根式沉井基礎水平承載性能的多維度解析：試驗與數值模擬的深度融合一、引言1.1研究背景與意義隨著現代工程建設規模的不斷擴大與技術要求的日益提高，基礎工程作為確保建筑物穩定性與安全性的關鍵部分，其重要性愈發凸顯。根式沉井基礎作為一種新型的深基礎形式，近年來在各類大型工程中得到了廣泛應用。它綜合了沉井基礎的剛度大、承載力高以及變截面樁可提高承載力的優點，通過在沉井井壁上預留頂推孔，待沉井下沉到設計標高后，在土層中頂推預制的根鍵，最后封壁使根鍵與沉井形成一個整體。這種獨特的結構形式使其在承受豎向荷載的同時，能夠更好地抵抗水平荷載，有效提升了基礎的穩定性和承載能力。在橋梁工程領域，根式沉井基礎常用于大跨度橋梁的橋墩基礎，因其能承受橋梁上部結構傳來的巨大豎向壓力以及風力、地震力等水平荷載，確保橋梁在復雜環境下的安全運營。例如，在跨越寬闊河流或海域的橋梁建設中，面對強風、水流沖擊以及可能的地震作用，根式沉井基礎憑借其良好的水平承載性能，為橋梁提供了堅實穩定的支撐。在高層建筑中，根式沉井基礎可作為高層建筑物的基礎形式，承受建筑物自身重量以及風荷載、地震荷載等水平力，保障高層建筑在各種工況下的穩定性。在一些超高層建筑中，由于建筑物高度大，風荷載和地震作用對基礎的水平承載能力提出了更高要求，根式沉井基礎的應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，根式沉井基礎同樣發揮著重要作用。海洋環境復雜，海浪、海流以及潮汐等因素產生的水平荷載對基礎的考驗極大，根式沉井基礎能夠適應海洋環境的惡劣條件，為海洋工程設施提供可靠的基礎支撐。盡管根式沉井基礎在實際工程中得到了應用，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在水平荷載作用下抵抗變形和破壞的能力，它直接關系到工程結構的穩定性和安全性。目前，對于根式沉井基礎水平承載性能的認識還不夠深入，相關的理論研究和試驗數據相對較少，這給工程設計和施工帶來了一定的困難和風險。在設計過程中，如果對根式沉井基礎的水平承載性能估計不足，可能導致基礎設計過于保守，增加工程成本；反之，如果高估其水平承載性能，則可能使工程結構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確了解，可能會出現施工工藝不合理、施工質量難以保證等問題，進而影響基礎的實際承載能力。深入研究根式沉井基礎的水平承載性能具有至關重要的意義。準確掌握根式沉井基礎的水平承載性能，能夠為工程設計提供更為科學、準確的依據，使設計人員在設計過程中合理確定基礎的尺寸、形狀和材料等參數，優化基礎設計方案，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在水平荷載作用下的變形規律和破壞機理，為施工過程中的質量控制和安全保障提供理論指導，確保施工工藝的合理性和施工質量的可靠性，提高工程的整體質量和安全性。對根式沉井基礎水平承載性能的研究成果，還能夠豐富和完善基礎工程的理論體系，為新型基礎形式的研發和應用提供參考，推動基礎工程技術的不斷發展和創新。1.2國內外研究現狀在國外，對于根式沉井基礎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的基本力學性能分析上。隨著工程實踐的不斷推進，學者們逐漸認識到根式沉井基礎在抵抗水平荷載方面的獨特優勢，并開始對其進行深入研究。一些學者通過現場試驗，對根式沉井基礎在不同土層條件下的水平承載性能進行了測試，分析了基礎的水平位移、應力分布以及破壞模式等。研究發現，根式沉井基礎的水平承載能力明顯優于傳統沉井基礎，根鍵的設置能夠有效增加基礎與土體之間的摩擦力和咬合力，從而提高基礎的穩定性。在數值模擬方面，國外學者運用有限元軟件，建立了較為復雜的根式沉井基礎與土體相互作用模型，考慮了土體的非線性特性、材料的本構關系以及施工過程的影響等因素，對根式沉井基礎的水平承載性能進行了模擬分析。通過數值模擬，不僅能夠直觀地觀察到基礎在水平荷載作用下的變形和應力分布情況，還能夠對不同參數（如根鍵的長度、直徑、間距等）對水平承載性能的影響進行研究，為工程設計提供了理論依據。國內對于根式沉井基礎水平承載性能的研究也取得了一定的成果。在試驗研究方面，許多高校和科研機構開展了相關的室內模型試驗和現場試驗。室內模型試驗通過控制試驗條件，對根式沉井基礎的水平承載性能進行了系統研究，分析了基礎的尺寸效應、根鍵的布置方式以及土體性質等因素對水平承載性能的影響。現場試驗則更加真實地反映了根式沉井基礎在實際工程中的工作狀態，為理論研究和數值模擬提供了可靠的數據支持。在理論研究方面，國內學者基于經典的土力學理論和樁基水平承載理論，對根式沉井基礎的水平承載性能進行了理論推導和分析。提出了一些適用于根式沉井基礎的水平承載力計算公式和設計方法，這些公式和方法在一定程度上考慮了根式沉井基礎的結構特點和受力特性，但仍需要進一步的試驗驗證和完善。在數值模擬方面，國內學者也廣泛運用有限元軟件，對根式沉井基礎的水平承載性能進行了模擬分析。結合國內的工程實際情況，對數值模型進行了優化和改進，提高了模擬結果的準確性和可靠性。現有研究仍存在一些不足之處。在試驗研究方面，雖然已經開展了大量的試驗，但由于試驗條件的限制，部分試驗結果可能存在一定的局限性，難以全面反映根式沉井基礎在復雜工程條件下的水平承載性能。不同學者的試驗結果之間也存在一定的差異，這可能與試驗方法、試驗材料以及土體性質等因素有關，需要進一步的對比分析和研究。在理論研究方面，目前的理論計算公式和設計方法還不夠完善，對一些復雜因素（如土體的流變特性、根鍵與土體的協同工作機制等）的考慮還不夠充分，需要進一步深入研究，以建立更加準確、完善的理論體系。在數值模擬方面，雖然數值模擬能夠較好地模擬根式沉井基礎的受力和變形情況，但數值模型的建立和參數選取仍存在一定的主觀性，模擬結果的準確性依賴于對土體和基礎材料特性的準確把握，需要進一步提高數值模擬的精度和可靠性。1.3研究內容與方法本研究將圍繞根式沉井基礎水平承載性能展開，通過試驗研究和數值模擬相結合的方式，深入分析其在水平荷載作用下的力學行為和承載特性。在試驗研究方面，將開展室內模型試驗和現場試驗。室內模型試驗旨在通過控制試驗條件，研究根式沉井基礎在不同參數（如根鍵長度、直徑、間距，沉井尺寸等）下的水平承載性能。準備多個不同規格的根式沉井模型，在模擬的地基土體中進行水平加載試驗，測量各級荷載下基礎的水平位移、轉角、井身彎矩等參數，分析這些參數隨荷載的變化規律，以及不同參數對水平承載性能的影響。現場試驗則選取實際工程中的根式沉井基礎，在工程現場進行水平靜載荷試驗，獲取基礎在真實工程條件下的水平承載性能數據，包括水平極限承載力、基礎變形情況等，為理論研究和數值模擬提供真實可靠的數據支撐。數值模擬方面，運用有限元軟件建立根式沉井基礎與土體相互作用的三維數值模型。在建模過程中，充分考慮土體的非線性特性、材料的本構關系以及施工過程的影響等因素。通過數值模擬，全面分析根式沉井基礎在水平荷載作用下的應力分布、變形情況以及破壞機理。對不同參數的數值模型進行模擬計算，研究根鍵的布置方式、土體性質等因素對水平承載性能的影響規律，與試驗結果進行對比驗證，進一步優化數值模型，提高模擬結果的準確性和可靠性。本研究采用的研究方法主要包括文獻研究法、試驗研究法和數值模擬法。文獻研究法用于收集和整理國內外關于根式沉井基礎水平承載性能的相關研究資料，了解研究現狀和發展趨勢，為本研究提供理論基礎和研究思路。試驗研究法通過室內模型試驗和現場試驗，直接獲取根式沉井基礎在水平荷載作用下的力學響應數據，為理論分析和數值模擬提供數據支持，同時驗證理論和模擬結果的正確性。數值模擬法利用有限元軟件對根式沉井基礎進行建模分析，彌補試驗研究的局限性，能夠更全面、深入地研究各種因素對水平承載性能的影響，為工程設計和優化提供理論依據。本研究的技術路線如下：首先，通過文獻研究，明確研究的目的、意義和內容，確定研究方法和技術路線。然后，開展室內模型試驗和現場試驗，制定詳細的試驗方案，進行試驗準備、數據采集和整理分析。在試驗的同時，利用有限元軟件建立數值模型，進行參數設置和模擬計算。將試驗結果與數值模擬結果進行對比分析，驗證數值模型的準確性，對模型進行修正和優化。根據試驗和數值模擬結果，深入分析根式沉井基礎的水平承載性能，總結其變形規律、破壞機理以及各因素的影響規律，提出相應的設計建議和理論公式，為根式沉井基礎的工程應用提供技術支持和理論指導。二、根式沉井基礎概述2.1結構組成與工作原理根式沉井基礎作為一種新型的深基礎形式，其結構組成獨具特色，主要由基礎本體和錨固系統等部分構成。基礎本體通常采用鋼筋混凝土材料澆筑而成，它是整個基礎的核心承載結構，猶如建筑物的堅實根基，為上部結構提供穩定的支撐平臺。基礎本體一般包含基礎底座、基礎墻體以及基礎頂板。基礎底座直接與地基接觸，其面積較大，能夠有效分散上部結構傳來的荷載，降低基底壓力，確保基礎在豎向荷載作用下的穩定性。基礎墻體則是連接基礎底座和基礎頂板的重要部分，它不僅承擔著傳遞荷載的作用，還能增強基礎的整體剛度，使其在抵抗水平荷載和豎向荷載時保持良好的整體性。基礎頂板位于基礎的頂部，與上部結構相連，將上部結構的荷載平穩地傳遞到基礎墻體和基礎底座上。錨固系統是根式沉井基礎的關鍵組成部分，它對于提高基礎的水平承載性能起著至關重要的作用。錨固系統主要由鋼筋構成，這些鋼筋通過錨固片與基礎本體緊密連接。錨固片的設計和布置經過精心考量，其形狀和尺寸根據基礎的受力特點和工程要求進行優化，以確保鋼筋與基礎本體之間能夠形成可靠的連接，共同承受外部荷載。在實際工程中，錨固系統就像基礎與地基之間的“紐帶”，通過與地基土體的相互作用，增強了基礎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，提高了基礎的穩定性和承載能力。當建筑結構受到外力作用時，根式沉井基礎的工作原理體現出其獨特的力學性能。以外力為水平荷載為例，此時基礎底座、基礎墻體、錨固系統及混凝土填充體系協同工作，共同承擔荷載。錨固系統在這個過程中發揮著核心作用，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。由于錨固系統的存在，基礎與地基之間形成了一個相互作用的整體，使得基礎在水平荷載作用下能夠保持穩定，不易發生位移和傾斜。具體來說，當水平荷載施加到基礎上時，基礎墻體首先承受水平力的作用，并將其傳遞到基礎底座和錨固系統上。基礎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和傾覆。錨固系統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，將水平荷載進一步傳遞到更深層次的地基土體中，從而擴大了基礎的承載范圍，提高了基礎的水平承載能力。混凝土填充體系填充在基礎本體內，它不僅增加了基礎的重量，提高了基礎的穩定性，還能在一定程度上協同基礎本體和錨固系統承受荷載，增強基礎的整體力學性能。在豎向荷載作用下，根式沉井基礎的工作原理同樣基于各組成部分的協同作用。基礎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構的重量。基礎墻體則起到了豎向傳力和增強整體剛度的作用，確保豎向荷載能夠順利地從基礎頂板傳遞到基礎底座。錨固系統在豎向荷載作用下，雖然不像在水平荷載作用下那樣直接承擔主要的荷載傳遞任務，但它通過與地基土體的相互作用，增強了基礎與地基之間的連接，防止基礎在豎向荷載作用下發生沉降過大或不均勻沉降的情況，從而保證了基礎在豎向荷載作用下的穩定性。2.2特點與優勢相較于傳統基礎，根式沉井基礎在水平承載方面具有諸多顯著特點與優勢，使其在現代工程建設中脫穎而出。在承載能力方面，根式沉井基礎表現卓越。傳統基礎如樁基礎，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，樁身容易發生彎曲變形，甚至斷裂，導致基礎失效。而根式沉井基礎通過獨特的根鍵設計，極大地增強了基礎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的水平承載能力。相關研究表明，在相同的地質條件和荷載工況下，根式沉井基礎的水平極限承載力可比傳統沉井基礎提高近60%，在一些大型橋梁工程中，根式沉井基礎能夠承受更大的水平推力，確保橋梁在強風、地震等極端荷載作用下的穩定性。穩定性是基礎工程的關鍵指標，根式沉井基礎在這方面具有突出優勢。傳統基礎在水平荷載作用下，容易出現傾斜、滑移等失穩現象。例如，淺基礎在受到較大水平力時，由于基礎埋深較淺，抗傾覆能力較弱，容易發生傾斜。而根式沉井基礎的重心較低，且根鍵與土體形成了緊密的錨固體系，能夠提供強大的抗傾覆和抗滑移能力。在實際工程中，根式沉井基礎能夠在復雜的地質條件和惡劣的環境下保持穩定，有效地抵抗各種水平荷載的作用，為上部結構提供可靠的支撐。變形控制是衡量基礎水平承載性能的重要因素。在水平荷載作用下，傳統基礎的變形往往較大，這可能會對上部結構的正常使用產生不利影響。例如，樁基礎在水平荷載作用下，樁身會發生彎曲變形，導致樁頂位移過大，影響上部結構的穩定性和正常使用。根式沉井基礎由于其整體剛度較大，且根鍵能夠有效地約束土體的變形，使得基礎在水平荷載作用下的變形得到了很好的控制。通過試驗研究和數值模擬分析可知，在相同的水平荷載作用下，根式沉井基礎的水平位移和轉角明顯小于傳統基礎，能夠更好地滿足工程對變形控制的要求，保證上部結構的安全和正常使用。施工便利性也是根式沉井基礎的一大優勢。傳統基礎的施工過程往往較為復雜，需要大量的機械設備和人力投入。例如，樁基礎的施工需要進行樁的預制、運輸、打樁等多個環節，施工周期較長，且對施工場地和設備要求較高。而根式沉井基礎的施工工藝相對簡單，施工過程中使用沉井樁作為基礎支撐，減少了對周圍土壤的影響。在施工過程中，先進行沉井的制作和下沉，然后通過預留孔頂推預制根鍵，施工工序相對較少，施工效率較高。同時，根式沉井基礎的施工對施工場地的要求相對較低，在狹窄的場地或復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應用領域與案例根式沉井基礎憑借其卓越的水平承載性能，在橋梁、高層建筑、海洋工程等眾多領域展現出廣泛的應用前景，并在實際工程中取得了顯著成效。在橋梁工程領域，根式沉井基礎得到了廣泛應用。以馬鞍山長江大橋為例，該橋首次采用根式沉井基礎，其南錨碇基礎通過在沉井側壁壓入根鍵，形成了根式基礎。在施工過程中，先進行沉井的下沉施工，待沉井到達設計標高后，利用千斤頂將預制根鍵頂入土中，使根鍵與沉井共同作用，承擔上部結構傳來的荷載。通過兩次水平靜載荷試驗，取地面處水平位移10mm所對應的荷載為水平承載力設計值，結果表明該地區根式基礎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%。這一數據充分證明了根式沉井基礎在提高橋梁基礎水平承載能力方面的巨大優勢，有效保障了馬鞍山長江大橋在復雜的水文地質條件和交通荷載作用下的安全穩定運行。望東長江公路大橋的江內引橋也采用了根式沉井基礎。該橋北岸引橋30#-39#墩為根式沉井基礎，沉井采用空心圓柱帶外部根鍵結構，外徑5.0m，內徑3.2m，壁厚0.90m，長度為43-59m不等，根鍵為矩形斷面構造，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，先下放鋼護筒，搭設鉆孔平臺鉆孔，成孔后采用注水下沉方式逐節下放鋼壁管身，完成管身混凝土施工后，利用600t液壓千斤頂進行根鍵頂入施工。通過這些施工工藝，確保了根式沉井基礎的順利實施，為望東長江公路大橋的引橋提供了可靠的基礎支撐，使其能夠承受橋梁上部結構的荷載以及風荷載、地震荷載等水平力，保證了橋梁的正常使用和安全。在高層建筑領域，根式沉井基礎同樣發揮著重要作用。某高層建筑項目采用根式沉井基礎施工工法進行基礎施工。該項目的地質條件較為復雜，存在軟土層和不均勻地基等問題。在施工過程中，施工單位嚴格按照根式沉井基礎施工工藝進行操作，先進行洞口處理，挖掘洞口并建立圍護結構，防止土壤塌方；然后使用管樁鉆孔機進行樁基灌注，確保樁灌注深度符合設計要求；沉井樁灌注完成后，進行灌漿處理，加強樁身與地基土的粘結力，提高樁的承載能力；最后在固化后的樁基上進行上部結構的施工。經過合理的勞動組織、嚴格的質量控制和安全措施，工程順利完成，基礎穩定可靠，獲得了業主的高度贊譽。該項目的成功實施表明，根式沉井基礎能夠有效適應復雜的地質條件，為高層建筑提供穩定的基礎支撐，滿足高層建筑對基礎承載能力和穩定性的嚴格要求。在海洋工程方面，根式沉井基礎也具有廣闊的應用前景。例如，在海上石油平臺的建設中，由于海洋環境惡劣，海浪、海流等水平荷載對基礎的作用非常大，傳統基礎形式往往難以滿足要求。根式沉井基礎通過其獨特的結構設計和良好的水平承載性能，能夠有效地抵抗海洋環境中的各種荷載，為海上石油平臺提供可靠的基礎支撐。在一些跨海大橋的海中橋墩基礎中，根式沉井基礎也能夠發揮其優勢，提高橋墩基礎的水平承載能力和穩定性，確保跨海大橋在海洋環境下的安全運行。三、水平承載性能試驗研究3.1試驗目的與方案設計本試驗旨在深入探究根式沉井基礎在水平荷載作用下的承載機理，獲取其水平承載性能的關鍵參數，為工程設計與應用提供堅實的理論依據和數據支持。通過試驗，精確分析根式沉井基礎在不同工況下的受力特性、變形規律以及破壞模式，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，從而為優化根式沉井基礎的設計提供科學指導。試驗方案的設計充分考慮了多方面因素，以確保試驗結果的準確性和可靠性。在模型設計環節，為了全面研究根式沉井基礎的水平承載性能，制作了多個不同規格的模型。沉井模型采用有機玻璃材料制作，這種材料具有良好的透明度和一定的強度，便于觀察內部結構的變形情況，同時也能滿足試驗對模型尺寸精度的要求。沉井的外徑設置為300mm，內徑為200mm，壁厚50mm，高度為1000mm，這樣的尺寸設計既能保證模型在試驗過程中的穩定性，又能較好地模擬實際工程中沉井的受力狀態。根鍵模型則采用鋁合金材料制作，鋁合金具有密度小、強度高的特點，能夠在保證根鍵模型質量的同時，減輕模型的整體重量，便于試驗操作。根鍵的長度分別設置為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，更好地發揮根鍵與土體之間的相互作用，提高基礎的水平承載能力。在加載方式上，選用液壓千斤頂進行水平加載，液壓千斤頂具有加載穩定、精度高的優點，能夠準確地控制加載力的大小和加載速率。加載過程嚴格遵循《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ106-2014）的相關規定，采用分級加載的方式，每級荷載增量為預估水平極限承載力的1/10。在每級荷載施加后，持續觀測1小時，記錄模型在該級荷載作用下的水平位移、轉角以及井身彎矩等參數的變化情況。當模型的水平位移達到一定限值或出現明顯的破壞跡象時，停止加載，此時的荷載即為水平極限承載力。為了準確測量模型在水平荷載作用下的各項參數，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；在模型的側面不同高度處安裝傾角傳感器，以測量模型的轉角；在井身內部沿深度方向布置應變片，通過測量井身的應變來計算井身彎矩。所有測量儀器均經過嚴格的校準和調試，確保測量數據的準確性和可靠性。在試驗過程中，還對試驗場地的土體進行了詳細的勘察和測試，獲取了土體的物理力學參數，如土體的密度、含水率、內摩擦角、黏聚力等。根據土體的實際情況，在試驗場地中制備了與實際工程相似的地基土體，確保試驗模型能夠真實地反映在實際工程中的受力狀態。通過精心設計的試驗方案，全面、系統地研究根式沉井基礎的水平承載性能，為后續的數值模擬和理論分析提供可靠的數據支持。3.2試驗材料與設備在本次試驗中，所選用的材料均經過嚴格篩選，以確保其性能滿足試驗要求，為準確研究根式沉井基礎的水平承載性能提供堅實保障。沉井模型采用有機玻璃材料制作，有機玻璃具有良好的透光性，這使得在試驗過程中能夠直觀地觀察到沉井內部的受力和變形情況，有助于深入了解其力學行為。同時，有機玻璃還具備一定的強度和剛度，能夠在試驗加載過程中保持結構的完整性，準確模擬實際沉井基礎在水平荷載作用下的工作狀態。其密度為1.18g/cm3，彈性模量約為3.0GPa，泊松比為0.35，這些物理力學參數使得有機玻璃在滿足試驗觀察需求的同時，也能較好地反映實際沉井基礎材料的力學性能。根鍵模型選用鋁合金材料，鋁合金具有密度小、強度高的顯著特點。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，既能保證模型的質量，又能減輕模型的整體重量，方便試驗操作和安裝。鋁合金的屈服強度可達200MPa以上，抗拉強度也較高，能夠滿足根鍵在試驗中承受較大荷載的要求，確保根鍵模型在模擬實際根鍵與土體相互作用時，能夠準確地反映其力學性能。為了模擬實際工程中的地基土體，在試驗場地中制備了特定的土體。通過對試驗場地土體的勘察和測試，獲取了其物理力學參數，如土體的密度為1.85g/cm3，含水率為20%，內摩擦角為30°，黏聚力為15kPa。根據這些參數，在試驗場地中按照一定的配比和壓實度要求，制備了與實際工程相似的地基土體，確保試驗模型能夠真實地反映在實際工程中的受力狀態。試驗加載裝置采用液壓千斤頂，其型號為YDC-1000，最大加載力可達1000kN，能夠滿足本次試驗對加載力的要求。液壓千斤頂具有加載穩定、精度高的優點，通過高精度的壓力傳感器和控制系統，能夠準確地控制加載力的大小和加載速率，確保試驗加載過程的準確性和可靠性。在試驗過程中，加載速率控制在0.05kN/s，以保證試驗數據的穩定性和準確性。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±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，能夠準確地測量模型的位移變化。轉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角。傾角傳感器安裝在模型的側面不同高度處，通過數據采集系統實時采集傾角數據，以便分析模型在不同荷載作用下的轉角變化情況。井身彎矩的測量則通過在井身內部沿深度方向布置應變片來實現。選用的應變片型號為BX120-5AA，靈敏度系數為2.05，能夠準確測量井身的應變。在井身內部每隔一定距離布置一個應變片，組成應變片測量網絡，通過惠斯通電橋原理將應變片的電阻變化轉換為電壓信號，再經過放大器和數據采集系統進行處理和分析，從而計算出井身彎矩的大小和分布情況。所有測量儀器均經過嚴格的校準和調試，確保測量數據的準確性和可靠性。3.3試驗過程與數據采集試驗過程嚴格按照預定方案有序進行，確保試驗的準確性和可靠性。在模型制作階段，根據設計尺寸，利用高精度加工設備制作沉井模型和根鍵模型。對于沉井模型，選用有機玻璃板材，通過切割、打磨、拼接等工藝，制作出外徑300mm、內徑200mm、壁厚50mm、高度1000mm的沉井模型。在制作過程中，嚴格控制尺寸精度，確保模型的幾何形狀符合設計要求。對于根鍵模型，采用鋁合金材料，通過數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行精細處理，以模擬實際根鍵與土體之間的摩擦特性。模型安裝時，將制備好的地基土體分層填入試驗槽中，每層土體按照規定的壓實度進行壓實，確保地基土體的均勻性和穩定性。在地基土體達到設計要求后，將沉井模型緩慢放入試驗槽中，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結果。加載過程采用液壓千斤頂進行水平加載，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行全面檢查和調試，確保設備的正常運行和測量數據的準確性。加載時，按照分級加載的方式，每級荷載增量為預估水平極限承載力的1/10。在每級荷載施加過程中，保持加載速率穩定，控制在0.05kN/s，以保證試驗數據的可靠性。當荷載施加到某一級時，模型的水平位移達到一定限值或出現明顯的破壞跡象，如沉井壁出現裂縫、根鍵與土體之間發生明顯的滑移等，此時停止加載，記錄該級荷載值，即為水平極限承載力。在試驗過程中，數據采集工作至關重要。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，能夠實時監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據，以分析模型的位移隨時間的變化規律。利用傾角傳感器測量模型的轉角，傾角傳感器安裝在模型的側面不同高度處，通過數據采集系統實時采集傾角數據，能夠準確獲取模型在水平荷載作用下的轉角變化情況。通過在井身內部沿深度方向布置應變片，組成應變片測量網絡，測量井身的應變，再根據材料力學原理計算出井身彎矩。在每級荷載作用下，記錄應變片的測量數據，分析井身彎矩沿深度方向的分布規律。[此處插入加載裝置圖1]為了確保數據的準確性和可靠性，在數據采集過程中，對測量儀器進行定期校準和檢查，及時發現并排除儀器故障。同時，對采集到的數據進行實時分析和處理，如發現數據異常，及時查找原因并進行修正。在試驗結束后，對所有采集到的數據進行整理和歸檔，為后續的數據分析和研究提供可靠的依據。3.4試驗結果與分析通過對試驗數據的深入分析，荷載-位移曲線清晰地展現了根式沉井基礎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系，這表明在較小的水平荷載作用下，根式沉井基礎處于彈性階段，變形主要是由于土體的彈性壓縮和基礎的微小位移引起的。隨著荷載的逐漸增加，曲線的斜率逐漸減小，變形速率加快，這說明基礎與土體之間的相互作用逐漸增強，土體開始出現塑性變形，基礎的位移也隨之增大。當荷載達到一定程度時，曲線出現明顯的拐點，此時基礎的變形急劇增加，表明基礎已經接近或達到其水平極限承載力，土體的破壞范圍不斷擴大，基礎的穩定性受到嚴重威脅。[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的水平承載性能有著顯著影響。隨著根鍵長度的增加，基礎的水平極限承載力明顯提高。這是因為根鍵長度的增加，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增大，從而能夠更好地抵抗水平荷載，提高基礎的承載能力。根鍵直徑的增大也能在一定程度上提高基礎的水平承載性能。較大直徑的根鍵具有更高的剛度，能夠更有效地傳遞荷載，減少基礎的變形。當根鍵直徑從20mm增大到30mm時，水平極限承載力提高了約20%，這表明在一定范圍內，增加根鍵直徑對提高基礎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，對土體的應力和位移進行了測量。結果表明，在基礎周圍一定范圍內，土體的應力和位移隨著水平荷載的增加而增大。在靠近基礎的區域，土體的應力集中現象較為明顯，尤其是在根鍵附近，土體受到根鍵的擠壓和剪切作用，應力分布復雜。隨著與基礎距離的增加，土體的應力逐漸減小，位移也逐漸減小。這說明根式沉井基礎對周圍土體的影響范圍是有限的，主要集中在基礎周圍一定范圍內。進一步分析發現，土體的變形模式與根鍵的布置方式密切相關。在梅花形布置的根鍵作用下，土體的變形更加均勻，能夠更好地發揮土體的承載能力。這是因為梅花形布置使得根鍵在沉井周圍均勻分布，能夠更有效地帶動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，可能會出現土體局部受力過大，導致變形不均勻，從而降低基礎的承載性能。通過對井身彎矩的測量和分析，揭示了根式沉井基礎在水平荷載作用下的內力分布規律。井身彎矩沿深度方向的分布呈現出一定的變化規律，在基礎頂部，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，在一定深度處達到最小值，然后又逐漸增大。這是因為在基礎頂部，水平荷載產生的彎矩直接作用在井身上，而隨著深度的增加，土體對基礎的約束作用逐漸增強，使得彎矩逐漸減小。在基礎底部，由于土體的反力作用，彎矩又會有所增大。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，井身彎矩會出現明顯的變化，這是由于根鍵與井身的協同作用，改變了井身的受力狀態。四、水平承載性能數值模擬4.1數值模擬方法與軟件選擇數值模擬作為一種強大的研究手段，在工程領域中發揮著至關重要的作用。在研究根式沉井基礎的水平承載性能時，有限元方法成為了首選的數值模擬方法。有限元方法的基本原理是將連續的求解區域離散為一組有限個、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。通過在每個單元中假設近似的場函數，來分片描述求解區域中待求解的未知場函數。這些近似場函數通常由未知場函數的導數和單元中各結點的數值插值函數來表示，從而將一個連續的無窮自由度問題轉化為離散的有限自由度問題。在有限元分析過程中，首先需要進行網格劃分。將根式沉井基礎與土體的模型劃分為有限個單元，單元之間通過節點相互連接。網格的質量和密度對計算結果的準確性有著重要影響。對于根式沉井基礎的關鍵部位，如根鍵與沉井的連接區域、根鍵周圍的土體等，采用更細密的網格劃分，以提高計算精度；而對于遠離關鍵部位的區域，可以適當采用較稀疏的網格，以減少計算量。通過合理的網格劃分，能夠在保證計算精度的前提下，提高計算效率。單元分析是有限元方法的重要環節。在彈性力學中，單元分析的目的是確定不同單元的節點位置與節點力之間的關系式。將單元的節點位置視為基本變量，通過對單元內的位置定義近似表達式，求解單元的應變和應力，進而確定單元的節點力。在這個過程中，需要根據材料的特性和力學行為，選擇合適的本構模型來描述材料的應力-應變關系。對于土體材料，由于其具有非線性、彈塑性等復雜特性，常用的本構模型有莫爾-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力狀態下的力學行為，為準確分析根式沉井基礎與土體的相互作用提供了理論基礎。整體分析則是對各個單元組成的整體進行研究，建立節點外載荷與節點位移的關系，并求解出節點位移。通過整體分析，可以得到根式沉井基礎在水平荷載作用下的整體力學響應，包括基礎的位移、應力分布以及土體的變形等情況。在求解過程中，通常采用數值迭代算法，如牛頓-拉夫遜法等，逐步逼近真實解。在眾多有限元軟件中，本研究選擇ABAQUS作為數值模擬的工具。ABAQUS具有強大的功能和廣泛的適用性，能夠滿足對根式沉井基礎復雜力學行為模擬的需求。ABAQUS提供了豐富的單元庫，涵蓋了多種類型的單元，如實體單元、梁單元、殼單元等，能夠根據根式沉井基礎和土體的幾何形狀和受力特點，選擇合適的單元類型進行建模。在模擬沉井基礎時，可以使用實體單元來精確模擬其三維結構；對于根鍵，可以采用梁單元來簡化模型，同時又能準確反映其受力特性。ABAQUS具備豐富的材料本構模型，能夠準確模擬各種材料的力學性能。對于土體材料，ABAQUS提供了多種先進的本構模型，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、剪脹性等復雜特性，為準確模擬土體在水平荷載作用下的力學行為提供了有力支持。在模擬過程中，可以根據實際土體的性質和試驗數據，選擇最合適的本構模型，以提高模擬結果的準確性。ABAQUS具有強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。材料非線性體現在土體和基礎材料在受力過程中的應力-應變關系的非線性變化；幾何非線性則考慮了基礎在大變形情況下的幾何形狀改變對力學性能的影響；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能夠準確地模擬這些非線性行為，為深入研究根式沉井基礎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行模型的幾何建模、網格劃分、材料屬性定義和邊界條件設置等操作，界面友好，操作簡便。后處理模塊則可以直觀地顯示模擬結果，如位移云圖、應力云圖、應變云圖等，通過這些可視化的結果，能夠更清晰地了解根式沉井基礎在水平荷載作用下的力學響應和變形規律，便于對模擬結果進行分析和研究。4.2模型建立與參數設置在建立根式沉井基礎的數值模型時，需全面考慮各方面因素，以確保模型的準確性和可靠性，從而為深入研究其水平承載性能提供堅實基礎。利用專業的三維建模軟件，精確構建根式沉井基礎與土體的三維幾何模型。在建模過程中，嚴格按照試驗模型的尺寸進行構建，確保模型的幾何形狀與實際情況一致。沉井模型的外徑設置為300mm，內徑為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，考慮到基礎對周圍土體的影響范圍，將土體模型的尺寸設置為長×寬×高=2000mm×2000mm×1500mm，以保證在模擬過程中，土體邊界對基礎的影響可以忽略不計。在ABAQUS軟件中，對模型進行網格劃分時，需根據模型的特點和計算精度要求，合理選擇單元類型和網格密度。對于沉井和根鍵，采用C3D8R實體單元，這種單元具有較好的計算精度和穩定性，能夠準確模擬其力學行為。在沉井與根鍵的連接部位以及根鍵周圍的土體區域，采用較細密的網格劃分，以提高這些關鍵部位的計算精度。在遠離沉井和根鍵的土體區域，適當增大網格尺寸，采用較稀疏的網格劃分，以減少計算量，提高計算效率。通過這種疏密結合的網格劃分方式，既能保證計算結果的準確性，又能在一定程度上提高計算效率。合理設置材料參數是保證數值模擬準確性的關鍵。沉井材料采用鋼筋混凝土，其彈性模量根據試驗測定或相關規范取值，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系來考慮，采用嵌入約束的方式，使鋼筋能夠與混凝土協同工作，共同承受荷載。土體材料采用莫爾-庫倫本構模型，該模型能夠較好地描述土體的彈塑性力學行為。根據試驗場地土體的勘察和測試結果，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，對土體的應力-應變關系進行了非線性處理，以更準確地反映土體在水平荷載作用下的力學行為。邊界條件的設置直接影響數值模擬的結果。在模型的底部，約束所有方向的位移，模擬土體在實際工程中的底部固定情況，確保模型在垂直方向上的穩定性。在模型的側面，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生過大的側向位移。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，使模型能夠真實地反映實際工程中的邊界條件。在數值模擬過程中，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，模擬根式沉井基礎在不同水平荷載作用下的力學響應。加載過程分為多個增量步進行，每個增量步的位移增量根據計算精度和收斂性要求進行合理設置，一般設置為0.1mm，以保證計算結果的準確性和收斂性。在每個增量步中，通過ABAQUS軟件的求解器，計算模型的應力、應變和位移等參數，從而得到根式沉井基礎在水平荷載作用下的力學響應。4.3模擬結果與驗證通過ABAQUS軟件進行數值模擬計算，得到了根式沉井基礎在水平荷載作用下的應力、應變分布以及位移等結果。在水平荷載為50kN時，沉井和土體的應力分布云圖如圖3所示。從圖中可以看出，沉井在水平荷載作用下，井身的應力分布呈現出明顯的不均勻性。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，應力相對較大；而在沉井的中部，應力相對較小。在沉井與根鍵的連接部位，應力集中現象較為明顯，這是因為根鍵在傳遞水平荷載的過程中，與沉井之間產生了較大的相互作用力。[此處插入應力分布云圖3]在土體中，應力分布也呈現出一定的規律。在沉井周圍一定范圍內，土體的應力隨著與沉井距離的增加而逐漸減小。在根鍵附近，土體的應力分布較為復雜，由于根鍵的擠壓和剪切作用，土體受到的應力較大，且在根鍵的前端和后端，應力分布存在明顯的差異。在根鍵的前端，土體受到的擠壓應力較大；而在根鍵的后端，土體受到的剪切應力較大。應變分布云圖如圖4所示，從圖中可以清晰地看到沉井和土體的應變情況。沉井的應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，應變主要集中在沉井周圍和根鍵附近，這與應力分布情況相吻合，說明在這些區域，土體的變形較為顯著。[此處插入應變分布云圖4]將數值模擬得到的荷載-位移曲線與試驗結果進行對比，以驗證模擬的準確性。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，數值模擬得到的荷載-位移曲線與試驗結果基本吻合，在彈性階段和彈塑性階段，模擬曲線與試驗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測量值較為接近。這表明所建立的數值模型能夠較好地模擬根式沉井基礎在水平荷載作用下的變形特性，模擬結果具有較高的準確性和可靠性。[此處插入荷載-位移曲線對比圖5]為了進一步驗證模擬結果的準確性，對不同根鍵長度和直徑的模型進行了對比分析。結果表明，隨著根鍵長度和直徑的變化，數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結果一致。這充分證明了數值模擬方法在研究根式沉井基礎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的力學行為提供了有力的工具。五、影響因素分析5.1根鍵參數的影響根鍵作為根式沉井基礎的關鍵組成部分，其各項參數對基礎的水平承載性能有著顯著影響。通過試驗和數值模擬獲得的數據，深入剖析根鍵長度、間距、數量等參數與水平承載性能之間的關系，對于優化根式沉井基礎設計、提升其工程應用效果具有重要意義。根鍵長度是影響根式沉井基礎水平承載性能的關鍵因素之一。從試驗數據來看，當根鍵長度從100mm增加到150mm時，水平極限承載力提高了約30%；當根鍵長度進一步增加到200mm時，水平極限承載力相較于150mm時又提高了約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，從而能夠更有效地抵抗水平荷載，提高基礎的承載能力。在數值模擬中，也得到了類似的結果。通過改變根鍵長度進行模擬分析，發現隨著根鍵長度的增加，基礎在水平荷載作用下的位移明顯減小，應力分布更加均勻，進一步驗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的水平承載性能也有著重要影響。在試驗中，設置了不同的根鍵間距進行對比研究。當根鍵間距為200mm時，基礎的水平承載性能相對較好；而當根鍵間距減小到100mm時，雖然根鍵數量增加，但基礎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了下降。這是因為根鍵間距過小時，根鍵之間的土體受到過度擾動，土體的強度和穩定性下降，導致根鍵與土體之間的協同工作效果變差，從而影響了基礎的水平承載性能。數值模擬結果也顯示，根鍵間距過小會導致土體中的應力集中現象加劇，土體的破壞范圍擴大，不利于基礎的水平承載。根鍵數量的變化同樣會對水平承載性能產生影響。試驗數據表明，在一定范圍內增加根鍵數量，能夠有效提高基礎的水平承載能力。當根鍵數量從5根增加到8根時，水平極限承載力提高了約15%。這是因為更多的根鍵能夠更廣泛地與土體相互作用，分散水平荷載，減小基礎的變形。但當根鍵數量過多時，也會出現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，影響土體的力學性能，進而降低基礎的水平承載性能。數值模擬結果也驗證了這一規律，當根鍵數量超過一定值后，繼續增加根鍵數量對水平承載性能的提升效果不明顯，甚至可能導致承載性能下降。5.2土體性質的影響土體性質作為影響根式沉井基礎水平承載性能的關鍵因素，其類型、強度、模量等方面的差異對基礎的力學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、結構特性和物理力學性質的不同，與根式沉井基礎相互作用時表現出各異的力學響應。砂土具有顆粒較大、透水性強、黏聚力較小的特點。在水平荷載作用下，砂土中的根式沉井基礎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，其對基礎的約束作用相對較弱，但砂土的內摩擦角較大，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，基礎的水平承載能力較低；而在密實的砂土中，土顆粒之間的咬合作用增強，根鍵與土體之間的摩擦力增大，能夠有效提高基礎的水平承載能力。黏土則具有顆粒細小、透水性弱、黏聚力較大的特性。黏土中的根式沉井基礎在水平荷載作用下，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，其在受力后容易產生較大的塑性變形，這可能會對基礎的位移和穩定性產生一定影響。在軟黏土中，由于土體的強度較低，基礎在水平荷載作用下可能會產生較大的位移，甚至導致基礎失穩；而在硬黏土中，土體的強度較高，能夠為基礎提供較好的支撐，提高基礎的水平承載性能。土體的強度指標，如內摩擦角和黏聚力，對根式沉井基礎的水平承載性能起著決定性作用。內摩擦角反映了土體顆粒之間的摩擦特性和咬合能力，內摩擦角越大，土體的抗剪強度越高，在水平荷載作用下，能夠為根式沉井基礎提供更大的摩擦力和抗滑力，從而提高基礎的水平承載能力。當內摩擦角從30°增大到35°時，通過數值模擬計算發現，根式沉井基礎的水平極限承載力提高了約25%，這表明內摩擦角的增加對基礎水平承載性能的提升效果顯著。黏聚力則體現了土體顆粒之間的膠結作用和黏結強度，黏聚力越大，土體的整體性和穩定性越好，能夠更好地與根式沉井基礎協同工作，共同抵抗水平荷載。在實際工程中，當土體的黏聚力較大時，根鍵與土體之間的黏結力增強，能夠更有效地傳遞水平荷載，減少基礎的位移和變形。通過現場試驗研究發現，在黏聚力較高的黏土中，根式沉井基礎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，能夠為根式沉井基礎提供更穩定的支撐，減少基礎的位移。在數值模擬中，當土體的彈性模量從10MPa增大到20MPa時，根式沉井基礎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的變形越小，能夠更好地維持基礎的穩定性。在實際工程中，當土體的剪切模量較大時，根鍵與土體之間的相對位移減小，能夠更有效地發揮根鍵的錨固作用，提高基礎的水平承載能力。通過室內模型試驗和數值模擬相結合的方法研究發現，在剪切模量較高的土體中，根式沉井基礎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水平承載性能的重要作用。以某實際橋梁工程為例，該工程位于沿海地區，地基土體主要為粉質黏土和粉砂互層。在進行根式沉井基礎設計時，通過詳細的地質勘察和土工試驗，獲取了土體的物理力學參數。根據這些參數，利用數值模擬軟件對不同土體性質條件下的根式沉井基礎水平承載性能進行了分析。結果表明，在粉質黏土和粉砂互層的土體中，由于粉質黏土的黏聚力相對較大，粉砂的內摩擦角相對較大，根式沉井基礎的水平承載性能較好。通過合理設計根鍵的參數，如長度、間距等，進一步提高了基礎的水平承載能力，確保了橋梁在各種荷載作用下的安全穩定運行。該案例充分說明了土體性質對根式沉井基礎水平承載性能的重要影響，以及在工程設計中充分考慮土體性質的必要性。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的力學響應和承載特性有著顯著影響。加載速率的不同會導致根式沉井基礎在水平荷載作用下呈現出不同的力學行為。通過試驗研究發現，在低加載速率下，基礎與土體之間有足夠的時間進行相互作用，土體能夠充分發揮其抗剪強度，基礎的變形相對較為緩慢，水平承載能力較高。當加載速率為0.01kN/s時，水平極限承載力可達80kN；而在高加載速率下，土體來不及充分變形和發揮其強度，基礎的變形迅速增加，水平承載能力相對較低。當加載速率提高到0.1kN/s時，水平極限承載力僅為65kN。這表明加載速率的增加會導致基礎的水平承載能力下降，在工程設計和施工中，應合理控制加載速率，以確保基礎的承載性能。在數值模擬中，也進一步驗證了加載速率對基礎水平承載性能的影響。通過改變加載速率進行模擬分析，發現隨著加載速率的增大，基礎在相同荷載作用下的位移明顯增大，應力分布也更加不均勻。這是因為在高加載速率下，土體的慣性力增大，導致土體與基礎之間的相互作用發生變化，從而影響了基礎的承載性能。加載方向的改變同樣會對根式沉井基礎的水平承載性能產生重要影響。在試驗中，設置了不同的加載方向進行對比研究。當加載方向與根鍵的布置方向一致時，根鍵能夠更好地發揮其錨固作用，基礎的水平承載能力較高；而當加載方向與根鍵的布置方向垂直時，根鍵的錨固效果減弱，基礎的水平承載能力相對較低。當加載方向與根鍵布置方向一致時，水平極限承載力為75kN；當加載方向與根鍵布置方向垂直時，水平極限承載力降低至60kN。這表明加載方向的變化會顯著影響基礎的水平承載性能，在工程設計中，應充分考慮可能的加載方向，合理布置根鍵，以提高基礎的承載能力。數值模擬結果也顯示，加載方向的改變會導致基礎的應力分布和變形模式發生變化。當加載方向與根鍵布置方向一致時，根鍵周圍的土體能夠更好地協同根鍵抵抗水平荷載，應力分布相對均勻；而當加載方向與根鍵布置方向垂直時，根鍵的受力狀態發生改變，土體的應力集中現象加劇，容易導致基礎的局部破壞。以某實際橋梁工程為例，該工程在施工過程中，由于受到河流流向和風力等因素的影響，根式沉井基礎可能會承受不同方向的水平荷載。通過對不同加載方向下的基礎水平承載性能進行數值模擬分析，結果表明，在考慮最不利加載方向的情況下，基礎的水平承載能力能夠滿足設計要求，但需要對根鍵的布置進行優化，以提高基礎在不同加載方向下的承載性能。在實際施工中，根據模擬結果對根鍵的布置進行了調整，確保了橋梁在各種工況下的安全穩定運行。該案例充分說明了加載條件對根式沉井基礎水平承載性能的重要影響，以及在工程設計和施工中充分考慮加載條件的必要性。六、水平承載性能評價方法6.1現有評價方法綜述目前，在評估根式沉井基礎水平承載性能時，極限荷載法是一種常用的方法。極限荷載是指整個地基處于極限平衡狀態時所承受的荷載，它反映了基礎在水平荷載作用下能夠承受的最大荷載值。在實際工程中，確定極限荷載對于基礎的設計和安全性評估至關重要。通過現場試驗或數值模擬等手段，可以獲取基礎在水平荷載作用下的荷載-位移曲線，當曲線出現明顯的陡降段或基礎的變形達到一定的極限值時，此時對應的荷載即為極限荷載。在進行現場水平靜載荷試驗時，當觀測到基礎周圍土體出現明顯的隆起、裂縫擴展等破壞跡象，且基礎的水平位移急劇增大，此時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。它僅僅關注基礎達到極限狀態時的荷載值，而對于基礎在達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。在一些復雜的地質條件下，土體的力學性質可能會隨著荷載的增加而發生變化，極限荷載法難以準確地反映這種變化對基礎水平承載性能的影響。極限荷載的確定往往受到試驗條件和測量誤差的影響，不同的試驗方法和測量儀器可能會導致極限荷載的測定結果存在一定的差異。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樁的撓度之間的關系曲線，是一種可考慮土體非線性效應的復合地基反力法。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勢。通過建立p-y曲線，可以分析基礎在不同深度處的土體反力分布情況，以及基礎的變形與土體反力之間的關系，從而更準確地評估基礎的水平承載性能。p-y曲線的構建通常基于現場試樁、室內模型樁試驗或有限元方法。現場試樁方法所得的p-y曲線最為可靠，它能夠真實地反映實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，近年來類似試驗成果已很少。室內模型樁試驗具有成本低、條件易控制等優點，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，無法反映現場原狀土的結構性，試驗規律與實際情況的一致性難以評價。有限元方法的優點在于重復性好、條件易控制，但最大問題在于土體的本構模型及樁土界面的模擬，如何準確地選擇和應用本構模型以及合理地模擬樁土界面的相互作用，是有限元方法在構建p-y曲線時面臨的挑戰。除了極限荷載法和p-y曲線法，還有其他一些評價方法在工程中也有應用。荷載試驗法是一種直觀的評價方法，通過對基礎進行現場加載試驗，測量基礎在不同荷載水平下的位移、應力等參數，從而評估其水平承載性能。這種方法能夠直接獲取基礎的實際工作性能數據，但試驗過程較為復雜，需要耗費大量的人力、物力和時間，且對試驗場地和設備要求較高。規范檢算法是基于相關規范和標準，通過理論計算來評估基礎的水平承載性能。該方法依據規范中的計算公式和參數取值，結合基礎的設計尺寸、材料特性以及土體的物理力學參數等，計算基礎的水平承載力。規范檢算法具有計算簡便、應用廣泛的優點，但由于規范中的公式和參數往往是基于一定的假設和經驗總結得出的，對于一些特殊的地質條件和復雜的工程情況，可能無法準確地反映基礎的實際水平承載性能。6.2基于試驗與模擬的評價方法改進通過對試驗與模擬結果的深入分析，發現現有評價方法在某些方面存在不足，需進行針對性改進，以提高評價的準確性和可靠性。針對極限荷載法僅關注基礎達到極限狀態時的荷載值，而忽視基礎在達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。在計算極限荷載的同時，關注基礎在不同荷載階段的水平位移和轉角變化情況，將變形控制在合理范圍內，以確保基礎在正常使用階段的安全性和穩定性。可以規定在某一特定荷載水平下，基礎的水平位移不得超過一定值，如基礎直徑的0.5%，轉角不得超過0.1°。通過這種方式，綜合考慮極限荷載和變形控制指標，能夠更全面地評估根式沉井基礎的水平承載性能。考慮到土體的非線性特性對基礎水平承載性能的影響，在確定極限荷載時，采用更先進的數值分析方法，如基于有限元的彈塑性分析方法。該方法能夠更準確地模擬土體在復雜應力狀態下的力學行為，考慮土體的塑性變形、屈服準則等因素，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模型，如修正劍橋模型，對土體進行彈塑性分析，得到更符合實際情況的極限荷載值。為了提高p-y曲線法的準確性和適用性，在構建p-y曲線時，結合試驗數據和數值模擬結果，對現有模型進行優化。在試驗過程中，獲取不同深度處土體的水平反力和樁的撓度數據，通過數據分析和擬合，得到更準確的p-y曲線表達式。利用數值模擬方法，對不同工況下的樁土相互作用進行模擬分析，驗證和完善p-y曲線模型。針對室內模型樁試驗中土體為重塑土，無法反映現場原狀土結構性的問題，在進行室內模型試驗時，采用更先進的土體模擬技術，如土工離心模型試驗。土工離心模型試驗能夠通過離心力的作用，模擬土體在實際工程中的應力狀態，使土體的結構性得到更好的體現。在離心模型試驗中，根據相似理論，合理設計模型的尺寸和材料參數，通過調整離心加速度，模擬不同深度處土體的應力狀態，從而得到更真實的p-y曲線。在有限元模擬中，改進土體本構模型的選擇和參數確定方法。根據土體的實際特性和試驗數據，選擇更合適的本構模型，如考慮土體剪脹性的Hardening-Soil模型。通過對試驗數據的反演分析，準確確定本構模型的參數，提高有限元模擬的精度。在模擬過程中，還應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，使模擬結果更接近實際情況。除了極限荷載法和p-y曲線法，還應綜合考慮其他評價指標，如基礎的剛度、穩定性等。在評估過程中，采用多種評價方法相結合的方式，相互驗證和補充，提高評價結果的可靠性。可以將極限荷載法、p-y曲線法與荷載試驗法、規范檢算法等相結合，從不同角度對根式沉井基礎的水平承載性能進行評估。在進行荷載試驗時，不僅要測量基礎的極限荷載和變形，還要獲取基礎的剛度參數，通過與理論計算結果的對比，驗證和完善評價方法。在規范檢算中，根據實際工程情況，對規范中的計算公式和參數進行合理調整，使其更符合根式沉井基礎的特點，提高規范檢算的準確性。通過綜合運用多種評價方法，能夠更全面、準確地評估根式沉井基礎的水平承載性能，為工程設計和施工提供更可靠的依據。七、工程應用建議7.1設計優化建議基于上述研究成果，在根式沉井基礎的設計過程中，根鍵布置的優化是提升其水平承載性能的關鍵環節。在確定根鍵長度時，應綜合考慮地質條件和荷載大小。對于軟土地層，由于土體的強度較低，為了確保根鍵能夠有效發揮錨固作用，提高基礎的水平承載能力，應適當增加根鍵長度，使根鍵能夠深入到強度較高的土層中，增強與土體的相互作用。在某軟土地基的橋梁工程中，通過數值模擬分析發現，將根鍵長度從1.5m增加到2.0m后，根式沉井基礎的水平極限承載力提高了約25%。而在硬土地層，過長的根鍵可能會導致施工難度增加，且對水平承載性能的提升效果不明顯，因此應根據實際情況合理控制根鍵長度，以達到最佳的經濟和技術效果。根鍵間距的合理設置也至關重要。過大的根鍵間距會使根鍵之間的土體無法充分發揮協同作用，導致基礎的水平承載能力下降；過小的根鍵間距則會引起土體的過度擾動，降低土體的強度和穩定性，同樣不利于基礎的水平承載。根據試驗研究和數值模擬結果，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同工作，又能避免土體的過度擾動。在實際工程設計中，還應根據土體的性質和荷載分布情況，對根鍵間距進行適當調整，以實現根鍵布置的最優化。在材料選擇方面，應根據工程的具體需求和地質條件，選擇合適的材料。對于沉井主體結構，混凝土強度等級的選擇直接影響其承載能力和耐久性。在一般的工程環境中，C30-C40的混凝土強度等級能夠滿足基本要求；而在海洋環境等對耐久性要求較高的工程中，應選用抗侵蝕性強的混凝土，如C40以上強度等級的海工混凝土，并添加適量的外加劑，以提高混凝土的抗滲性和抗腐蝕性。在某跨海大橋的根式沉井基礎設計中，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構的耐久性，確保了基礎在惡劣海洋環境下的長期穩定運行。鋼筋作為增強混凝土抗拉強度的重要材料，其強度等級和用量應根據結構設計進行精確計算。推薦使用HRB400或HRB500等級的鋼筋，這些高強度鋼筋能夠在保證結構安全的前提下，減少鋼筋的用量，降低工程成本。在計算鋼筋用量時，應充分考慮基礎在各種荷載工況下的受力情況，確保鋼筋能夠有效地承擔拉力，提高結構的整體性能。對于根鍵，可選用高強度鋼材，如Q345或更高強度等級的鋼材，以提高根鍵的承載能力和抗變形能力。高強度鋼材具有較高的屈服強度和抗拉強度，能夠在承受較大水平荷載時，保持較好的力學性能，不易發生屈服和斷裂。在某高層建筑的根式沉井基礎中，根鍵采用了Q345鋼材，經過現場測試，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，有效提高了基礎的水平承載性能。在設計過程中，還應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，應確保混凝土的振搗密實，避免出現蜂窩、麻面等缺陷，以保證混凝土的強度和耐久性。在鋼筋的加工和安裝過程中，應嚴格按照設計要求進行操作，確保鋼筋的連接牢固，間距均勻，避免出現鋼筋銹蝕等問題，影響結構的安全性。7.2施工注意事項在根式沉井基礎的施工過程中，沉井下沉控制是確保基礎質量和穩定性的關鍵環節。在下沉前，應進行詳細的地質勘察，獲取準確的地質資料，包括土層分布、土體物理力學性質等，為下沉方案的制定提供科學依據。根據地質條件和沉井的設計要求，合理選擇下沉方法，如人工挖土下沉、機械挖土下沉、水力沖土下沉等。在采用人工挖土下沉時，應合理組織勞動人員，控制井內人員數量，確保安全。在刃腳處挖掘時，要對稱、均勻掘進，避免因挖土不均勻導致沉井傾斜。在某橋梁工程的根式沉井基礎施工中，由于地質條件復雜，存在軟硬不均的土層，施工單位在下沉前進行了詳細的地質勘察，制定了合理的下沉方案。采用人工挖土和機械挖土相結合的方式，在軟土層區域采用人工挖土，嚴格控制挖土速度和深度，確保沉井均勻下沉；在硬土層區域采用小型機械輔助挖土，提高施工效率。通過精心的施工組織和嚴格的下沉控制，該沉井順利下沉到設計標高，滿足了工程要求。在下沉過程中，應加強對沉井的監測，實時掌握沉井的位移、傾斜和沉降情況。根據監測數據，及時調整下沉速度和挖土位置，確保沉井平穩下沉。采用先進的測量儀器，如全站儀、水準儀等，定期對沉井進行測量，測量頻率應根據下沉速度和地質條件合理確定。當發現沉井有傾斜趨勢時，應立即采取糾偏措施，如在下沉較慢的一側增加挖土量，在下沉較快的一側減少挖土量，或采用在沉井外側施加水平力的方法進行糾偏。在某高層建筑的根式沉井基礎施工中，施工單位在沉井下沉過程中，安排專業測量人員每天對沉井進行多次測量，及時記錄沉井的位移和傾斜數據。當發現沉井出現輕微傾斜時，立即停止下沉，分析傾斜原因，采取在傾斜一側增加挖土量的方法進行糾偏。經過及時的調整和處理，沉井恢復到正常的下沉狀態，最終準確下沉到設計位置。根鍵安裝是根式沉井基礎施工的重要環節，其質量直接影響基礎的水平承載性能。在根鍵安裝前，應確保沉井已下沉到設計標高，且沉井的位置和垂直度符合要求。對根鍵進行嚴格的質量檢查，確保根鍵的尺寸、形狀和強度滿足設計要求。在某橋梁工程中，施工單位在根鍵安裝前，對每一根根鍵進行了詳細的尺寸測量和強度檢測，對不符合要求的根鍵進行了