某大型沉井基礎(chǔ)關(guān)鍵施工過程受力分析

楊燦文， 黃民水

(1. 中鐵大橋勘測設(shè)計院有限公司， 湖北 武漢 430056;2. 武漢工程大學 交通研究中心, 湖北 武漢 430073)

隨著國內(nèi)大跨度橋梁不斷的涌現(xiàn)，沉井由于其剛度大、經(jīng)濟性好的特點，越來越多地應(yīng)用于橋梁深水基礎(chǔ)和懸索橋錨碇基礎(chǔ)。其中1999年建成的江陰長江公路大橋南錨碇采用平面尺寸51 m×69 m，高為58 m的矩形沉井基礎(chǔ)，為國內(nèi)最大的錨碇沉井基礎(chǔ)[1,2]；目前在建的泰州長江公路大橋中塔采用水中沉井基礎(chǔ)，平面尺寸為58.4 m×44.4 m，高為76 m，其中下層44 m為鋼結(jié)構(gòu)，上層32 m為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為國內(nèi)最大的水中沉井基礎(chǔ)[3]。

目前對于大型沉井基礎(chǔ)施工過程的研究，更多的關(guān)注沉井的下沉和施工控制[4～6]，而對于沉井的本身結(jié)構(gòu)受力一般采取平面的簡化計算，計算方法偏于保守，往往造成設(shè)計的浪費，并且未能反應(yīng)沉井的實際受力狀況。本文對某錨碇的大型沉井基礎(chǔ)關(guān)鍵施工過程進行了平面簡化和實體有限元計算，對大型沉井基礎(chǔ)的關(guān)鍵施工階段進行受力分析研究，獲得了一些有價值的結(jié)論。

1 沉井簡介

該沉井如圖1所示，沉井長和寬分別為60.2 m和55.4 m，沉井高41 m，共分八節(jié)，第一節(jié)高8 m；第二到六節(jié)為5 m高，第七節(jié)為3.5 m，第八節(jié)為4.5 m。井內(nèi)共設(shè)置25個井孔，第二節(jié)壁厚2.4 m，第三到七節(jié)壁厚2.2 m；隔墻厚2.2 m；刃腳高1.8 m，底部設(shè)置0.2 m厚的踏面，隔墻底部比井壁底部高1.8 m。沉井封底混凝土厚為8 m。沉井基礎(chǔ)處地表覆蓋層厚約45 m，以砂層為主，自上而下依次為可塑狀粉質(zhì)粘土、流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、稍密狀～中密狀粉細砂及中密狀中砂?；字糜谥忻艿闹猩皩?。

2 計算工況及模型

在沉井施工的過程中，主要有兩個關(guān)鍵步驟，第一個是沉井初始下沉階段，在沉井第一、二節(jié)現(xiàn)場預(yù)制完成后，抽取隔墻和刃腳底部的墊木，從井孔中心取土下沉；第二個是沉井下沉到設(shè)計高程后，在沉井封底之前，將沉井井底部完全掏空。在第一個施工階段，沉井受力出現(xiàn)體系的轉(zhuǎn)換，由于沉井隔墻底部土體掏空，沉井受力為均勻作用于井壁和隔墻底部的支撐墊木上轉(zhuǎn)換為由僅井壁底部進行豎向支撐；這時沉井側(cè)壁還沒有出現(xiàn)土體摩阻力，自重完全由隔墻和刃腳底部承受，此時隔墻底部受拉，應(yīng)力最大。在第二個施工階段，在井外土壓力作用下，沉井底部刃腳及刃腳以上井壁受最大的水平土壓力。下面就將這兩個關(guān)鍵的施工步驟作為兩個工況進行分析。

結(jié)構(gòu)計算采用商業(yè)軟件Midas Civil，空間模型采用實體單元，有限元模型如圖2所示。沉井結(jié)構(gòu)材料為C30混凝土，容重為25 kN/m3，彈性模量為3×107kPa?？紤]沉井的對稱性，選取1/4結(jié)構(gòu)進行空間分析[7]。

圖1 沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置

圖2 沉井有限元實體模型

對于工況一，由于結(jié)構(gòu)僅在刃腳支撐，若采用平面模型，可考慮簡化為一個方向支撐的梁，但從沉井的平面尺寸看，長邊與短邊的比值大于1而小于2，因此在自重作用下，沉井為雙向受力結(jié)構(gòu)，采用單向的簡化計算并不合適；為反映實際的受力情況，將底部兩節(jié)建立1/4的空間實體模型，在沉井的刃腳踏面施加豎向和水平約束，在對稱中心施加對稱約束，計算荷載僅考慮自重。其中對于豎向約束，考慮井壁的刃腳是直接支撐在地基上，因此需采用彈性支承模擬；但實際施工時，為保證沉井預(yù)制時的穩(wěn)定，對地基進行了加固，所以地基的豎向彈性支承剛度較難取值；為比較地基剛度對沉井受力的影響，將豎向支撐分別按照固結(jié)、20000 kN/m(節(jié)點彈性支承)、10000 kN/m進行約束。

對于工況二，傳統(tǒng)簡化計算根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定進行。在進行豎直方向的檢算時，刃腳沿周長方向取單位寬度(1 m)，計算荷載考慮沉井自重和刃腳的水土壓力(圖3)，此時沉井刃腳向內(nèi)彎曲，刃腳根部截面外側(cè)受到最大的拉應(yīng)力，控制刃腳根部的配筋；在進行平面計算時，選取刃腳根部以上高度等于刃腳寬(2.0 m)的一段井壁進行平面框架檢算，計算荷載取作用在井壁上的水土壓力，其中該水土壓力包括2 m井壁高內(nèi)的水土壓力和刃腳根部傳遞過來的水平力，此時井壁在平面內(nèi)受力最大，控制沉井根部水平方向的配筋；平面計算軟件仍采用Midas Civil，井壁和隔墻均用梁單元模擬，計算荷載取水土均布壓力，為750 kN/m，計算模型如圖4所示。

圖3 沉井井壁水土壓力分布

圖4 刃腳根部井身框架平面計算模型

相應(yīng)工況二的空間計算模型取1/4的沉井全模型，如圖2所示，對稱中心施加對稱約束，考慮在沉井下沉到位后，沉井在周邊土體摩阻力的作用下不再繼續(xù)下沉，因此在沉井井壁外周邊施加豎向彈性約束，約束的剛度取一個較大值以更好的模擬沉井受力。沉井荷載考慮沉井自重和外壁水平水土壓力，其中水土壓力采用水土分算，土體取浮重10 kN/m3，內(nèi)摩擦角按照砂土取30°，水平土壓力側(cè)壓系數(shù)λ=tan2(45°-φ/2)；水壓力考慮沉井內(nèi)外水頭差5 m考慮，計算水土壓力按線性分布[8,9]，如圖3。

3 計算結(jié)果分析

3.1 工況一

工況一的計算結(jié)果如表1和圖5所示。

表1 工況一計算結(jié)果

圖5 工況一實體模型主拉應(yīng)力云圖(刃腳豎向固結(jié)，kN/m2)

通過計算，隔墻底部最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中間隔墻底部；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中間隔墻與井壁相交的底部，計算結(jié)果與定性判斷一致，即計算結(jié)果基本反應(yīng)了實際的受力情況。

比較沉井刃腳豎向固結(jié)和豎向彈性約束的計算結(jié)果，可得到隨著刃腳底部地基土體剛度的降低，沉井的主拉應(yīng)力逐漸減小，相應(yīng)位移逐漸增加；由此可見，隨著土體的剛度降低，沉井整體發(fā)生沉降，而豎向力(自重)對隔墻和井壁的作用內(nèi)力分配不斷改變，隔墻彎矩逐漸減小，井壁受力逐漸增加?？梢姡趯Τ辆牡鼗M行加固時，加固后地基強度大雖然對沉井預(yù)制時保持穩(wěn)定有一定好處，但對沉井本身的受力并不是很有利；因此在施工時除滿足基本要求外，地基的加固強度不需要太高。

同時，也可以看到，三種約束情況計算的沉井所受最大主拉應(yīng)力相差僅在10%以內(nèi)，在進行沉井隔墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以偏安全的選取刃腳豎向固結(jié)的情況作為控制，以避開對地基支承剛度的選擇問題，也不會消耗過多的材料。

3.2 工況二

工況二按簡化方法計算豎向刃腳受力，計算結(jié)果如表2，平面彎矩分布如圖6所示。

表2 工況二平面計算結(jié)果

圖6 工況二底節(jié)框架平面計算彎矩(kN·m)

實體單元計算結(jié)果如圖7和表3所示。

圖7 工況二實體模型計算結(jié)果

荷載拉應(yīng)力/MPa位置自重+土壓力1.036中間隔墻底部水平拉應(yīng)力土壓力0.488沉井上端變截面處水平拉應(yīng)力0.385刃腳根部以上2 m處水平拉應(yīng)力0.292刃腳根部豎向拉應(yīng)力

通過實體計算，在自重+土壓力的荷載作用下，水平方向的最大拉應(yīng)力為1.036 MPa，出現(xiàn)在沉井中部的隔墻底部。比較初始下沉時的2.849 MPa隔墻拉應(yīng)力，減小許多。隨著沉井的逐漸下沉和不斷接高，中間隔墻的抗彎慣性矩逐漸增大，而井壁所受的水平土壓力也逐漸增加，其對隔墻產(chǎn)生的軸向力逐漸增大；在自重和水平土壓力的作用下，隔墻底部拉應(yīng)力逐漸減小，由此可見，對隔墻初始下沉時底部拉應(yīng)力最大的判斷是準確的。

為比較工況二平面計算與實體計算的結(jié)果，在實體計算時，僅考慮沉井在承受水土壓力作用下的受力。根據(jù)計算可得到最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在沉井上端變截面處。分析原因，沉井上端4 m范圍內(nèi)沒有隔墻的支撐作用，在平面上看就是一個大的矩形框架；因此，在水平壓力作用下，井壁在支撐變化處出現(xiàn)較大的變形，計算得到該處相應(yīng)水平拉應(yīng)力為0.488 MPa。

而與平面框架計算相對應(yīng)的井壁處，由于此處同樣為隔墻支撐的變化處，也出現(xiàn)較大的應(yīng)力，最大水平拉應(yīng)力出現(xiàn)在縱橫向井壁的交界處，相應(yīng)值為0.385 MPa，僅為平面計算的22%。分析原因，主要有兩個：第一是在平面計算時僅取2 m高的一段井壁進行計算，該段和刃腳的土壓力均作用在這部分井壁上，未考慮刃腳和上端井壁的水平框架作用對水平土壓力的分配；也就是說，該段平面計算的水平土壓力可以不考慮刃腳的提供的水平力。第二個原因是計算將井壁和隔墻均按梁單元進行簡化，與實體單元的計算比較，變形增大許多，相應(yīng)拉應(yīng)力也較大。

計算在土壓力作用下井壁的豎向拉應(yīng)力，可得到刃腳根部相應(yīng)最大拉應(yīng)力為0.292 MPa，比簡化計算的0.536 MPa減少將近一半；且實際最大的井壁豎向拉應(yīng)力并非出現(xiàn)在刃腳根部，而是刃腳根部以上2 m、隔墻底部變寬處，相應(yīng)值為0.677 MPa。分析原因，由于在隔墻上部與井壁剛度相差不大，變形比較均勻；到了隔墻變寬處，井壁厚為2 m，隔墻厚1.4 m，兩者剛度比值發(fā)生較大變化，即隔墻與井壁的框架作用突然減弱，因此出現(xiàn)較大變形，相應(yīng)的應(yīng)力也較大；而對于隔墻變寬處以下，隔墻厚度雖然逐漸減弱，但隔墻與井壁的框架作用并不明顯，即在此處沉井井壁的水平面內(nèi)變形小于其面外的變形。

4 結(jié) 論

(1)在沉井初始下沉時，井壁底部支撐沉井的地基剛度相對沉井較小，若按照彈性支承模擬，計算參數(shù)較難選取；根據(jù)計算分析，彈性支承的剛度對隔墻受力影響相對較小，設(shè)計時可以偏安全的假定井壁底部豎向固結(jié)來計算隔墻受力。

(2)沉井在首節(jié)預(yù)制時需進行地基加固，但如果加固強度過大對沉井受力并不是很有利；因此在施工時，滿足基本承載力要求的前提下，可考慮適當降低安全系數(shù)，以節(jié)省施工費用。

(3)沉井下沉到位后，通過對平面計算和實體空間計算比較：平面計算假定較多，與實體分析有一定差別，計算偏于保守，特別采用刃腳根部以上的井壁平面計算結(jié)果作為井壁配筋的控制，浪費較大。因此，設(shè)計若采用平面簡化計算，計算荷載僅需考慮該段井壁高度范圍內(nèi)相應(yīng)的水土壓力而不需要施加刃腳的水平力。

(4)通過實體分析，隔墻的剛度對井壁的受力有較大影響。在沉井下沉到位后，在水平土壓力作用下，井壁最大的拉應(yīng)力均出現(xiàn)在隔墻的剛度變化位置與井壁相交的地方。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需引起重視，加強對局部的檢算。同時，隔墻的厚度變化盡量緩和，以避免由于隔墻剛度的突變引起井壁局部的應(yīng)力集中。

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