把已建造成型的井筒或者箱体(带底板的井筒)按边排土边下沉的方式沉入地下,即为沉井或沉箱。随着我国基础设施建设的蓬勃发展,沉井因其整体性好、刚度大等特点越来越成为跨江跨海大桥主塔基础、锚碇以及大型水工构筑物的首选方案。沪通长江大桥主塔基础位于超过两百米厚的第四系全新统(Q4)的河流相、河湖相以及滨海相沉积覆盖的土层中。沉积时间短、前期压力小、承载力小、易沉降变形等是其主要特征。本文结合沪通长江大桥主塔基础的超大截面沉井的设计和施工,通过现场试验与监测、室内大比例尺模型试验、理论分析和数值模拟等手段,开展了深埋大截面沉井地基土的破坏机理和承载能力的相关研究,进行的工作和取得的结论如下:1.沉井在下沉施工阶段,是一种工具性的围护结构,其承载能力通过刃脚承载力和侧壁摩阻力体现。(1)对于刃脚承载力,本文通过假设刃脚下土体的破坏机构推导了基于极限分析的上限解,并通过理论分析对其破坏机构的合理性进行验证。对于无重度土上基础的极限承载力上限解,刃脚上限解在特定状态下与已经验证的精确解吻合良好。(2)通过数值模拟进一步对上限解的计算进行验证分析,并讨论刃脚踏面相对宽度和斜面角度对刃脚承载力的影响。刃脚承载力随踏面相对宽度先增大后减小,接触面摩擦角δ=0.5φ时变化幅度较δ=0时平缓;在相同斜面角度下,承载力随踏面相对宽度的变化趋势大致相同;刃脚在不同土体中的承载力差异巨大;在δ=0.5φ时刃脚的承载力有显著增大,而且在土体内摩擦角不同时的差异性也较δ=0更加明显。(3)结合沉井下沉施工阶段承载能力的分析,将传统的对沉井突沉的研究扩展至埋深较浅和埋深较浅两种情况。二者的诱发因素存在一定差异。埋深较浅时,突沉的主要诱发因素为一侧刃脚处土体的竖向抗力突然减弱,由于缺乏有效的侧向支撑,突沉通常会引起沉井姿态的显著变化;埋深较深时,突沉主要诱发因素为沉井侧摩阻力局部应力集中的突然降低,由于周边土体对沉井的有效侧向支撑作用,突沉后沉井姿态不会发生明显变化;(4)由于不同土体工程特性的差异和分布的不确定性,以及沉井下沉过程中不可避免的姿态变化,对于沉井与地基土之间的相互作用目前从理论上难以精确把握。通过理论定性分析指导并结合现场实时监控的定量参考,二者相辅相成,在沉井下沉过程中可以给出相对可靠的施工建议和实时预警,为沉井安全、有序的下沉提供有效保障。2.在沉井建成使用阶段,沉井的作为深埋大型刚性基础,其承载能力就是在地基土不发生超出预期沉降时所能承受荷载的能力。(1)通过静载模型试验和数值模拟计算发现,砂土地基的破坏具有明显渐进破坏特征。刚性基础基底与土体的接触应力也随着地基土的渐进破坏出现显著的重分布。在荷载施加初期,基底接触应力和土中应力分布均为均匀增长;随着荷载增加,基础边缘开始出现屈服,屈服区域的基底接触应力不再继续增长,接触应力出现峰值,土中相应位置的水平应力出现显著增长;随着荷载继续增加,屈服区域由基础边缘向基础中心扩展,接触应力的峰值也随之向基础中心移动,土中水平应力的峰值向深部方向移动。(2)本文从沉降控制的角度出发,将大型基础荷载作用的不同阶段和传统基础的破坏模式统一起来,将不同破坏模式下的基础承载能力研究转化为同一模式下不同阶段的研究。在压密阶段,地基土尚未出现剪切塑性区,整体处于弹性压缩状态,此时,若基础已经出现不可控沉降,可以视为冲切破坏;在局部剪切剪切阶段,地基土屈服区域尚未联通,此时,若基础已经出现不可控沉降,可以视为局部剪切破坏。(3)基于被动土压力原理推导了地基土渐进破坏公式,根据公式可确定屈服区域的宽度,进而确定基底接触应力的分布。q0≤cNc+qN 时,地基土整体处于弹性状态,接触应力为均匀分布;cNc+qNq≤q0≤qu时,地基土处于局部剪切状态,屈服区域基底接触应力为均匀分布和梯形分布的组合,屈服区域下土体因在不同荷载下从边缘向中心逐渐达到极限状态而呈现梯形分布,弹性区域仍为均匀分布。(4)通过高围压下砂土三轴试验,发现砂土的压缩分为两个阶段:弹性压缩阶段和屈服压缩阶段,并根据试验数据提出了砂土压缩模量在不同荷载和围压下的简易修正公式,为本文的基于沉降控制的承载力计算方法的验证提供参考。(5)提出基于沉降控制的大型沉井基础承载力设计方法。结合基础底面接触应力分布,在计算中不考虑屈服区域的承载能力,采用荷载增量和荷载施加后环境下砂土的压缩模量通过一定量的迭代计算,即可得到以基础远期沉降为控制指标的基础承载力设计值。