沉井施工中井壁—土體接觸面力學(xué)特性分析

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.