清凉门的隧道围护结构设计

论文总字数：3935字

摘 要

简介：钻孔沉井灌注桩系统是一种常见的山崩破坏修复系统，包括深部滑坡以及沙石表面滑坡。这些桩用于控制沉井位移，并且埋置于岩石中提供被动土压力类似于嵌入其中的H型刚。土壤拱架也被利用于桩设计并被用来分担相邻沉井的荷载。但是，并无现存的用于估计此类系统表现以及语序设计者证明假设的方法。

这类构造体系的估计系统应该包括桩在沉井倾斜角度仪以及嵌入的应变仪。这里提及的方法是想应用于帮助设计者估计沉井的系统构造表现以及对破坏建筑的加强保护。

一、工程背景

此沉井系统于2005年秋冬之际建于东俄亥俄的俄亥俄河沿岸，于2007年完工。这个系统包括一个3英尺直径的沉井，中心位移约6英尺的分布于破坏区域。

该沉井系统是用来保护26英尺的冲积扇，并嵌入最小为10英尺的被风化岩石中。一种W27X84梁被嵌于整个长度的沉井系统中来控制挠曲并抵抗弯矩。在建造过程中，总共四种边坡测斜仪被嵌于沉井系统中，以及沉井系统后。这些边坡测斜仪已经监测了大约两年时间，从2005年冬天到2007年秋天，从结果来看，显示出沉井顶部有0.1到0.2英尺的位移。

二、新方法

极限平衡法已经在过去成功被用于挤压及钻孔灌注桩沉井系统，在该方法中，从土壤压力引起的荷载沿着桩发展，由于土壤移动，由传统的朗肯土压力法进行估计，都是基于双向土压力实在连续破坏面上发展的假设。但是，研究也证明，Mohr-Coulomb的屈服准则也可适用于此沉井系统的压力荷载计算。一种基于p-y曲线的新方法也被提出用来估算此沉井上的土压力荷载，此方法可代表土层发生的各种在沉井系统下的反应，但是这种方法并没有在他们的理论中考虑沉井顶部的侧移,当土变形较大时，将会呈现非线性，因此在不同深度下如何获得p-y曲线就成了关键所在。我们一般通过试验或解方程组的办法来获得。

因此，一种新的简化办法再次被用来限制沉井顶部的偏移，利用了著名的梁柱微分方程:

.........................................................(1)

Q:沉井轴向荷载

x:协调长度

y:x处沉井的偏转

p:每单位长度的土壤反应力

k:土壤弹性模量

EI:沉井的刚度

w:沿着沉井分布的土压力

若假设轴向土压力可忽略，公式可改为

..............................................(2)

.................................................................(3)

在传统的LPILE理论中，土层被认为固定于移动的沉井。但是，在土层滑移的稳定过程中，土层是移动的并联系于固定的沉井。按照之前的描述，分布土压力是用莫尔库伦屈服准则或是朗肯土压力理论进行估计的。但是，在这里的设计理论中，分布土压力是由开发中的特定的p-y曲线进行估计的，用来确定破坏面的土层，并且利用图示的外部边界力。因此，分布土压力可以用弹性模量乘以在预计破坏面上的土壤位移。假设，充分的土壤位移在破坏面上发生，分布土压力会达到极值，发生于最终的土壤反应中。但是，在这样的方法中，应当注意的是，只考虑了单独的沉井单元，因此并未考虑土壤扰动。

为了考虑由于扰动带来的沿着沉井分布土压力减少，以及由于沉井体系所限制住的位移，一个削减系数α被引入分布土压力的计算。传统土层扰动反应被考虑到计算中，限于2到3倍沉井直径的范围内。这次计算的过程及结果在以下部分中。

三、设计部分

为了解决梁柱微分方程并且发展p-y曲线，一系列LPILE分析被用于发展特定点p-y曲线。特定点的土壤参数被用于理论分析的可见下表并基于边坡稳定计算分析并由相关发表数据提供。

土层参数

p-y曲线理论可用于破坏面的全部深度，大约26英尺。特定点全部深度p-y曲线计算结果如下图。

利用上述p-y曲线，最终土层反应是由破坏面的每单位深度增加决定的。

最终土层反应大小然后相对于沉井深度标绘并用于决定沉井的最终分布荷载，作为土层移动的结果，但是，如前所述，并未考虑土层的整体效应，最终荷载相对于沉井深度的大小呈现如下图，

如图所示，看起来最终荷载线性在破坏面上分布于沉井，综上所述，土压力将由沉井位移决定（土压力会随着沉井位移减小而变小），减小的位移被表现为引入的削减系数α，之前的公式可改为如下：

其中

应用的α大小为0到0.55，分布土压力在LPILE分析中估计并应用来决定沉井顶部偏移引起的对应的α的值的大小，此处设计的值去1英尺位移，0.2英尺偏移的对应值，对应图如下。

为了比较分析中的结果以及边坡稳定的计算来决定需要的沉井强度，α可由上图决定。基于最终荷载的分布图，分布土压力也可以被认为是沿着沉井线性分布的，因此，基于此假设，α可以用下述公式表示

:总的减少的土压力荷载，由总的分布土压力相对于深度进行估计

：总的最终土压力荷载，估计方法同上

总的削减土压力是由预计的偏转值结合上图并且和沉井需要的抗力比较，以及边坡稳定分析中的沉井荷载估计，还有如下公式：

:沉井需要的抗力

：不加固的边坡安全因素

：加固的边坡安全因素

：不加固的边坡抗力

公式中沉井抗力沉井抗力的估算是基于预破坏面在斜坡倾斜仪中的结果，是在假设其保持原位并没有被边坡稳定的因素所影响的条件下成立的。

在边坡稳定分析及公式中，如果总的减少的土压力少于沉井需要的抗力，沉井直径或是沉井位移应该被调整为限定的沉井顶部偏移。通过这样的设计，看起来抗弯矩应该也能得到满足，小于容许弯矩。

对于这个项目，两倍于沉井位移的沉井位移被应用，并且，在前图所示中，被限制为1英尺的沉井顶部偏移。这种偏移对应于0.31的α值，在这样的条件下，最终荷载为774千镑，而相应减少的土压力荷载为230千磅。从边坡稳定分析来说，沉井需要的抗力大概为110千磅。考虑到。总的减少的土压力荷载是沉井需要抗力的两倍，设计满足要求，并且偏移值小于1英尺。为了最优化设计，沉井需要分布的更宽。但是，由于伴随着山崩下的长效弯矩，长期的倾斜仪监测需要应用，来证明整体偏移未超过一英尺。

α的对应图也能用来估计当前分布于沉井的荷载，根据于嵌固在沉井中的倾斜仪所计算的倾斜量即可。基于预估的约0.2英尺的偏移量，可得，大概52千磅的土压力已经被消减，小于设计值的四分之一。

四、结论

综上所述可得以下步骤的程序：

步骤一：利用监测数据和边坡稳定分析确定剪切破坏面发生的位置。

步骤二：利用LPILE合从剪切测验的土层状况分析所得的点进行p-y曲线分析，进行反算和其他方法验算。通过p-y曲线估计一个点的在破坏面上沿着沉井的特定最终土压力分布。

步骤三：计算沉井位移，进一步计算沉井顶部偏移量和削减参数，基于前文分析的步骤。沉井顶部侧移依据α进行计算。

步骤四：测试设计值大小对于可行的沉井顶部侧移是否符合。

步骤五：计算总的土压力，通过深度对应的分布土压力。估计沉井的抗力是否满足安全需要以及边坡稳定的分析和公式要求。

步骤六：如果沉井需要的抗力大于α与最终土压力的乘积，回到步骤三，并增大桩径或减小桩间距。流程需要继续直到抗力小于乘积为止。

从项目分析的结果和构造步骤来看，沉井需要谨慎设计和选定尺寸来提供足够的构造要求及安全储备。在沉井下沉过程 人们总是希望保持理想的垂

直下沉状态，但是大量沉井下沉实践证明，这是不现实的。主要由于以下的原因：沉井在平面上因结构构造原因各边重量不相等；下沉过程中井内各边的挖土不可能做到绝对均等；下沉深度范围内各层地基土厚度不均、强度不等；沉井周围地表上有可能附加荷载不均衡分布使沉井外井壁受到的侧压力有差异。总的设计土压力应该比实际的大约高出四倍，来减少沉井顶部偏移量。但是，长期监测是提倡的，来确定建筑的侧移量和荷载满足要求。另外，值得注意的是，如果地表情况和沉井设计设计不符，若干发展备案要有所准备。

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