施工方法對整體式閘室墻后土壓力的影響分析

陶桂蘭,袁 煉

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京210098)

為改善軟基上整體式閘室底板在施工期的工作條件,施工中常采用“墩底分澆,后期封合”的措施[1],以有效地降低閘室墻與中間底板的沉降差及中間底板的負(fù)彎矩。施工方法的不同,直接影響結(jié)構(gòu)的變位及墻后土壓力的大小及分布。土壓力是作用在閘室結(jié)構(gòu)上的主要荷載之一,對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形有著很大的影響,合理的確定整體式閘室墻后土壓力,直接影響到船閘建筑物的設(shè)計(jì)質(zhì)量。本文以江蘇某船閘為例,采用非線性有限元方法,模擬整體式船閘的施工過程,分析施工過程對墻后土壓力的影響,并與船閘設(shè)計(jì)規(guī)范[2]推薦的傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較,得到一些有益的結(jié)論,為類似工程的設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 研究方法

本文以江蘇某船閘為例,考慮土體的非線性特性及土體與閘室結(jié)構(gòu)的相互作用,利用ANSYS有限元軟件,模擬閘室結(jié)構(gòu)施工過程,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,進(jìn)而得到閘室墻后土壓力的分布。

1.1 有限元計(jì)算模型

1.1.1 計(jì)算模型

該船閘閘室采用鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu),閘室凈寬23.0 m,長260 m,底板厚2.5m,墻頂寬0.6 m,閘墻底寬2.2 m,閘墻頂面高程為85.0 m,底高程為70.0 m(黃海高程)。由于船閘的縱向長度方向尺寸遠(yuǎn)大于橫斷面尺寸,屬于平面應(yīng)變問題,本文建立閘室結(jié)構(gòu)平面二維軸對稱模型。模型計(jì)算范圍如下:以閘室中心線為對稱軸,寬度取閘室半寬的4倍(54.8 m),地基深度取閘室高度的3倍(45 m)。在模型底部邊界約束豎向位移,在模型左邊邊界約束水平向位移,在右邊邊界設(shè)置為對稱約束。

混凝土視為線彈性各向同性材料,地基土和回填土采用D-P理想彈塑性模型[3]。閘室結(jié)構(gòu)與周圍土體均采用PLANE42四節(jié)點(diǎn)單元。在閘墻與回填土接觸面、閘室底板與地基土接觸面,采用targe169與conta171接觸對,該接觸對為柔體—剛體接觸,支持接觸面有滑動和摩擦變形[4]。計(jì)算結(jié)構(gòu)總計(jì)單元5 756個,節(jié)點(diǎn)5 866個。船閘閘室二維有限元計(jì)算模型見圖1。

圖1 閘室有限元模型

1.1.2 計(jì)算參數(shù)

各材料單元計(jì)算參數(shù)[5]如表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

1.2 施工過程模擬

為分析施工過程對墻后土壓力的影響,本文對整體式閘室結(jié)構(gòu)“墩底分澆、后期合縫”的施工方式進(jìn)行施工過程模擬。具體施工順序如下:

①澆筑底板前,先在底板下澆筑厚10 cm的C10號混凝土封底,地下水位控制在底板底面以下。底板混凝土沿橫向分三塊澆筑,先澆筑兩側(cè)底板及閘墻;②待邊底板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%時,回填底板外側(cè)土方至底板頂面;③澆筑墻身混凝土,一次澆筑到頂;④待澆筑混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后,墻后土回填到高程78.0 m;⑤待墻身澆筑到頂及回填土高程達(dá)78.0 m,底板沉降穩(wěn)定后澆筑中底板;⑥待中底板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后,焊接鋼筋并合縫;⑦中間底板混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,墻后回填土回填到頂。施工順序見圖2。

計(jì)算的初始狀態(tài)從地基開挖完成后開始,首先確定加荷前土體初始的應(yīng)力狀態(tài),采用土體的自重應(yīng)力近似估計(jì)土體的初始應(yīng)力[6],再利用ANSYS的“生死單元”功能[7],通過依次激活單元來模擬混凝土的澆筑、墻后土的回填和合縫過程。

圖2 閘室施工順序

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 閘墻的位移分析

為分析施工過程對閘室結(jié)構(gòu)土壓力的影響,分析中對考慮施工過程(以下簡稱計(jì)算模型1)和不考慮施工過程,即閘室結(jié)構(gòu)全部澆筑完成,墻后回填土回填到頂(以下簡稱計(jì)算模型2)的閘室結(jié)構(gòu)分別建模進(jìn)行計(jì)算分析。其兩種閘室結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的閘墻位移分別如圖3、圖4所示。

圖3 模型1閘墻位移

由圖3可以看出,對于計(jì)算模型1,當(dāng)考慮施工過程時,在墻后回填土高度在底板頂面處、底板尚未合縫時(完成施工步③),閘墻底部在土壓力作用下,有較小的指向閘室方向的位移,此時由于中間底板尚未澆筑,中間底板對閘墻沒有約束作用,在閘墻較大的自重及回填土作用下,閘墻總體表現(xiàn)為后仰。完成施工步④時,此時墻后回填至閘墻中部,閘墻與底板尚未合縫,此時閘墻底部產(chǎn)生指向閘室方向的位移約2.4 cm,閘墻頂部指向閘室方向的位移約2.8 cm。閘室完建時(施工步⑦),此時底板已合縫,結(jié)構(gòu)整體剛度較大,而墻后回填土高度增加后,土壓力也增大,土壓力促使閘墻向前輕微轉(zhuǎn)動。此時閘墻頂部變位為4.9 cm,墻底變位較小,需要指出的是,雖然閘室在形成一個整體后,閘墻的水平方向變位很小,但是在底板合縫之前,中底板尚未與兩側(cè)底板連成整體,閘墻在側(cè)向土壓力作用下,兩側(cè)閘墻均產(chǎn)生指向閘室2 cm～3 cm的位移,如不采取措施,將有可能減少閘室的有效寬度,設(shè)計(jì)施工中應(yīng)引起注意,采取必要的措施。

圖4 模型2閘墻位移

對于計(jì)算模型2,由于閘室底板為一次澆成,底板很早就形成了一個整體,其剛度較大,故閘墻變位很小。在完建狀態(tài)閘墻的最大變位發(fā)生在墻頂,大約為1 cm,不到墻高的0.1%。

2.2 墻后土壓力分析

(1)墻后土壓力的分布特性

圖5為計(jì)算模型1完成施工步④(墻后回填到8 m高度)和完建狀態(tài)墻后土壓力分布圖,從圖5可看出不同施工步下的土壓力分布規(guī)律基本一致,土壓力最大值都出現(xiàn)在閘墻墻背傾斜與豎直交界位置(高度4.3 m附近),而在墻背豎直部分土壓力分布急劇減小(高度4.3 m以下),在墻底處趨于零。隨著施工步的增加,至完建狀態(tài),沿閘墻高度,各點(diǎn)土壓力強(qiáng)度均增大,在傾斜與豎直墻背交界處,土壓力強(qiáng)度達(dá)到最大值,新回填部分土壓力呈三角形分布。

(2)不同計(jì)算模型墻后土壓力的比較

圖6為不同計(jì)算方法墻后土壓力分布圖。完建狀態(tài)土壓力合力值及作用點(diǎn)位置如表2所示。表2及圖6中靜止土壓力的計(jì)算采用船閘設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦方法[8],即靜止土壓力系數(shù)取主動土壓力系數(shù)的1.25倍～1.5倍 。文中靜止土壓力系數(shù)分別取主動土壓力系數(shù)的1.3倍和1.5倍計(jì)算。

圖5 計(jì)算模型1墻后土壓力分布

表2 土壓力合力值及作用點(diǎn)位置

圖6 不同計(jì)算方法土壓力分布圖

由有限元方法計(jì)算的兩種模型墻后土壓力均呈非線性。土壓力分布沿閘墻高度呈兩端小中間大的分布,上端在裂縫深度內(nèi)趨于零,在墻背由傾斜到豎直的部分,土壓力都有轉(zhuǎn)折,這表明墻體的傾斜程度對土壓力的大小有較大影響,接近閘室底部時,土壓力逐漸趨近0,土壓力最大值兩種模型均出現(xiàn)在傾斜墻背與直立墻背交界處;兩種模型土壓力分布不同點(diǎn)主要在于回填土分層處和閘墻墻背轉(zhuǎn)折處,對于計(jì)算模型1,在新老回填土的交界面(高度8 m、2.5 m),由于每次回填后,已回填部分會在自重作用下逐漸壓密,土體力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化,土壓力出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),而計(jì)算模型2由于未考慮施工過程,土壓力分布更為平緩,土壓力沿高度分布未出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,兩種計(jì)算模型在高度8 m以上土壓力分布基本一致;在閘墻傾斜墻背與直立墻背交界處,對于計(jì)算模型1,受分期回填影響,已回填部分壓密產(chǎn)生較大的自重應(yīng)力,在新老回填土共同作用下,計(jì)算模型1在該處的土壓力值要大于計(jì)算模型2在該處的土壓力值。

從完建狀態(tài)土壓力合力值看(表2),本文中由規(guī)范法計(jì)算的靜止土壓力系數(shù)取1.3倍主動土壓力系數(shù)較為合理(以下對比皆取系數(shù)為1.3倍主動土壓力系數(shù)時土壓力值)。有限元計(jì)算的模型1土壓力合力值比規(guī)范法小9%,有限元計(jì)算的模型2土壓力比規(guī)范法小3%,由此可見,考慮施工過程的土壓力值要小于不考慮施工過程的土壓力值,并且規(guī)范法計(jì)算的土壓力合力值偏安全。但是合力作用點(diǎn)位置偏差較大,由規(guī)范法計(jì)算的作用點(diǎn)位置偏下,因而規(guī)范法計(jì)算的對底板的力矩值比有限元計(jì)算的模型1的力矩值小19%,比有限元計(jì)算的模型2的力矩值小15%,說明規(guī)范法計(jì)算的對底板的土壓力力矩偏小。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合江蘇省某船閘工程實(shí)例,對整體塢式閘室的施工過程進(jìn)行了有限元模擬分析,分析了施工過程對墻后土壓力的影響,得到以下幾點(diǎn)主要結(jié)論供設(shè)計(jì)施工參考:

(1)采用分縫施工的方法,底板未合縫前閘墻產(chǎn)生指向閘室的位移,有可能造成閘室的有效寬度減小,應(yīng)注意驗(yàn)算施工過程閘墻的橫向滑移穩(wěn)定性,并在施工中采用必要的工程措施;

(2)分縫施工會對閘墻后土壓力的分布有影響,使得閘墻底部土壓力變小,中間土壓力變大,而土壓力合力值較規(guī)范值小;

(3)由規(guī)范法計(jì)算得到的土壓力合力值偏安全,但合力作用點(diǎn)位置偏下,會導(dǎo)致土壓力力矩值偏小。

(4)根據(jù)本文相關(guān)資料,計(jì)算整體塢式船閘墻后靜止土壓力的系數(shù)按主動土壓力系數(shù)的1.3倍取用較為合適 。

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