【摘要】：為研究一種底板周圈設(shè)置裙邊、底板中部設(shè)置樁的新型沉箱復(fù)合基礎(chǔ)的承載性能,尤其是裙邊與樁對(duì)承載性能的影響機(jī)制,基于縮尺模型試驗(yàn)驗(yàn)證的FLAC3D接觸面單元與樁結(jié)構(gòu)單元數(shù)值分析方法,建立了瓊州海峽跨海大橋西線實(shí)際地層中的沉箱復(fù)合基礎(chǔ)三維數(shù)值模型,研究了裙邊與樁的尺寸參數(shù)(裙邊高度、樁長(zhǎng)、樁徑、樁數(shù))和組合方式對(duì)沉箱復(fù)合基礎(chǔ)豎向及水平向承載性能的影響。結(jié)果表明:裙邊能約束箱底塑性區(qū)的開(kāi)展與貫通,有效提高了沉箱的水平極限承載力,對(duì)底面尺寸125m×75m的沉箱基礎(chǔ),單獨(dú)設(shè)置壁厚2m、高度6m的裙邊后,設(shè)計(jì)荷載下裙邊可分擔(dān)47%的水平荷載和26%的豎向荷載;樁端落在相對(duì)較好持力層的樁可分擔(dān)較多的豎向荷載,有效提高沉箱的豎向剛度、控制差異沉降,對(duì)底面尺寸125m×75m的沉箱基礎(chǔ),單獨(dú)設(shè)置52根、直徑2m、樁長(zhǎng)72m、樁端進(jìn)入4-2硬塑粉質(zhì)黏土層的群樁基礎(chǔ)后,設(shè)計(jì)荷載下群樁可分擔(dān)67.8%的豎向荷載和37%的水平荷載;裙邊與樁組合設(shè)置后,沉箱復(fù)合基礎(chǔ)的豎向及水平向承載力得到進(jìn)一步提高,設(shè)計(jì)荷載作用下,群樁承擔(dān)64%的豎向荷載和31%的水平荷載,裙邊承擔(dān)14%的豎向荷載和52%的水平荷載。研究成果可為瓊州海峽跨海大橋深水基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供重要參考。
【圖文】：

圖１設(shè)置裙邊與樁的沉箱復(fù)合基礎(chǔ)（單位：ｍ）Ｆｉｇ．１ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＣａｉｓｓｏｎＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｗｉｔｈＳｋｉｒｔａｎｄＰｉｌｅｓ（Ｕｎｉｔ：ｍ）壁厚１．５ｍ。水位標(biāo)高±０．０ｍ，箱底標(biāo)高－５２ｍ。沉箱隔艙內(nèi)設(shè)有沉樁預(yù)留孔和二次封底混凝土等構(gòu)造，樁基礎(chǔ)通過(guò)沉箱內(nèi)部的沉樁預(yù)留孔施工，箱內(nèi)澆筑二次封底混凝土保證沉箱與樁牢固連接，沉箱四周拋填塊石作為沖刷防護(hù)。為驗(yàn)證設(shè)置裙邊與樁的沉箱復(fù)合基礎(chǔ)的受力機(jī)理，并校驗(yàn)ＦＬＡＣ３Ｄ數(shù)值分析方法的有效性，在６ｍ×３ｍ×４．５ｍ（長(zhǎng)×寬×深）模型槽中開(kāi)展了沉箱、沉箱＋樁、沉箱＋樁＋裙邊３種模型的豎向及水平向模型試驗(yàn)，并用數(shù)值方法進(jìn)行了對(duì)比分析�？紤]到砂土具有性質(zhì)穩(wěn)定、便于量測(cè)、試驗(yàn)重復(fù)性好、易取得規(guī)律性成果等優(yōu)點(diǎn)，采用重度為１５．９ｋＮ·ｍ－３、壓縮模量為３３ＭＰａ、泊松比為０．２６、內(nèi)摩擦角為３５°的中砂作為試驗(yàn)土，不考慮剪脹角影響。沉箱模型底面為１０６ｃｍ×７０ｃｍ圓端形截面，采用３ｃｍ厚鋼板加工而成，內(nèi)部采用隔板加勁保證絕對(duì)剛性。裙邊采用厚度１ｃｍ、高１０ｃｍ的鋼板焊接在箱底周圈。群樁基礎(chǔ)采用１６根直徑４ｃｍ、長(zhǎng)９０ｃｍ的鋼管模型樁模擬。豎向荷載施加在沉箱頂面，每級(jí)荷載７５ｋＮ，施加１０級(jí)，量測(cè)沉箱頂?shù)暮奢d－沉降曲線。水平向荷載施加在中砂表面以上１０ｃｍ高度處，為模擬上部結(jié)構(gòu)自重等豎向荷載，在水平向加載前先施加１９０ｋＮ的豎向荷載并穩(wěn)定，其后沿沉箱長(zhǎng)邊方向逐級(jí)施加２０ｋＮ的水平荷載直到破壞。模型布置及試驗(yàn)照片如圖２所示。采用ＦＬＡ

ｃｍ厚鋼板加工而成，，內(nèi)部采用隔板加勁保證絕對(duì)剛性。裙邊采用厚度１ｃｍ、高１０ｃｍ的鋼板焊接在箱底周圈。群樁基礎(chǔ)采用１６根直徑４ｃｍ、長(zhǎng)９０ｃｍ的鋼管模型樁模擬。豎向荷載施加在沉箱頂面，每級(jí)荷載７５ｋＮ，施加１０級(jí)，量測(cè)沉箱頂?shù)暮奢d－沉降曲線。水平向荷載施加在中砂表面以上１０ｃｍ高度處，為模擬上部結(jié)構(gòu)自重等豎向荷載，在水平向加載前先施加１９０ｋＮ的豎向荷載并穩(wěn)定，其后沿沉箱長(zhǎng)邊方向逐級(jí)施加２０ｋＮ的水平荷載直到破壞。模型布置及試驗(yàn)照片如圖２所示。采用ＦＬＡＣ３Ｄ接觸面單元和樁結(jié)構(gòu)單元模擬方法進(jìn)行數(shù)值分析，土體、沉箱、裙邊采用實(shí)體單元模擬，群樁采用樁結(jié)構(gòu)單元模擬。土體本構(gòu)采用摩爾－庫(kù)侖彈塑性模型，樁土界面、裙邊與土體接觸界面、沉箱底板與土體接觸界面均采用接觸面單元模擬，接觸面單元本構(gòu)也采用摩爾－庫(kù)侖模型，接觸面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與周圍土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相同。接觸面法向和切向剛度計(jì)算式如下圖２模型試驗(yàn)布置及照片（單位：ｃｍ）Ｆｉｇ．２ＬａｙｏｕｔａｎｄＰｈｏｔｏｓｏｆＭｏｄｅｌＴｅｓｔｓ（Ｕｎｉｔ：ｃｍ）ｋｎ＝ｋｓ＝１０ｍａｘＫ＋４Ｇ／３Δｚ（）ｍｉｎ（１）Ｋ＝Ｅ３（１－２ν），Ｇ＝Ｅ２（１＋ν）（２）式中：ｋｎ為樁土界面法向彈簧剛度；ｋｓ為樁土界面切向彈簧剛度；Ｅ為土體變形模量；Ｋ為樁周土體積模量；Ｇ為樁周土剪切模量；ν為土的泊松比；Δｚｍｉｎ為樁周土網(wǎng)格劃分的最小單元尺寸。中砂層變形模量取為壓縮模量的２．１１倍［１０］。樁結(jié)構(gòu)單元的其他參數(shù)如表１所示。

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