大斷面異型沉井施工關(guān)鍵技術(shù)的三維有限元分析

李海強，王 譚

（1、廣東省土木建筑學(xué)會 廣州 510500；2、廣州市市政集團有限公司 廣州 510060）

1 概述

隨著國內(nèi)外沉井施工技術(shù)的不斷發(fā)展，沉井結(jié)構(gòu)朝著斷面尺寸更大，結(jié)構(gòu)形式更復(fù)雜、更深的方向發(fā)展［1-3］。然而，現(xiàn)階段對于受力條件更復(fù)雜的大斷面異型沉井基礎(chǔ)施工及沉井結(jié)構(gòu)受力還處于摸索階段。由于大斷面異型沉井的實際工程經(jīng)驗較少，難度較大，在制作和下沉過程中影響工程質(zhì)量的因素增多。

沉井下沉多采用不排水法，在富水砂層地區(qū)，為阻斷周圍地下水涌入沉井，引起水土流失，往往會選擇在沉井周圍施打水泥土攪拌樁止水帷幕或在沉井周圍注觸變泥漿，然而水泥土攪拌樁在富水砂層地區(qū)難以成樁，隔水效果不明顯。注觸變泥漿則極易隨地下水流走，造成周圍地下水污染，也不利于生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。這類沉井的下沉給施工帶來挑戰(zhàn)，為保證富水砂層地區(qū)大斷面異型沉井的順利下沉，減小下沉阻力，不致在下沉過程中出現(xiàn)涌水涌沙，降低對周邊環(huán)境的影響，因此需要更深入地研究其受力狀態(tài)以及尋找更為有效的助沉措施［4-5］。

基于此，本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，以某典型工程為依托，借助有限元軟件建立精細的三維數(shù)值模型，得出大斷面異型沉井結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，并在沉井外圍是否設(shè)置鋼板樁墻的兩種工況下，對地層和沉井結(jié)構(gòu)本身的影響進行分析，所得結(jié)論可為實際施工參數(shù)及施工工藝的調(diào)整提供理論指導(dǎo)。

2 計算模型的建立

2.1 工程概況

廣州市某工程是落實廣東省政府《南粵水更清行動計劃（2013-2020 年）》的重點項目。該工程包括提升泵房、污水處理廠、截污管渠，進廠總管和尾水排放管等多個子項。其中提升泵房基坑采用沉井圍護結(jié)構(gòu)，沉井平面呈“凸”字形，面積為629 m2，平面尺寸約為27.5 m×26.6 m，短邊寬度10.9 m×17.2 m，高度為20.4 m（含刃腳），井壁厚600～1 000 mm，底板厚度800 mm，刃腳高度3.5 m，刃腳梁底均采用高壓旋噴樁。沉井底層平面布置及剖面如圖1所示。

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告知，沉井所處地質(zhì)從上往下依次為素填土，細砂、淤泥質(zhì)土、粗砂、卵石土、強風(fēng)化泥層、中風(fēng)化泥層，地下水位初露淺，如圖2 所示。為有效隔斷地下水和粗細紗對沉井施工的影響，有效降低砂層的下沉阻力，施工中考慮在距離沉井1 m 外設(shè)置豎向連續(xù)鋼板樁墻。

土體和沉井相關(guān)結(jié)構(gòu)具體的材料參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physico-mechanical Parameters of Soil

表2 沉井結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.2 Material Parameters of Open Caisson Structure

2.2 計算模型的確定

在建模和有限元計算中假設(shè)土體為均勻的各向同性體，理想彈塑性體；通過邊界敏感性分析［6-7］，確定沉井長邊（x軸）為180 m，沉井短邊（y軸）為180 m，土體埋深方向（z軸）為100 m。

模型中土層、封底混凝土、填充混凝土層均采用實體單元，沉井內(nèi)支撐梁、地梁、井壁、底板和外圍鋼板樁均采用殼單元。土層遵循Mohr-Coulomb 屈服準則，模型建立后共有總單元數(shù)55 211個單元，53 996個節(jié)點，如圖3所示。

模型的邊界條件選取：土體上表面為透水自由表面，允許自由沉降，且孔壓為0；左右兩側(cè)邊界則約束水平向位移；土體底部則約束豎向土體位移。

模型中封底混凝土和填充混凝土通過修改單元材料屬性實現(xiàn)，支撐梁、地梁、井壁、底板和外圍鋼板樁均為線彈性材料，根據(jù)彈性模量與泊松比計算材料體積模量和剪切模量［8］。

2.3 沉井施工工況模擬

在MIDAS-GTS 中施工步驟的實現(xiàn)主要依靠單元組的“激活”和“鈍化”來實現(xiàn)。模型的施工步驟按照現(xiàn)場的實際施工過程進行設(shè)定。定義計算工況如表3所示。

表3 模型計算工況Tab.3 Calculation Conditions for the Model

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 沉井施工引起土層位移分析

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果可知，沉井周圍地層產(chǎn)生的最大位移點位于基坑開挖深度1/3～1/2 的位置，約為15.314 mm，出現(xiàn)在“凸”型沉井南部位置。這是由于坑內(nèi)土體的開挖卸載，改變了原始的初始應(yīng)力水平，導(dǎo)致地層發(fā)生應(yīng)力重分布，使得基坑外土體產(chǎn)生了朝向基坑內(nèi)部的變形，由于“凸”型大口側(cè)土體卸載體量較大，引起地層擾動更為明顯，從而產(chǎn)生較大的位移。根據(jù)地層滑移趨勢，土體受影響范圍主要集中在基坑開挖深度1倍范圍之內(nèi)，外圍受影響不明顯，符合一般變化規(guī)律［8-10］。

沉井施工過程地層位移變化曲線（X向和Y向）如圖4 所示，由圖4 可知，隨著沉井內(nèi)土層的開挖，沉井外側(cè)土體朝基坑內(nèi)發(fā)生位移，并逐漸增大，至開挖至坑底設(shè)計標高達到最大，并隨著封底混凝土和底板的施作逐漸趨于穩(wěn)定。

計算結(jié)果顯示，沉井外圍考慮鋼板樁的受力與不計入鋼板樁時的地層位移呈現(xiàn)出差距，當(dāng)考慮鋼板樁受力時，地層最大位移值約為15.314 mm，在“凸”型沉井南側(cè)；不考慮鋼板樁受力時，地層位移明顯增大，最大值約為19.644 mm，在“凸”沉井東側(cè)，鋼板樁承擔(dān)變形約為22%，比值較大，因此，在進行沉井設(shè)計時可給予一定考慮或作為安全儲備。

3.2 沉井結(jié)構(gòu)的受力分析

在大斷面異型沉井外圍設(shè)置豎向連續(xù)鋼板樁墻的新方法，能夠?qū)龅氐叵滤蜕皩舆M行有效隔斷，大幅度降低沉井下沉阻力，使沉井順利下沉，施工快捷有效。

為得到設(shè)置鋼板樁墻的作用效果，提取沉井變形受力結(jié)果可知：在沉井的施工過程中，隨著沉井內(nèi)土層的開挖，沉井發(fā)生一定程度的水平位移，其值亦隨著土方開挖逐漸增加，最大值發(fā)生在基坑開挖深度的1/2 位置，位于“凸”型沉井南側(cè)，約為15.314 mm，和地層變形趨于一致（見圖5）。

考慮鋼板樁和不考慮鋼板樁兩種工況下沉井井壁的最大主應(yīng)力云圖如圖6 所示，計算結(jié)果取自最不利工況，即沉井下沉到設(shè)計標高并開挖土體至設(shè)計標高。

由圖6可知，工作井最大主應(yīng)力顯示為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力發(fā)生在“凸”型沉井東南側(cè)邊角位置，最大值位于井壁變截面處，這是因為井壁截面發(fā)生變化，導(dǎo)致局部連接處應(yīng)力集中所致。計算結(jié)果顯示，當(dāng)存在鋼板樁時，工作井最大主應(yīng)力約為3 379 kPa，當(dāng)不存在鋼板樁時，沉井受力狀態(tài)與鋼板樁存在時的狀態(tài)趨于一致，其最大主應(yīng)力約為3 637 kPa，大于存在鋼板樁時的沉井主應(yīng)力狀態(tài)。

井壁受到的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在“凸”型沉井南側(cè)，最大值約為1 909 kPa，小于混凝土極限拉應(yīng)力，考慮到適筋混凝土結(jié)構(gòu)是以混凝土開裂鋼筋屈服作為判定依據(jù)［11］，故取此最大拉壓應(yīng)力作為判定依據(jù)，沉井處于安全狀態(tài)，但是當(dāng)存在鋼板樁時，鋼板樁的存在可分擔(dān)沉井受力占到約10%，這一點在實際施工中可酌情考慮。

由以上分析可知，在沉井外圍施作豎向連續(xù)鋼板樁墻不僅可有效隔水阻砂，降低沉井下沉阻力，也可以發(fā)揮一定的支護能力，對沉井結(jié)構(gòu)起到進一步的保護作用，而且鋼板樁能在沉井施工完成之后回收循環(huán)利用，綠色環(huán)保，推廣應(yīng)用價值高。

3.3 沉井內(nèi)撐梁體系的受力分析

沉井開挖至設(shè)計標高時沉井內(nèi)撐梁體系的軸力和彎矩云圖如圖7所示。

表4 為沉井內(nèi)支撐梁體系軸力和彎矩結(jié)果匯總表，僅提取典型工況內(nèi)力，即沉井三次下沉至設(shè)計標高時的結(jié)果。

表4 沉井內(nèi)支撐梁體系軸力和彎矩結(jié)果匯總Tab.4 Summary of Results of Axial Force and Bending Moment of Internal Support Beam System

沉井內(nèi)撐梁橫截面積600 mm×1 000 mm，最大計算跨徑5.6 m，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50010—2010》計算得到內(nèi)撐梁最不利截面軸心抗壓承載力為7 567.56 kN，混凝土的軸心拉應(yīng)力設(shè)計值為1.43 MPa。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果可知，沉井內(nèi)撐梁產(chǎn)生最大軸力在是否考慮外圍鋼板樁兩種工況下分別為2 143.59 kN、2 226.54 kN（不考慮鋼板樁時），均表現(xiàn)為壓力，出現(xiàn)在第二道內(nèi)撐梁，位于“凸”型沉井東側(cè)，但遠未超出梁體軸力的警戒值7 567.56 kN，內(nèi)撐梁處于安全狀態(tài)，外圍鋼板樁的存在可分擔(dān)沉井軸應(yīng)力約10%。

是否考慮外圍鋼板樁兩種工況下內(nèi)撐梁產(chǎn)生最大彎矩分別為5 34.28 kN·m（不考慮鋼板樁時）、553.11 kN·m。由計算結(jié)果可知，由于沉井外圍鋼板樁的存在使沉井產(chǎn)生的最大水平位移減少約22%，從而導(dǎo)致沉井在考慮鋼板樁時產(chǎn)生較大的彎矩和應(yīng)力，最大拉應(yīng)力約為1.91 MPa，雖超出混凝土的最大拉應(yīng)力設(shè)計值，但遠小于鋼筋的拉應(yīng)力設(shè)計值，考慮到混凝土結(jié)構(gòu)通常以混凝土開裂鋼筋屈服作為判定依據(jù)，故內(nèi)撐梁結(jié)構(gòu)在該應(yīng)力狀態(tài)下處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

⑴沉井施工對地層產(chǎn)生擾動，引起位移，最大位移出現(xiàn)“凸”型沉井南側(cè)；不考慮鋼板樁受力時，地層位移明顯增大，最大值約為19.644 mm，位于“凸”型沉井東側(cè)，鋼板樁承擔(dān)變形約為22%。

⑵沉井應(yīng)力未超出混凝土結(jié)構(gòu)開裂鋼筋屈服臨界值，處于安全狀態(tài)，且外圍鋼板樁的存在可分擔(dān)沉井軸應(yīng)力約10%；

⑶在沉井外圍施作豎向連續(xù)鋼板樁墻不僅可有效隔水阻砂，降低沉井下沉阻力，也可以發(fā)揮一定的支護能力，對沉井結(jié)構(gòu)起到進一步的保護作用，且沉井施工完成之后可回收循環(huán)利用，綠色環(huán)保，推廣應(yīng)用價值高。

本文僅對特定地質(zhì)條件下異型沉井施工的力學(xué)特性進行了探討，所得結(jié)論可為實際施工提供指導(dǎo)。