錨碇沉井排水下沉期應(yīng)力特性研究

李維生，楊彤薇

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065;2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

0 引言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，橋梁建設(shè)逐漸朝著大跨度、深水域方向發(fā)展，大型沉井基礎(chǔ)憑借其整體性好、承載能力強(qiáng)、剛度大的獨特優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于橋梁索塔基礎(chǔ)和錨碇基礎(chǔ)[1]。大型沉井在接高下沉過程中普遍面臨下沉困難、結(jié)構(gòu)開裂等問題，準(zhǔn)確計算沉井在首次接高下沉期間各種開挖工況下的內(nèi)力分布成為解決上述問題的關(guān)鍵。

1985年，葉建榮等[1]將市政沉井分解為不同支撐條件的幾塊矩形板，并用力法對3種不同約束條件：兩邊固定、一邊自由、一邊簡支的板進(jìn)行了求解，用混合法結(jié)果對計算結(jié)果進(jìn)行了效驗，同時還用差分法計算了大開孔的矩形板；1993年，茹建輝[2]針對沉井不均勻支撐情況，將不均勻支撐反力簡化為均布荷載，反對稱作用于沉井長邊上，進(jìn)而對沉井內(nèi)力進(jìn)行了計算；2010年，肖德存等[3]對泰州長江大橋中塔沉井在浮運及刃腳下土體被掏空的最不利工況進(jìn)行了分析，利用MIDAS Civil進(jìn)行水平框架分析，分析范圍包括刃腳根部以上高度并等于該處壁厚的一段沉井壁，結(jié)果表明：最不利工況滿足設(shè)計的內(nèi)力要求；2011年，穆保崗等[4]針對南京長江四橋北錨碇沉井，利用有限元分析了首次下沉過程中的應(yīng)力較大點，并對沉井應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果表明：沉井受力情況與沉井底部支承情況關(guān)系密切；2012年，朱建民等[5]將馬鞍山長江大橋的南側(cè)錨碇沉井作為實例進(jìn)行研究，將刃腳及內(nèi)隔墻下方土體支承簡化為文克爾彈性地基，用電算程序?qū)Τ辆诖箦伒组_挖及分區(qū)開挖工況下的內(nèi)力進(jìn)行了計算，結(jié)果表明：分區(qū)開挖可明顯降低內(nèi)隔墻彎矩，支撐剛度比會對沉井的彎矩產(chǎn)生較大影響，并首次將沉井設(shè)計從水平框架轉(zhuǎn)換到深度方向；2015年，鄧友生等[6]詳細(xì)研究了武漢鸚鵡洲長江大橋的北側(cè)錨碇圓形沉井的相關(guān)資料，得出首次下沉階段會出現(xiàn)最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力，沉井結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布在后面的下沉中均較為均衡；2016年，潘峰等[7]對某水電站調(diào)壓圓形沉井驗算沉井內(nèi)力，對于下沉過程中遇孤石情況利用有限元軟件進(jìn)行了分析，建議沉井施工中控制沉井的傾斜度，并采用先排孤石后下沉的方法，否則將加大沉井內(nèi)力，產(chǎn)生不良后果；2019年，蔣炳楠等[8]以滬通大橋沉井為背景，設(shè)計完成了深水大截面沉井下沉模擬試驗，得出最大應(yīng)力出現(xiàn)在沉井角點處，最小應(yīng)力出現(xiàn)在長邊中點處，長邊平均應(yīng)力小于短邊;國內(nèi)其他學(xué)者[9-19]也對沉井進(jìn)行了大量相關(guān)的研究工作。

目前大型沉井的隔墻多數(shù)應(yīng)用了鋼殼混凝土的結(jié)構(gòu)型式，在沉井實際接高下沉過程中，易出現(xiàn)鋼殼和混凝土脫開甚至鋼殼被拉裂的現(xiàn)象，并對沉井基礎(chǔ)施工過程中和運營期間的安全造成較大的影響?，F(xiàn)有針對沉井結(jié)構(gòu)內(nèi)力的研究中主要考慮沉井刃腳處的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，研究對象也以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，而缺乏對沉井隔墻鋼殼和混凝土協(xié)同工作性能的研究。

本研究以南京仙新路過江通道工程跨江主橋北錨碇沉井基礎(chǔ)為研究對象，運用ABAQUS有限元數(shù)值分析方法并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對大型沉井首次接高下沉期隔墻鋼殼和混凝土的協(xié)同工作性能開展研究。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

仙新路過江通道工程位于南京長江二橋下游6.2 km，南京長江四橋上游4.3 km處，跨江主橋采用主跨為1 760 m的單跨門型塔整體鋼箱梁懸索橋，主橋跨度布置采用(580+1 760+580) m，矢跨比1/9，規(guī)模居國內(nèi)第一，世界第二。其中，南錨碇基礎(chǔ)為地連墻結(jié)構(gòu)，北錨碇基礎(chǔ)為沉井基礎(chǔ)。

北錨碇位于長江北岸的沖積平原區(qū)，西壩港的煤炭堆放區(qū)內(nèi)，沉井基礎(chǔ)尺寸為70 m×50 m(第1節(jié)沉井的長度為70.4 m，寬度為50.4 m)，屬于大型陸地沉井。

沉井總高度為50 m，豎向共分9節(jié)，其中，第1節(jié)為鋼殼混凝土沉井，高度為8 m；第2～9節(jié)均為鋼筋混凝土沉井，其中第2節(jié)高度為6 m，第3～8節(jié)高度均為5 m，第9節(jié)高度為6 m。沉井封底混凝土厚10.5 m，基底置于密實的圓礫土層上。北錨碇沉井基礎(chǔ)的平面圖及立面圖如圖1所示。

圖1 仙新路北錨碇沉井基礎(chǔ)平面和立面圖(單位：cm)

仙新路過江通道跨江主橋北錨錠沉井基礎(chǔ)計劃分3次接高、下沉，接高、下沉方案見表1。

表1 沉井接高、下沉方案

沉井下沉初期以隔艙為單位，按照從中間向四周擴(kuò)散的原則分區(qū)域?qū)ΨQ開挖，保持井壁及隔墻下部土體不動，待下沉到一定深度后，按照從中間向四周的順序除去隔墻下部土體，最終形成僅有刃腳參與支承的開挖形式。

南京仙新路過江通道工程跨江主橋北錨碇沉井基礎(chǔ)施工過程中采用了諸多新的施工技術(shù)和工藝，具體如下：

(1)采用了砂樁復(fù)合地基處理技術(shù)，確保首節(jié)鋼殼沉井地基加固質(zhì)量；

(2)創(chuàng)新采用了泥漿泵吸泥的“半排水下沉”工藝，共下沉5.8 m，日均下沉0.97 m，提高了工效；

(3)研發(fā)了預(yù)加沉井自重、預(yù)設(shè)空氣幕和砂套的“組合式助沉”技術(shù)，在沉井最后約6 m的不排水下沉過程中，前期預(yù)留的空氣幕助沉措施發(fā)揮了非常大的作用，大大加快了下沉速度，同時有效避免了底部涌砂危險；

(4)采用沉井信息化施工監(jiān)控技術(shù)，及時掌握沉井的實時信息，并運用溫度場和應(yīng)力場仿真技術(shù)，保證理論大體積混凝土施工質(zhì)量，同時，根據(jù)錨固鋼板側(cè)向剛度小的特點，研發(fā)了錨固鋼板空間疊層技術(shù)；

(5)沉井采用水下邊吸泥邊測量系統(tǒng)，采用云平臺實時傳遞吸泥狀況，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

1.2 工程地質(zhì)條件

錨碇位處長江北岸，其下覆蓋土層厚度60 m左右，地表填土以下覆蓋7～8 m厚流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土并夾有少量粉土、粉砂，其下為厚30～45 m的粉細(xì)砂夾少量粉質(zhì)黏土，粉細(xì)砂以下為20～25 m厚中粗砂、含卵礫石中粗砂、圓礫等混合土層。基巖為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，巖面標(biāo)高-60 m 左右，強(qiáng)風(fēng)化基巖發(fā)育，厚2～5 m，中風(fēng)化巖面高程在-62 m左右，巖體較為完整，為極軟巖，各地層物理參數(shù)見表2。

表2 地層物理參數(shù)

2 ABAQUS有限元分析

2.1 模型參數(shù)

采用ABAQUS有限元分析軟件對沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，為使沉井模型更好地貼近工程實際，可按照1∶1的比例建立沉井接高4節(jié)的三維模型。建立模型時沉井本體材料采用的各項物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。鋼殼與混凝土間設(shè)置接觸，利用“Penalty”函數(shù)接觸模擬兩者之間的切向接觸特性，摩擦系數(shù)取0.4；利用“硬接觸”模擬兩者之間的法向接觸，限制可能發(fā)生的穿透現(xiàn)象。

表3 模型參數(shù)

綜合考慮計算效率和沉井下沉過程中實際影響范圍的兩個因素，將土體的尺寸設(shè)置為200 m×150 m×150 m，土體的各項參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告中提供的土體參數(shù)進(jìn)行選取，土體本構(gòu)選用Mohr-Coulomb。根據(jù)實際施工條件，沉井在前4節(jié)接高過程中，刃腳底部埋置于地表以下3 m位置。沉井與土體模型及剖面圖如圖2所示。

圖2 前4節(jié)沉井與土體模型

2.2 計算工況

根據(jù)實際施工條件，沉井接高4節(jié)(共計8+6+5+5=24 m)后首次下沉，計算時按照實際施工工況分6種工況分別進(jìn)行計算。其中，工況1～4為接高工況，工況5～6為挖土下沉工況，各工況條件如下：

(1)工況1：首節(jié)沉井制作完成。首節(jié)鋼殼制作完成后，放置加強(qiáng)鋼筋并澆注混凝土，刃腳底部標(biāo)高位于地表以下3 m。

(2)工況2：接高第2節(jié)鋼筋混凝土沉井。

(3)工況3：接高第3節(jié)鋼筋混凝土沉井。

(4)工況4：接高第4節(jié)鋼筋混凝土沉井。沉井接高4節(jié)，刃腳埋入土體內(nèi)3 m，保證20個井孔內(nèi)部土體不被擾動(全斷面支承)。

(5)工況5：保持刃腳和分區(qū)隔墻下部的土體不被擾動，沉井結(jié)構(gòu)由刃腳和分區(qū)隔墻共同支承。分區(qū)開挖工況如圖3所示，黑色方框為開挖范圍。

圖3 分區(qū)開挖(工況5)

(6)工況6：僅刃腳支承。考慮實際挖土下沉施工過程中，會出現(xiàn)分區(qū)隔墻下部土體松動、支撐力不足的情況,或出現(xiàn)沉井下沉困難，為保證沉井順利下沉，采用挖掉分區(qū)隔墻下部土體來助沉的情況。此時應(yīng)考慮最不利情況進(jìn)行計算，即所有隔墻全部脫空，僅刃腳起支承作用的工況。全面開挖工況如圖4所示，黑色方框為開挖范圍。

圖4 全面開挖(工況6)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

經(jīng)過數(shù)值分析，在土體均勻的情況下，各工況應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在底節(jié)鋼殼的位置，各工況計算得到的最大主應(yīng)力分布特征如表4所示。

表4 各工況最大主應(yīng)力出現(xiàn)位置

對比除土下沉的兩種工況分區(qū)開挖(工況5)和全面開挖(工況6)可以看出，在下沉初期，刃腳埋入土體深度較淺時，隨著開挖范圍的不斷擴(kuò)大,底部支承范圍減小，沉井首節(jié)鋼殼底部的應(yīng)力整體呈現(xiàn)增大的趨勢。應(yīng)力云圖中以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù),如圖5、圖6所示。

圖5 工況6沉井主應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

圖6 工況6底節(jié)鋼殼應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

分析沉井本體混凝土的受力情況，可以得到各工況混凝土應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在底節(jié)混凝土處，應(yīng)力值最大為1.92 MPa，出現(xiàn)在沉井底部中心位置，計算得到的應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 底節(jié)內(nèi)澆注混凝土應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

分別提取各工況條件下混凝土長邊中隔墻和短邊中隔墻底部的應(yīng)力分布，得到各工況應(yīng)力對比，如圖8所示，可以看出沉井中心位置的混凝土應(yīng)力最大，且隨著接高高度不斷增加(工況1～4)，沉井中心位置混凝土底部應(yīng)力逐漸減?。辉谙鲁脸跗?，刃腳周圍的土體未形成對沉井的有效約束時，隨著開挖范圍不斷擴(kuò)大(工況5～6)，混凝土底部應(yīng)力逐漸增大。

圖8 隔墻底部應(yīng)力分布特征曲線

從沉井本體與鋼殼體上分別提取沉井底部隔墻對應(yīng)點的位移，結(jié)果如圖9所示。計算結(jié)果表明沉井本體結(jié)構(gòu)變形與鋼殼變形不一致，說明鋼殼和沉井結(jié)構(gòu)發(fā)生了脫離趨勢。

圖9 沉井底部隔墻變形

3 現(xiàn)場應(yīng)力實測分析

3.1 沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在沉井基礎(chǔ)定位、接高、取土下沉、排水及終沉階段，隔墻底部的應(yīng)力是重要指標(biāo)。在沉井底部鋼殼沿順橋向布置7個(GDY-1～GDY-7)監(jiān)測測點，安裝位置如圖10所示。

圖10 應(yīng)力監(jiān)測點位置示意圖

2020年11月1日—12月1日，仙新路過江通道北錨碇沉井已安全、順利地完成首次接高和第1次降排水下沉。對沉井第1次排水下沉階段(即接高4節(jié)后首次下沉階段)的隔墻和刃腳底部的鋼殼應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如圖11、圖12所示的隔墻及刃腳底部應(yīng)力分布。監(jiān)測結(jié)果表明：在下沉初期，沉井隔墻底部應(yīng)力總體隨著下沉深度的不斷增加而緩慢增加，當(dāng)沉井下沉到一定深度時，沉井外側(cè)土體對刃腳形成一定的約束作用，此時鋼殼應(yīng)力呈現(xiàn)總體穩(wěn)定且略微下降的趨勢；隔墻及刃腳底部鋼殼應(yīng)力呈現(xiàn)出中部大、端部小的規(guī)律，與數(shù)值分析結(jié)果一致；隔墻及刃腳底部鋼殼應(yīng)力在最中心處略有下降，分析原因為沉井下沉過程中的糾偏對其應(yīng)力分布產(chǎn)生的影響。

圖11 隔墻及刃腳底部應(yīng)力隨時間變化關(guān)系

圖12 隔墻及刃腳底部鋼殼應(yīng)力空間分布曲線

3.2 沉井側(cè)壁土壓力分析

土壓力計設(shè)置在沉井基礎(chǔ)的四周側(cè)壁，用以監(jiān)測沉井下沉過程中側(cè)壁摩阻力沿深度的變化，同時監(jiān)測側(cè)壁土壓力與沉井下沉深度的關(guān)系。側(cè)壁土壓力測點共62個，沿高度方向布設(shè)6個監(jiān)測斷面，土壓力計布置圖見圖13。

圖13 側(cè)壁土壓力監(jiān)測點示意圖

圖14為沉井側(cè)壁土壓力隨時間變化關(guān)系曲線，由圖14可知：不同位置測點的沉井側(cè)壁土壓力值均隨沉井下沉深度的增加不斷增大，第2節(jié)沉井側(cè)壁土壓力升高速度整體大于第1節(jié)沉井側(cè)壁土壓力升高速度。沉井寬度方向上的土壓力隨深度升高值大于其長度方向上的土壓力隨深度升高值，分析可能原因如下：沉井下沉過程由于取土，隔墻底部土體支承不可能做到時時刻刻完全對稱，有可能會出現(xiàn)前后、左右傾斜狀態(tài)。顯然，短邊方向側(cè)壁土體更少，能夠提供的抗力較長邊方向偏小，故沉井更有可能發(fā)生向短邊的傾斜，使得短邊方向土壓力升高大于長邊方向。

圖14 沉井側(cè)壁土壓力隨時間變化關(guān)系

4 結(jié)論

本研究以南京仙新路過江通道工程跨江主橋北錨碇沉井基礎(chǔ)為研究對象，結(jié)合ABAQUS有限元數(shù)值分析和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對大型沉井首次接高下沉期的隔墻內(nèi)力進(jìn)行了研究，得出結(jié)論如下。

(1)通過ABAQUS有限元分析可以看出，首次下沉初期，沉井隔墻和刃腳應(yīng)力最大值出現(xiàn)在底節(jié)鋼殼隔墻和刃腳底部位置。

(2)數(shù)值分析結(jié)果表明，首次接高下沉期間混凝土結(jié)構(gòu)與鋼殼應(yīng)力相差較大且變形不一致，鋼殼和沉井結(jié)構(gòu)之間有相互脫離的趨勢。

(3)在下沉初期，刃腳埋入土體深度較淺時，隨著開挖范圍不斷擴(kuò)大，底部支承范圍減小，沉井首節(jié)鋼殼隔墻底部的應(yīng)力整體呈現(xiàn)增大的趨勢;隨著下沉深度不斷增加，當(dāng)沉井下沉到一定深度時，沉井外側(cè)土體對刃腳形成一定的約束作用，此時鋼殼應(yīng)力呈現(xiàn)下降的趨勢。

(4)下沉初期，沉井側(cè)壁土壓力值均隨沉井下沉深度的增加不斷增大，沉井寬度方向上的土壓力隨深度升高值大于其長度方向上的土壓力隨深度升高值。