重力式沉箱在沙土层上的行为

重力式沉箱在沙土层上的行为 作者:C.F.Leung, F.H.Lee ,E.Khoo 一系列的离心模型试验已经评价了在建设和服务的荷载下沙洲坝上的重力式沉箱的水平和垂直位移。在沉箱模拟实验中模型沉箱中注满沉重的氯化锌溶液，而背后沉箱回填过程进行了模拟了洪水冲沙形成砂斗。从基本的测试中得到的结果表明，沉箱在港口服务负载下的水平滑动位移的大小是不符合规定的，甚至于只能在沙洲坝的相对密度在70%的基础上，设置在岸吊在沉箱顶部的操作。额外的测试显示，放置一层沉箱基础和沙洲坝之间的岩石基石将显著降低沉箱的水平位移。实验检查进行了影响沉箱宽度、沙洲坝厚度和回填土预压对沉箱的位移的研究。从几个观测沉箱的运动实地研究,通过比较这些研究来评估该模型结果的相关性。 引言： 重力沉箱是一个通过水沉没在规定成立的深度，成为永久码头结构的一个组成部分的盒状挡土结构。沉箱基本上执行作为一 个从码头地基传输荷载的直接的承重构件，和作为挡土结构的双重功能。图一展示的是正在研究的一个典型的集装箱泊位的基本特征。施工的第一阶段从海底平面向下清除的软土直到基岩，第二阶段在水压作用下沙子在挖掘区域形成一个沙洲坝，并使得沉箱飘离出了预定区域，而且作为回填物的沙子落到了沙洲坝的顶部，使沙子被用作用于重力沉箱的基础。当沉箱内的回填物下降到与沙洲坝水平的位置，同时沙子在水压的作用下在沉箱背后形成回填，在这种情况下，大多数预制沉箱的移动是要持续整个施工过程。当码头结构是在港口服务，和例如岸吊一类的重型港口机械的操作，如果部分支持沉箱上，部分安装在回填区桩，则必须严格限制沉箱的运动。为了研究利用重力沉箱作为码头结构的一部分的经济可行性，压实度要求限制在地上，沉箱的运动必须对水下压实的成本进行权衡。到目前为止，已经有几个出版物介绍了重力沉箱的实际现场负载条件下的位移。Kobayashi等人。（1987）和Terashi等人（1990）报道的全面负载测试分别安装在小名滨和舞鹤日本港口沉箱重力作用的结果。此外，无论是研究人员进行了离心模型试验来研究沉箱位移，在这些实验室和现场研究有两个独立的负载驱动器被用来敷在沉箱垂直和水平荷载。利用致动器可能无法模拟变化的幅度，方向和土压力合力的作用线，通过施加水压力沙子填充并导致沉箱移动。鉴于此，研究进行了探讨采用离心模型模拟在建设中和服务负载条件下，搁在不同密度的沙洲坝上重力沉箱的运动。在这项研究中，模型混凝土沉箱中充满了压载液随后在飞行中的模拟沉箱的下沉和模拟砂斗回填的安置。本文提出了这项研究的结果。 离心机模型试验的原则和标度律

离心模型的原则在许多出版物，包括斯科菲尔德（1980）和Taylor（1994）已被描述。通过研究一个模型在离心机创造的一个净引力场，原型的应力水平和因在此之下土壤中的行为可以被复制，模型试验结果可以用来理性地解释原型的行为。对于沙洲坝支持沉箱的的研究，是原型和离心模型之间的相关的标度律如下：

其中，F=力，L =线性尺寸，P=压力，D= 位移;下标m离心模型和p=和原型数量。 实验的设置和步骤 实验装置和仪器的示意性布局分别示于图2和3。所有实验均在新加坡国立大学的土工离心机上进行，其有效半径有1.87米，容量为40000g-公斤，并最大可操作量可达200克。Lee等人在1991年对该离心机的细节进行了描述。控制室配有专用计算机，它允许离心机主控制系统自动化控制离心机的视频监视器，个人电脑的记录和显示数据;液压执行器控制面板和电气触发器的模型试验控制操作（吴1994）。该模型容器具有从75毫米厚的有机玻璃和其它壁由不锈钢制成的带加强板，以提高刚性，保持平面应变条件，在模型中做了一个前窗。在研究初期，人们发现，摩擦对容器的侧壁的作用是实质性的和显著的影响模型的行为。经过研究，以评估在侧壁的摩擦，邱氏等人在1994年建立了壁衬有greasetreated聚乙烯片的材料可能会大幅减少侧摩擦.。本程序是通过采用所有的测试来分析未来。 该模型的制备包括五个阶段：（1）准备砂床，沉箱（2）安置;（3）沙hopperassembly;（4）压载液组装，以及模型的制备（5）instrumentation.Details和测试过程已经由Leung等在1994描述了。将在此不重复。实验所用的砂是一种中等细河砂有效粒度DIO为0.33 Jl.m，均匀系数为1.67，比重为2.68，最小干密度为1,350 kg/m3和最大干密度为1636 kg/m3的。模型沉箱用microconcrete浇铸并衬有有3毫米厚度的内钢衬的钢筋。外部混凝土表面确保了在沙沉箱接口模拟实现摩擦特性，而在沙沉箱的内部钢衬提供了必要的刚性和稳定压载液体。 所有的测试均在100克下进行，确定模型在该重力场内部middepth的位置是从模型沉箱到模型容器的底部上方。在每个离心试验，施工和沉箱活荷载的模拟，分为三个阶段。在第一阶段，通过打开从油箱放置在离心机臂上的空沉箱一个电磁阀释放流体密度为2,000 kg/m3浓氯化锌溶液（ZnCI2）。第二阶段涉及回填放置的模拟由在飞行中pluviation砂从砂斗安装在回填区域的正上方，如图所示3，细分方案到每个具有在底部有20毫米直径的孔3×3单元的矩阵的料斗。一种滑动闸板带有9个对应的孔附着在料斗的底部下方。实现在飞行中放置的砂填料，挡板是由液压致动器推动，使得孔与料斗单元对准。偏转板也用下面挂着的料斗来控制落砂的轨迹。一个典型的回填放置的进度的电视画面，并示于图4。很显然，在初始和中间阶段回填高度缓慢的、有点不均匀的上涨，并且许多沙字在建设时离开沉箱。最后阶段涉及沉箱的额外的填充，来模拟在沉箱的活荷载，使用类似于用于第一阶段过程的方法，在整个测试过程中每两秒一次监测仪器的读数。 实验结果 实验进行了一个150毫米深、相对密度为50％的沙洲坝支撑着180毫米宽的模型沉箱来说明一个典型的测试结果。在100g，该模型模拟了一个原型为18米宽和沙洲坝15米厚的沉箱。图5（a）展示出的沉箱平均压力随时间的变化的三个阶段的荷载。在

此图中，零时间的换能器被设置为时间时的克级达到100克。 通过由沉箱和氯化锌的总重量除以沉箱基体的横截面面积所得到的平均沉箱压力。氯化锌的重量从所述两个压力传感器设置在沉箱内得到的压力读数来确定。在随后的分析中，沉降量将相当于原型值呈现。图5（b）示出了沉箱三个装载阶段的垂直和水平位移。1977年山口等通过开展对模型地基的密砂离心试验，在剪切带的故障扩展到几个基础宽度的基础下建立的。虽然容器侧壁在一个沉箱边缘上的宽度，但是对沉箱的容器边界效应不太可能造成显著的影响沙洲坝，规则要求的工作负荷，远低于最终失败的负荷。沉箱下方的流动剪切区预计是比较小的。还应当指出，旋转式离心分离机导致沉箱自重的位移不能被精确地测量，并因此排除。此外，在沉箱位移的差异预计沉箱自重最少为约170千帕，这比为160千帕的压力浮力只略高一点。在第一阶段，有一个在沉箱水平位移几乎没有变动，而垂直位移被注意是相当一致。 另一方面，第二阶段大水平位移是相当明显的，而向海侧和陆地

垂直位移开始显示不同的沉箱已经倾斜。尽管事实只有垂直荷载施加在第三阶段，更多的水平位移和差分垂直位移分别指出沉箱的进一步倾斜。为了进一步研究沉箱的行为，测试数据都重新绘制参考沉箱压力/位移响应。沉箱压力与每个装载阶段增量原型垂直位移示于图6。应当指出的是，由于回填不随时间均匀地上升，回填压力的大小无法确定，因此用回填的时间模型来代替，参见图图6（b）所示。在第一阶段中，应指出压力/垂直方向的位移响是相当线性的，人们注意到最大垂直位移，大约130毫米的原型而言，如图所示。图6（a）。在第二个阶段，沉箱向海侧进一步下沉55毫米，而向陆侧进一步下沉只有10毫米，造成45毫米的差分垂直位移，如图所示。图6（b）所示。沉箱在在第3阶段活载作用下，沉箱靠海的一边 又继续下沉30毫米，而向陆一侧仅仅只下沉了5毫米，于是造成了25毫米的额外的分差垂直位移。通过假设沉箱表现为刚性体，因为它取代了，所测得的位移可以分解成垂直沉降，倾斜和沉箱的水平滑动位移。滑动位移和沉箱倾斜压力的变化如图7所示。正如前面提到的，在第一阶段期间几乎没有横向位移。在第二个阶段，最大水平位移在沉箱顶部注意到约为132毫米，它由82毫米滑动和倾斜造成的50毫米移动组成。但应注意的是，滑动位移和倾斜发生在第3阶段，虽然观察只在垂直载荷增量施加。作为负载施加在从回填现有的侧向土压力的存在，这种情况是有点类似于该塑料材料或体系。在这样的系统中，增量应变或位移是不成正比的负载或应力增加，但不是现有的负载或应力。需要进一步的研究来阐明这个想法。 沙洲坝相对密度的影响 含水沙子填充的位置附近通常会形成一个（RD）的40％左右相当松散的沙洲坝。这类松散沙洲坝水下致密化是经济效益最高的的而高达约65％的相对密度之后的进一步致密化的成本变得非常高昂。鉴于此，一些离心机进行实验，研究沉箱支承在相对密度范围在40％至70％的沙洲坝的位移。通过校准测试手段使重力场从1增加到100克研究沙子在沙滩上的相对密度变化，据此，150毫米厚的沙洲坝下沉后，它已受到100g的重力进行了10分钟测定研究。结果发现，相对密度60％及以上的砂密度是几乎没有变化的。对于相对密度50％的砂密度增加了约6％，而相对