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本文以世界最大沉井—沪通长江大桥主塔沉井为研究对象，针对目前工程中遇到的超大型深水沉井下沉受力特性不明确，下沉计算不准确，特别是对翻砂突沉这一世界级难题毫无应对之策、相关研究处于空白等问题，以试验(现场试验、室内下沉模拟试验、离心机下沉模拟试验等)和理论研究相结合的方法，对超大型深水沉井下沉受力特性和翻砂突沉机理进行了系统研究，揭示其下沉时受力特性和影响因素；提出了考虑埋深、施工状态、空间效应和倾斜等多因素耦合影响的下沉阻力计算方法；基于土体迁移规律建立了沉井翻砂突沉的判断模型，结合下沉阻力计算方法，首次提出翻砂突沉预警机制和相关预警阈值。主要内容和结论如下：
1、揭示砂土中超大型深水沉井下沉时端阻和侧阻的空间分布规律和影响因素，提出了考虑埋深、施工状态、空间效应和倾斜等多因素耦合影响的下沉阻力计算方法。(成果见已发表论文[2]、[3]、[4]和[5])
(1)揭示了端阻在多因素影响下的分布规律。沉井端阻随沉井埋深、下沉挤密程度和刃脚内侧泥面高度的增大而增大；端阻在沉井下沉时达到土体极限承载力；倾斜引起沉井下沉停滞一侧端阻增大；端阻空间分布为角点处最大，长边中点处最小，短边平均阻力大于长边。刃脚斜面阻力分布可用三次函数描述，计算值为三角形分布简化法的70％。
(2)沉井竖直时其侧压力介于静止土压力和被动土压力之间，其竖向分布为：沉井台阶处侧压力接近静止土压力理论值；台阶以下约0.4h处(h为台阶高度)为侧压力最大值点，为被动土压力理论值的50％至60％，此占比关系随埋深增大而减小；刃脚附近存在应力松动区，侧压力为最大值处的60％；台阶以上侧压力线性增大且存在应力集中点，为静止土压力理论值的2倍。
(3)沉井侧阻的横向分布与所处横向位置有关。其分布的离散程度随沉井埋深的增大而增大；在相同埋深时，侧阻随距中点的水平距离的增加而线性增大。横向侧阻均值点距侧边中点的距离约为0.25L(L为侧边边长)。
(4)内缩台阶设置可明显减小沉井侧阻。竖直状态下沉井埋深超过20m后，台阶以下区域平均侧阻为135kPa至320kPa，台阶以上区域平均侧阻为20kPa至80kPa；沉井整体平均侧阻为60至115kPa，是规范值的3至4倍。
(5)沉井施工状态改变对平均侧阻数值影响较小，但对侧阻分布形式影响明显。相同埋深下，沉井接高时侧阻为下沉时的0.9倍。针对沉井接高提出了应力消散模型，沉井埋深为20m至40m时，应力消散引起台阶以下应力集中点侧阻减小30％。
(6)为克服现有挡土墙土压力理论不适用于超大型深水沉井倾斜计算的难题，提出了基于水平挤土量和侧压力变化规律的沉井倾斜时侧压力计算模型。与竖直状态相比，沉井侧壁挤压土体时，侧压力呈线性增大；沉井侧壁远离土体时，侧压力呈线性减小。倾斜水平挤土量为0.006H时(H为沉井埋深)，侧压力为竖直状态时的2倍左右，与被动土压力理论值接近；远离土体0.0017H时，侧压力为竖直状态时的25％，接近静止土压力理论值。研究揭示了超大型深水沉井倾斜时水平挤土量与埋深的比值远小于经典挡土墙土压力理论值的特性。
2、首次揭示了沉井翻砂突沉与井外土体迁移的内在联系，并指出渗透力与迁移正相关，是影响土体迁移的主要因素；刃脚阻力和侧压力与迁移负相关，且均受渗透力影响。沉井翻砂突沉前后，刃脚踏面阻力、斜面阻力、刃脚处水力梯度和侧压力均出现明显变化，且此变化早于翻砂突沉的发生。(成果见已发表论文[1]和[5])
3、为攻克沉井翻砂突沉预警的世界级难题，首次提出超大型深水沉井翻砂突沉预警机制，并给出了相关预警阈值。该机制包括迁移系数计算模型、考虑多因素耦合影响的下沉阻力计算方法和现场监测值(沉井姿态、下沉阻力和吸泥管口流速等)综合分析与评估。当迁移系数B为0.5≤B＜1时，沉井可能发生小范围翻砂突沉；当B≥1时，沉井可能发生大范围翻砂和突沉，结合下沉阻力计算和现场监测结果，综合判断超大型深水沉井是否翻砂突沉。此项成果为确保沉井安全下沉，预防翻砂突沉危害做出了重要贡献。(成果见已发表论文[1]和专利[1])
4、揭示了沉井井外土体迁移规律、影响范围及迁移后形成的沉陷空间特征。井外土体的迁移轨迹主要为抛物线型，与迁移的影响边界基本一致，在工程上可采用折线分布，在河床面处影响边界为0.65H(H为沉井埋深)，河床面以下0.3H处为0.55H。下沉引起沉井处河床面的平均沉降量为0.15H。该项成果为评估沉井建造对河床面的改变提供了依据。(成果见已发表论文[1])
5、考虑到带斜面的刃脚处土体承载力计算尚未解决，本文基于有限元ALE下沉模拟，揭示了刃脚处土体承载能力与内摩擦角和粘聚力均存在线性正相关的内在联系。对于同一内摩擦角，当刃脚斜面完全入土时，刃脚处土体承载能力随泥面高度的增大而接近线性增大。内摩擦角对承载能力的影响大于粘聚力。当土体内摩擦角超过35°时，粘聚力对土体承载力的影响不明显。(成果见已发表论文[7])
1、揭示砂土中超大型深水沉井下沉时端阻和侧阻的空间分布规律和影响因素，提出了考虑埋深、施工状态、空间效应和倾斜等多因素耦合影响的下沉阻力计算方法。(成果见已发表论文[2]、[3]、[4]和[5])
(1)揭示了端阻在多因素影响下的分布规律。沉井端阻随沉井埋深、下沉挤密程度和刃脚内侧泥面高度的增大而增大；端阻在沉井下沉时达到土体极限承载力；倾斜引起沉井下沉停滞一侧端阻增大；端阻空间分布为角点处最大，长边中点处最小，短边平均阻力大于长边。刃脚斜面阻力分布可用三次函数描述，计算值为三角形分布简化法的70％。
(2)沉井竖直时其侧压力介于静止土压力和被动土压力之间，其竖向分布为：沉井台阶处侧压力接近静止土压力理论值；台阶以下约0.4h处(h为台阶高度)为侧压力最大值点，为被动土压力理论值的50％至60％，此占比关系随埋深增大而减小；刃脚附近存在应力松动区，侧压力为最大值处的60％；台阶以上侧压力线性增大且存在应力集中点，为静止土压力理论值的2倍。
(3)沉井侧阻的横向分布与所处横向位置有关。其分布的离散程度随沉井埋深的增大而增大；在相同埋深时，侧阻随距中点的水平距离的增加而线性增大。横向侧阻均值点距侧边中点的距离约为0.25L(L为侧边边长)。
(4)内缩台阶设置可明显减小沉井侧阻。竖直状态下沉井埋深超过20m后，台阶以下区域平均侧阻为135kPa至320kPa，台阶以上区域平均侧阻为20kPa至80kPa；沉井整体平均侧阻为60至115kPa，是规范值的3至4倍。
(5)沉井施工状态改变对平均侧阻数值影响较小，但对侧阻分布形式影响明显。相同埋深下，沉井接高时侧阻为下沉时的0.9倍。针对沉井接高提出了应力消散模型，沉井埋深为20m至40m时，应力消散引起台阶以下应力集中点侧阻减小30％。
(6)为克服现有挡土墙土压力理论不适用于超大型深水沉井倾斜计算的难题，提出了基于水平挤土量和侧压力变化规律的沉井倾斜时侧压力计算模型。与竖直状态相比，沉井侧壁挤压土体时，侧压力呈线性增大；沉井侧壁远离土体时，侧压力呈线性减小。倾斜水平挤土量为0.006H时(H为沉井埋深)，侧压力为竖直状态时的2倍左右，与被动土压力理论值接近；远离土体0.0017H时，侧压力为竖直状态时的25％，接近静止土压力理论值。研究揭示了超大型深水沉井倾斜时水平挤土量与埋深的比值远小于经典挡土墙土压力理论值的特性。
2、首次揭示了沉井翻砂突沉与井外土体迁移的内在联系，并指出渗透力与迁移正相关，是影响土体迁移的主要因素；刃脚阻力和侧压力与迁移负相关，且均受渗透力影响。沉井翻砂突沉前后，刃脚踏面阻力、斜面阻力、刃脚处水力梯度和侧压力均出现明显变化，且此变化早于翻砂突沉的发生。(成果见已发表论文[1]和[5])
3、为攻克沉井翻砂突沉预警的世界级难题，首次提出超大型深水沉井翻砂突沉预警机制，并给出了相关预警阈值。该机制包括迁移系数计算模型、考虑多因素耦合影响的下沉阻力计算方法和现场监测值(沉井姿态、下沉阻力和吸泥管口流速等)综合分析与评估。当迁移系数B为0.5≤B＜1时，沉井可能发生小范围翻砂突沉；当B≥1时，沉井可能发生大范围翻砂和突沉，结合下沉阻力计算和现场监测结果，综合判断超大型深水沉井是否翻砂突沉。此项成果为确保沉井安全下沉，预防翻砂突沉危害做出了重要贡献。(成果见已发表论文[1]和专利[1])
4、揭示了沉井井外土体迁移规律、影响范围及迁移后形成的沉陷空间特征。井外土体的迁移轨迹主要为抛物线型，与迁移的影响边界基本一致，在工程上可采用折线分布，在河床面处影响边界为0.65H(H为沉井埋深)，河床面以下0.3H处为0.55H。下沉引起沉井处河床面的平均沉降量为0.15H。该项成果为评估沉井建造对河床面的改变提供了依据。(成果见已发表论文[1])
5、考虑到带斜面的刃脚处土体承载力计算尚未解决，本文基于有限元ALE下沉模拟，揭示了刃脚处土体承载能力与内摩擦角和粘聚力均存在线性正相关的内在联系。对于同一内摩擦角，当刃脚斜面完全入土时，刃脚处土体承载能力随泥面高度的增大而接近线性增大。内摩擦角对承载能力的影响大于粘聚力。当土体内摩擦角超过35°时，粘聚力对土体承载力的影响不明显。(成果见已发表论文[7])