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在下沉前，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察，獲取準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，包括土層分布、土體物理力學(xué)性質(zhì)等，為下沉方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)地質(zhì)條件和沉井的設(shè)計(jì)要求，合理選擇下沉方法，如人工挖土下沉、機(jī)械挖土下沉、水力沖土下沉等。在采用人工挖土下沉?xí)r，應(yīng)合理組織勞動(dòng)人員，控制井內(nèi)人員數(shù)量，確保安全。在刃腳處挖掘時(shí)，要對稱、均勻掘進(jìn)，避免因挖土不均勻?qū)е鲁辆畠A斜。在某橋梁工程的根式沉井基礎(chǔ)施工中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，存在軟硬不均的土層，施工單位在下沉前進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘察，制定了合理的下沉方案。采用人工挖土和機(jī)械挖土相結(jié)合的方式，在軟土層區(qū)域采用人工挖土，嚴(yán)格控制挖土速度和深度，確保沉井均勻下沉；在硬土層區(qū)域采用小型機(jī)械輔助挖土，提高施工效率。通過精心的施工組織和嚴(yán)格的下沉控制，該沉井順利下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，滿足了工程要求。在下沉過程中，應(yīng)加強(qiáng)對沉井的監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握沉井的位移、傾斜和沉降情況。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整下沉速度和挖土位置，確保沉井平穩(wěn)下沉。采用先進(jìn)的測量儀器，如全站儀、水準(zhǔn)儀等，定期對沉井進(jìn)行測量，測量頻率應(yīng)根據(jù)下沉速度和地質(zhì)條件合理確定。當(dāng)發(fā)現(xiàn)沉井有傾斜趨勢時(shí)，應(yīng)立即采取糾偏措施，如在下沉較慢的一側(cè)增加挖土量，在下沉較快的一側(cè)減少挖土量，或采用在沉井外側(cè)施加水平力的方法進(jìn)行糾偏。在某高層建筑的根式沉井基礎(chǔ)施工中，施工單位在沉井下沉過程中，安排專業(yè)測量人員每天對沉井進(jìn)行多次測量，及時(shí)記錄沉井的位移和傾斜數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)沉井出現(xiàn)輕微傾斜時(shí)，立即停止下沉，分析傾斜原因，采取在傾斜一側(cè)增加挖土量的方法進(jìn)行糾偏。經(jīng)過及時(shí)的調(diào)整和處理，沉井恢復(fù)到正常的下沉狀態(tài)，最終準(zhǔn)確下沉到設(shè)計(jì)位置。根鍵安裝是根式沉井基礎(chǔ)施工的重要環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響基礎(chǔ)的水平承載性能。在根鍵安裝前，應(yīng)確保沉井已下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高，且沉井的位置和垂直度符合要求。對根鍵進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查，確保根鍵的尺寸、形狀和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。在某橋梁工程中，施工單位在根鍵安裝前，對每一根根鍵進(jìn)行了詳細(xì)的尺寸測量和強(qiáng)度檢測，對不符合要求的根鍵進(jìn)行了