趙鑫 楊雪 宋立偉
摘 要:為了更好了解于沉井下沉施工中井壁與土體間相互作用機(jī)理,利用三維拉格朗日有限差分軟件—FLAC3D,對(duì)沉井下沉施工進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)在井壁與土體間設(shè)定接觸面的方法研究井壁與土體的接觸狀態(tài)及其應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。模擬結(jié)果表明:沉井下沉過(guò)程中井壁上部受拉下部受壓,整體呈現(xiàn)一定的上浮趨勢(shì),但結(jié)果可以接受;接觸面受法向應(yīng)力影響較大,剪切影響較小,但不影響沉井施工。
關(guān)鍵詞:井壁;接觸面;FLAC3D;數(shù)值模擬
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于大型沉井以及巖土特性進(jìn)行了大量的分析模擬和研究[ 1-4],但對(duì)于在深厚淤泥層這類軟土地基上進(jìn)行工程施工模擬的分析較少。沉井作為許多非開挖項(xiàng)目的重要組成部分,在整過(guò)施工過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)要求、技術(shù)要求、質(zhì)量要求都很高,如何保證沉井安全施工已成為巖土工程主要問(wèn)題之一。沉井下沉施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,需要進(jìn)行大量的探索研究,其中數(shù)值模擬方法作為研究方法之一,具有成本低,靈活性大,數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點(diǎn)。FLAC3D軟件是巖土工程中應(yīng)用較為廣泛的數(shù)值模擬軟件,其含有的接觸面單元可以很好的模擬井壁與土體間的相互作用。鑒此,本文運(yùn)用FLAC3D軟件,通過(guò)設(shè)置接觸面的方法來(lái)分析井壁與土體間的作用狀態(tài)及力學(xué)特性。
一、建立數(shù)值模擬模型
(一)工程背景
本項(xiàng)目場(chǎng)地位于溫州市某區(qū),擬建工程主要由電力隧道、頂管工作井和接收井組成。本文以工作井為研究對(duì)象。工作井為混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑。沉井施工時(shí)主要涉及的土層為:①2 黏土、②1 淤泥夾砂、②2 夾砂淤泥、②3 淤泥。沉井封底時(shí),刃腳處于②3 淤泥層中,各層土的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表 1。該工作井位于農(nóng)田內(nèi),外井壁西北側(cè)距離廟宇圍墻 13.7m(磚砌結(jié)構(gòu)),距離主殿 25m(磚砌結(jié)構(gòu)),井外壁東側(cè)距離臨近高壓塔 16.87m。
(二)數(shù)值模擬模型
FLAC3D數(shù)值模擬采用的是混合離散法來(lái)模擬材料的屈服或塑形流動(dòng)特性,這種方法比有限元方法中通常采用的降階積分更為合理[5]。在構(gòu)建幾何模型時(shí),采用了軟件中的Cylinder、Radcylinder、Schell和Brick基本網(wǎng)格模型;在構(gòu)建本構(gòu)模型時(shí),土體采用Mohr-Coulomb模型、基坑運(yùn)用Null模型、沉井采用單Elastic模型,構(gòu)建出的模型實(shí)體如圖1所示。
沉井下沉完成后在井壁與土體間設(shè)置接觸面元(見(jiàn)圖2),INRTERFACE單元在FLACED中是一種很特殊的單元,常被物體間的接觸面、兩種不同性質(zhì)區(qū)域的接觸界。
二、井壁與土體間接觸面模擬結(jié)果分析
對(duì)沉井下沉過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,從圖3、圖4模擬結(jié)果表明,沉井下沉后頂部井壁受拉,底部受壓;井底土體出現(xiàn)隆起,整個(gè)沉井出現(xiàn)上浮情況。
由圖5、圖6可知沉井下沉后井壁與土體間發(fā)生相互作用,接觸面發(fā)生了力的傳遞,致使井壁與土體發(fā)生相互滑動(dòng)與分離,分離部位較少且接近井口處,與之前模擬的頂部井壁受拉結(jié)果相符,圖九綠色部位顯示分離區(qū)。
由圖7~圖8可知,沉井根部的接觸面受到了較大的壓應(yīng)力,產(chǎn)生了一定的法向位移;雖然接觸面受到剪切應(yīng)力的作用,但僅在井壁底部少數(shù)位置產(chǎn)生剪切變形,井壁整體受剪切影響較小。
三、 結(jié)語(yǔ)
運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)沉井下沉施工進(jìn)行模擬,可以更加深入的分析井壁與土體之間的相互作用,創(chuàng)建的INTERFAC接觸面單元可以更加直觀的了解井壁與土體間的滑移與分離,其操作也更為便捷。本次模擬結(jié)果表明:沉井下沉過(guò)程中井壁上部受拉下部受壓,整體呈現(xiàn)一定的上浮趨勢(shì),但結(jié)果可以接受;接觸面受法向應(yīng)力影響較大,剪切影響較小,但不影響沉井施工。
參考文獻(xiàn):
[1] 劉鵬. 甌江北支盾構(gòu)穿越沉井施工數(shù)值模擬研究[J]. 科技信息, 2014(06): 212-213.
[2] 劉波, 韓彥輝. FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005.