陳三橋污水處理廠沉井施工有限元模擬★

宋學(xué)強(qiáng) 侯振山 竇國(guó)濤

(1.盛世生態(tài)環(huán)境股份有限公司，河南 鄭州 450000; 2.河南五建建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000； 3.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450000)

1 概述

沉井基礎(chǔ)由于埋置深度大、整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，能夠承受較大的垂直荷載和水平荷載，被廣泛的應(yīng)用于市政、碼頭、橋梁、采礦、水利、水電等工程中[1-4]。沉井是用于深基礎(chǔ)和地下構(gòu)筑物施工的一種工藝技術(shù)，其原理是：在地面上或地坑內(nèi)，先制作開口的鋼筋混凝土井身，待井身混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%后，在井內(nèi)挖土使土體逐漸降低，井身依靠自重克服其與土壁之間的摩阻力，不斷下沉直至設(shè)計(jì)標(biāo)高，經(jīng)就位校正后再進(jìn)行封底處理。胡軍[5]依托深圳地鐵某停車場(chǎng)上橋梁工程，從其沉井基礎(chǔ)近接下部?jī)勺扔需F路隧道的特殊點(diǎn)出發(fā)，建立大型三維有限元模型，以數(shù)值模擬的手段分析沉井基礎(chǔ)承載后的變形規(guī)律，并進(jìn)一步研究其對(duì)周圍鄰近既有隧道的變形影響。羅志雄[6]采用三維有限元軟件ABAQUS模擬沉井基礎(chǔ)閘室各構(gòu)件之間的相互作用，地基、基礎(chǔ)和底板之間的約束，混凝土和土體材料的彈塑性等，對(duì)該水閘的整體沉降以及閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行了分析研究。王正振等[7]以即將開工的某大橋南錨碇沉井為研究對(duì)象，利用Plaxis 3D有限元軟件對(duì)其進(jìn)行施工和使用過(guò)程中的應(yīng)力、位移模擬分析，為該沉井的設(shè)計(jì)提供參考。目前沉井應(yīng)用與污水處理廠的工程案例比較少見(jiàn)，本文針對(duì)鄭州市陳三橋污水處理廠大型沉井分層制作施工進(jìn)行了有限元模擬研究，為后續(xù)類似工程提供借鑒。

2 工程概況

鄭州市陳三橋污水處理廠二期工程場(chǎng)地位于京港澳高速東、姚橋路南、魏河北區(qū)域。

沉井直徑31.6 m，呈圓形，高16.95 m(-16.55 m～0.4 m)，沉井刃腳總長(zhǎng)110.3 m。沉井為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，沉井施工的一般方法為：一次制作、一次下沉；分節(jié)制作、一次下沉；多節(jié)制作、分節(jié)下沉(制作與下沉交替進(jìn)行)。本工程采用分節(jié)制作、一次下沉；沉井分節(jié)制作的高度，應(yīng)保證其穩(wěn)定性并能使其順利下沉。根據(jù)本工程的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要求，對(duì)沉井應(yīng)采用分三節(jié)制作、一次下沉的施工方法。

為確保沉井下沉穩(wěn)定，在沉井底部及中上部位置安裝兩道十字交叉鋼支撐直徑800 mm，本工程粗格柵井及進(jìn)水泵房沉井混凝土擬分三節(jié)澆筑成型，分節(jié)制作要求是：

第一節(jié)：制作高度4 m，即標(biāo)高-16.55 m～-12.55 m，澆筑混凝土378.4 m3；

第二節(jié)：制作高度5.85 m，即標(biāo)高-12.55 m～-6.70 m，澆筑混凝土516.3 m3；

第三節(jié)：制作高度5.8 m，即標(biāo)高-6.70 m～-0.90 m，澆筑混凝土511.9 m3。

三次澆筑的自重分別為：946 t，1 290.75 t,1 279.75 t。

結(jié)合本工程設(shè)計(jì)，沉井下沉采用一次下沉，沉井混凝土自重為3 517 t。井身分三次澆筑，共設(shè)置兩道施工縫。

3 沉井制作過(guò)程有限元模擬

3.1 有限元參數(shù)

本文采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬，沉井采用實(shí)體單元Solid45進(jìn)行模擬[8]，Solid45單元用于構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著XYZ方向平移的自由度。單元具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變能力，有用于沙漏控制的縮減積分選項(xiàng)。網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分，沉井采用C30混凝土制作，其彈性模量[9]為Ec取3.0×104MPa，泊松比取0.2，密度取2 600 kg/m3。邊界條件為約束沉井底面X,Y,Z向的平動(dòng)自由度。

3.2 有限元模擬方案

實(shí)際施工時(shí)，沉井分三層澆筑而成，在模擬沉井制作施工過(guò)程時(shí)，采用兩種方案進(jìn)行模擬。

方案一沉井分3節(jié)制作，有限元模擬時(shí)，通常情況下計(jì)算三次，第一階段施工建立第一節(jié)模型，然后進(jìn)行計(jì)算，提取結(jié)果；第二階段施工建立第一節(jié)和第二節(jié)模型，然后進(jìn)行計(jì)算，提取結(jié)果；第三階段施工建立第一節(jié)、第二節(jié)以及第三節(jié)模型，然后進(jìn)行計(jì)算，提取結(jié)果，三次計(jì)算各自相互獨(dú)立，互不影響，此方法程序麻煩，計(jì)算時(shí)分三次計(jì)算。

方案二有限元模擬時(shí)，第一階段施工時(shí)建立沉井整體有限元模型，將沉井第二節(jié)和第三節(jié)殺死(ekill)，然后進(jìn)行計(jì)算；第二階段施工將沉井第二節(jié)進(jìn)行激活(ealive)，然后進(jìn)行計(jì)算；第三階段施工將沉井第三節(jié)進(jìn)行激活，然后進(jìn)行計(jì)算。方案二考慮到了施工的先后次序及相互影響，此方法可采用一次建模，分段殺死，分段激活進(jìn)行計(jì)算，相對(duì)簡(jiǎn)便。

4 結(jié)果對(duì)比

如圖1所示，為沉井第一節(jié)施工完成之后，兩種方案沉井應(yīng)力對(duì)比，其中X向指的是水平方向，Y向指的是豎直方向，從圖中可以看出，兩種方案下沉井應(yīng)力云圖分布一致，但數(shù)值大小有所差異。比較X向應(yīng)力可知，隨著坐標(biāo)值的改變，應(yīng)力變化規(guī)律不明顯，比較Y向應(yīng)力可知，隨著Y向高度值增大，應(yīng)力隨之增大，表1統(tǒng)計(jì)的是應(yīng)力的最大值和最小值，分析表中數(shù)據(jù)可知，方案二應(yīng)力極值要大于方案一，其比值位于1.039 8～1.041 9區(qū)間。

表1 施工第一階段兩方案沉井應(yīng)力對(duì)比

方案X向應(yīng)力/PaY向應(yīng)力/Pa最小值最大值最小值最大值方案一-0.424×10-40.628×10-5-0.191×10-3-0.24×10-5方案二-0.441×10-40.653×10-5-0.199×10-3-0.25×10-5比值1.040 11.039 81.041 91.041 7

如圖2所示，為沉井第二節(jié)施工完成之后，兩種方案沉井應(yīng)力對(duì)比，其中X向指的是水平方向，Y向指的是豎直方向，從圖中可以看出，兩種方案下沉井應(yīng)力云圖分布一致，但是數(shù)值大小有所差異。比較X向應(yīng)力可知，隨著坐標(biāo)值的改變，應(yīng)力變化規(guī)律不明顯，比較Y向應(yīng)力可知，隨著Y向高度值增大，應(yīng)力隨之增大，表2統(tǒng)計(jì)的是第二節(jié)沉井應(yīng)力的最大值和最小值，由于方案一是整體建立的模型，未考慮到施工先后順序的影響，而方案二是分階段計(jì)算，是先計(jì)算第一節(jié)沉井在自重作用下的應(yīng)力分布，然后在此基礎(chǔ)上再計(jì)算第二節(jié)沉井，分析表中的數(shù)據(jù)可知，方案二應(yīng)力極值要大于方案一，其比值位于1.030 8～1.052 2區(qū)間。

表2 施工第二階段兩方案沉井應(yīng)力對(duì)比

方案X向應(yīng)力/PaY向應(yīng)力/Pa最小值最大值最小值最大值方案一-0.939×10-40.159×10-4-0.429×10-3-0.292×10-5方案二-0.988×10-40.167×10-4-0.451×10-3-0.301×10-5比值1.052 21.050 31.049 81.030 8

如圖3所示，為沉井第三節(jié)施工完成之后，兩種方案沉井應(yīng)力對(duì)比，從圖中可以看出，兩種方案下沉井應(yīng)力云圖分布一致，但數(shù)值大小有所差異。其中X向指的是水平方向，Y向指的是豎直方向，從圖中可以看出，兩種方案下沉井應(yīng)力云圖分布一致，但數(shù)值大小有所差異。比較X向應(yīng)力可知，隨著坐標(biāo)值的改變，應(yīng)力變化規(guī)律不明顯，比較Y向應(yīng)力可知，隨著Y向高度值增大，應(yīng)力隨之增大，由于方案一是整體建立的模型，未考慮到施工先后順序的影響，而方案二是分階段計(jì)算，是先計(jì)算第一節(jié)沉井在自重作用下的應(yīng)力分布，在此基礎(chǔ)上再計(jì)算第二節(jié)沉井，然后在此基礎(chǔ)上再計(jì)算第三節(jié)沉井，表3統(tǒng)計(jì)的是應(yīng)力的最大值和最小值，分析表中數(shù)據(jù)可知，方案二應(yīng)力極值要大于方案一，其比值位于1.045 3～1.049 5區(qū)間。

表3 施工第三階段兩方案沉井應(yīng)力對(duì)比

方案X向應(yīng)力/PaY向應(yīng)力/Pa最小值最大值最小值最大值方案一-0.145×10-30.287×10-4-0.665×10-3-0.283×10-5方案二-0.152×10-30.300×10-4-0.696×10-3-0.297×10-5比值1.048 31.045 31.046 61.049 5

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)鄭州市陳三橋大型沉井實(shí)際施工時(shí)，沉井分三層澆筑而成，進(jìn)行了有限元模擬，利用ANSYS采用兩種方案進(jìn)行模擬：方案一通常情況下沉井有限元模擬時(shí)，計(jì)算三次，第一階段施工建立第一節(jié)模型，然后進(jìn)行計(jì)算，提取結(jié)果；第二階段施工建立第一節(jié)和第二節(jié)模型，然后進(jìn)行計(jì)算，提取結(jié)果；第三階段施工建立第一節(jié)、第二節(jié)以及第三節(jié)模型，然后進(jìn)行計(jì)算，提取結(jié)果，三次計(jì)算各自相互獨(dú)立，互不影響。方案二有限元模擬時(shí)，第一階段施工時(shí)建立沉井整體有限元模型，將沉井第二節(jié)和第三節(jié)殺死，然后進(jìn)行計(jì)算；第二階段施工將沉井第二節(jié)進(jìn)行激活，然后進(jìn)行計(jì)算；第三階段施工將沉井第三節(jié)進(jìn)行激活，然后進(jìn)行計(jì)算。方案二考慮到了施工的先后次序及相互影響。并將兩種方案進(jìn)行了對(duì)比分析，由于方案一有限元模擬時(shí)，忽略了施工先后順序的影響作用，方案二有限元模擬時(shí)，考慮了施工先后順序的影響作用，并得到如下結(jié)論：

1)沉井第一節(jié)施工完成后，方案二應(yīng)力極值要大于方案一，其比值位于1.039 8～1.041 9區(qū)間。

2)沉井第二節(jié)施工完成后，方案二應(yīng)力極值要大于方案一，其比值位于1.030 8～1.052 2區(qū)間。

3)沉井第二節(jié)施工完成后，方案二應(yīng)力極值要大于方案一，其比值位于1.045 3～1.049 5區(qū)間。

兩種有限元模擬方案結(jié)果非常接近，因此在有限元模擬時(shí)可采用更為簡(jiǎn)便的方案二進(jìn)行模擬計(jì)算，尤其當(dāng)工程比較復(fù)雜的情況下，方案二有限元模擬方案的優(yōu)越性更為明顯。