超大平面沉井結(jié)構(gòu)受力特性模擬及施工監(jiān)控分析

楊膨銘，黃躍

（中交二航局市政建設(shè)有限公司，遼寧 大連 116023）

0 引言

我國(guó)大跨徑懸索橋的建設(shè)規(guī)模在世界范圍內(nèi)位居前列。懸索橋基礎(chǔ)形式常采用圓形或矩形的重力式錨碇，我國(guó)已建橋梁中有相關(guān)案例，如江陰大橋（1995）北錨碇沉井平面尺寸69 m×51 m，下沉深度58 m；馬鞍山大橋（2008）南北錨碇沉井平面尺寸60.2 m×55.4 m，下沉深度48 m 等。國(guó)際上也有類似的案例，如日本明石海峽大橋（1988）北錨碇采用沉箱基礎(chǔ)、丹麥大貝爾特橋（1987）錨碇采用沉井基礎(chǔ)等。

沉井基礎(chǔ)以其承載能力強(qiáng)、整體性能好、兼具施工圍堰等特性，在大型橋梁等建筑物中得到廣泛應(yīng)用。隨著沉井基礎(chǔ)向更大平面尺寸、更深埋深方向迅速發(fā)展，現(xiàn)有的沉井設(shè)計(jì)和施工都遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)模型試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬等多方面對(duì)沉井基礎(chǔ)開展了大量的研究。

對(duì)于巨型沉井基礎(chǔ)，由于其自身體積龐大導(dǎo)致自重及空間力學(xué)性能與其它中小型基礎(chǔ)有著顯著區(qū)別。文獻(xiàn)[1-2]從結(jié)構(gòu)受力、施工、經(jīng)濟(jì)性等方面比選了圓環(huán)形沉井基礎(chǔ)、鉆孔樁基礎(chǔ)等不同基礎(chǔ)形式的優(yōu)劣。文獻(xiàn)[3-4]以五峰山長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)為研究對(duì)象，詳細(xì)計(jì)算和分析了超大平面面積沉井結(jié)構(gòu)下沉期間的受力特性。

隨著沉井尺寸的不斷增大，沉井底部地基土體不均勻性進(jìn)一步突出，沉井結(jié)構(gòu)安全、沉降控制、沉井狀態(tài)調(diào)整均面臨顯著的困難。文獻(xiàn)[5-7]采用GPS-RTK、邊墩+輔助墩定位技術(shù)等解決復(fù)雜條件下沉井基礎(chǔ)定位下沉與控制難題，并采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)控制沉井下沉過程中的空間幾何姿態(tài)。文獻(xiàn)[8-9]著重論述了大型沉井下沉過程中相關(guān)的關(guān)鍵性施工技術(shù)。文獻(xiàn)[10]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了超大沉井基礎(chǔ)的承載特性及基底土體的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)。

對(duì)于巨型沉井基礎(chǔ)，如果將中小型基礎(chǔ)的施工控制理論與研究成果簡(jiǎn)單套用，可能會(huì)引發(fā)諸多適用性問題。本文基于五峰山大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)項(xiàng)目，首先，通過數(shù)值模擬分析了沉井下沉到位后結(jié)構(gòu)的受力和變形特性及沉井周邊土體的變形情況；然后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了沉井第3 次下沉過程的不均勻沉降變化情況和后續(xù)施工工況對(duì)沉井前期變形的影響。相關(guān)研究可為超大型沉井現(xiàn)場(chǎng)施工、下沉過程不均勻沉降控制、沉井前期變形分析等提供一定的參考。

1 五峰山大橋北錨碇沉井施工概況

1.1 工程概況

五峰山長(zhǎng)江特大橋北錨碇基礎(chǔ)采用重力式沉井基礎(chǔ)?；A(chǔ)采用矩形截面，長(zhǎng)100.7 m，寬72.1 m，高56 m，重達(dá)24.8 萬t。沉井頂面標(biāo)高為+1.0 m，基底標(biāo)高為-55.0 m。

錨碇位于沖擊平原區(qū)，地形較平坦，地表主要為填土，填土以下土層分別為②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②2-1粉砂夾粉土、②3粉砂、②3粉細(xì)砂、②4粉細(xì)砂、③1粉細(xì)砂、③2粉細(xì)砂。下伏基巖為石英閃長(zhǎng)斑巖，巖面傾斜角約5°。沉井土層地質(zhì)分布情況及土層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)匯總表Table 1 The parameters for the different layers of soil

1.2 沉井結(jié)構(gòu)

沉井基礎(chǔ)共分10 節(jié)，第1 節(jié)為鋼殼混凝土沉井，高8 m。第2節(jié)—第10 節(jié)為鋼筋混凝土沉井，其中第2 節(jié)高6 m，第3 節(jié)—第8 節(jié)高均為5 m，第9 節(jié)高4 m，第10 節(jié)高8 m。沉井結(jié)構(gòu)中間共設(shè)置48 個(gè)10.2 m×10.9 m 的矩形井孔，其中后端18 個(gè)井孔用C20 水下混凝土填充，前端12 個(gè)井孔用清水填充，剩下的18 個(gè)井孔用砂填充。沉井封底混凝土厚為12 m，基底置于粉細(xì)砂層。沉井詳細(xì)的平面構(gòu)造尺寸見圖1。

圖1 北錨碇沉井平面構(gòu)造圖（cm）Fig.1 Plane diagram of the north anchorage caisson(cm)

1.3 施工工序

沉井經(jīng)歷3 次接高、3 次下沉后刃腳到達(dá)設(shè)計(jì)深度，完成沉井下沉作業(yè)。具體施工工序?yàn)椋?）鋼殼沉井拼裝完成后進(jìn)行后續(xù)混凝土節(jié)段的接高作業(yè)，先在首節(jié)基礎(chǔ)上接高第2、3 節(jié)，然后采取降排水、十字槽開挖工藝使沉井下沉；2）向沉井隔倉內(nèi)灌水后，繼續(xù)接高沉井第4、5、6 節(jié)，采取不排水、8 個(gè)區(qū)或4 個(gè)區(qū)開挖工藝使沉井下沉；3）繼續(xù)接高沉井第7、8、9、10 節(jié)，采取不排水、4 個(gè)區(qū)開挖工藝使沉井下沉。沉井接高與下沉具體組合如表2 所示，沉井開挖下沉方式見圖2。

表2 沉井接高及下沉組合表Table 2 Combination table of height connection and sinking of open caisson

圖2 沉井開挖方式示意圖Fig.2 The schematic diagram for the excavation of caisson

2 沉井結(jié)構(gòu)靜力分析

2.1 數(shù)值模型

為盡可能真實(shí)模擬沉井結(jié)構(gòu)及周邊土體，采用Abaqus 軟件建立三維有限元模型。模型中，土體長(zhǎng)400 m，寬400 m，高80 m。土體和沉井結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元。土體采用摩爾庫侖本構(gòu)模型，土層參數(shù)見表1。混凝土及鋼材采用彈性本構(gòu)，鋼材重度為78.50 kN/m3，彈性模量取值為209 GPa，泊松比為0.3；混凝土為C30，重度為25 kN/m3，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.3?？紤]沉井結(jié)構(gòu)-土體的相互作用，結(jié)構(gòu)與周圍土體接觸設(shè)置為摩擦，摩擦系數(shù)為0.3。

2.2 模擬結(jié)果

1）沉井變形

沉井下沉到位后，沉井結(jié)構(gòu)沿x 和y 方向的變形情況見圖3。

狼獾看起來有點(diǎn)像個(gè)頭小一些的棕熊，它們是生活在北極邊緣及亞北極地區(qū)叢林里的鼬類動(dòng)物。為了儲(chǔ)備過冬的食物，狼獾表現(xiàn)得十分兇殘，一旦發(fā)現(xiàn)馴鹿的蹤跡就窮追不舍，大開殺戒。狼獾的短腿和大腳爪在厚厚的積雪上奔跑起來十分得力，相比起來，馴鹿的奔跑速度則遜色得多。狼獾捕到馴鹿后，會(huì)先吃掉一部分，然后再把剩下的馴鹿肉分別埋藏在不同的地方，這樣一來，在找不到食物的冬日里就不會(huì)挨餓了。要知道，“冰天雪地”可是大自然中的天然冰箱！

圖3 沉井下沉到位后變形圖Fig.3 The deformation of caisson after the completion of the sinking

由圖3（a）可知，沉井結(jié)構(gòu)沿x 方向最大位移為1.58 mm；由圖3（b）可知，沉井結(jié)構(gòu)沿y 方向最大位移為0.94 mm，方向均指向井外。

2）沉井應(yīng)力

模擬結(jié)果表明，沉井下沉到位后，沉井結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)下壓上拉的情況。沉井結(jié)構(gòu)沿x 方向最大壓應(yīng)力為5.84 MPa，最大拉應(yīng)力為1.27 MPa，分別位于沉井底部和頂部的橫隔板處；沿y方向最大壓應(yīng)力為6.59 MPa，最大拉應(yīng)力為1.09 MPa，同樣位于沉井底部和頂部的橫隔板處。

3）周邊土體變形

模擬結(jié)果表明，沉井下沉到位后，周邊土體沿x 方向最大的位移為6.25 mm，沿y 方向最大位移為6.34 mm，方向均指向井內(nèi)。周邊土體沿x和y 方向的變形較小，主要是由于沉井結(jié)構(gòu)對(duì)周邊土體的強(qiáng)約束作用。由于沉井外壁與土體的材料差異造成周邊土體沿沉井外壁發(fā)生豎向相對(duì)滑移，靠近基坑一側(cè)的地表最大豎向沉降約為25 mm，見圖4。

圖4 沉井下沉到位后地表豎向沉降曲線圖Fig.4 The vertical settlement curve of the ground after the completion of caisson sinking

3 沉井施工過程監(jiān)控分析

3.1 沉井監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)沉井的平面構(gòu)造，共布設(shè)9 個(gè)高程監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)0 位于沉井平面的中心；監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～4 分別布設(shè)于沉井長(zhǎng)邊和短邊的中心位置；監(jiān)測(cè)點(diǎn)5～8 分別布設(shè)于沉井的4 個(gè)角點(diǎn)，見圖1。

3.2 第3 次下沉監(jiān)測(cè)分析

由圖5 可知，沉井第3 次下沉過程可分為2個(gè)階段，階段1 為2017-09-27—2017-10-22，階段2 為2017-10-23 至施工結(jié)束。沉井第3 次下沉開始，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻沉降且豎向高差值不斷增大。階段1 沉井中部（監(jiān)測(cè)點(diǎn)2 和監(jiān)測(cè)點(diǎn)4）不均勻沉降較??；沿鎮(zhèn)江方向位置（監(jiān)測(cè)點(diǎn)5 和監(jiān)測(cè)點(diǎn)6），沉井相對(duì)于中部出現(xiàn)下沉，最大豎向下沉高差可達(dá)600 mm；沿?fù)P州方向位置（監(jiān)測(cè)點(diǎn)7 和監(jiān)測(cè)點(diǎn)8），沉井相對(duì)于中部出現(xiàn)上抬，最大豎向上抬高差可達(dá)600 mm。對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 和監(jiān)測(cè)點(diǎn)3數(shù)據(jù)，同樣可知沉井沿鎮(zhèn)江方向位置下沉較大。沉井下沉過程出現(xiàn)較大的不均勻沉降，主要是由超大平面下復(fù)雜的不均勻地層情況引起。考慮階段1 沉井結(jié)構(gòu)的不均勻沉降較大，后續(xù)施工對(duì)沉井下沉采取相應(yīng)的控制措施。進(jìn)入階段2，最大的不均勻沉降量已控制在±300 mm 左右。之后，隨著后續(xù)施工的開展，沉井結(jié)構(gòu)的不均勻沉降緩慢增長(zhǎng)。直至沉井下沉到位后，最大不均勻沉降約為±500 mm 左右。

圖5 沉井第3 次下沉過程監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 The on-site monitoring results for the third sinking process of caisson

3.3 沉井前期變形監(jiān)測(cè)分析

沉井下沉到位后，現(xiàn)場(chǎng)封底、填倉、井蓋澆筑及錨體澆筑等各施工工況均會(huì)對(duì)沉井前期變形造成影響。沉井前期變形的監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖6。

圖6 沉井前期變形監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.6 Early deformation monitoring results of caisson

由圖6 可知，沉井終沉后，隨著沉井整體總重逐漸增大，沉井前期變形逐漸增大，最大的整體平均累積沉降量可達(dá)60 mm 左右。在封底施工期（2017-11-09—2017-12-28），監(jiān)測(cè)點(diǎn) 5～8 的沉降較為一致，約為20 mm；隨著后續(xù)施工開展，沉井4 個(gè)角點(diǎn)開始出現(xiàn)不均勻沉降且不均勻沉降量呈增大趨勢(shì)，最大不均勻沉降量達(dá)30 mm。沉井前期不均勻沉降主要是由于分區(qū)施工引起。為此，建議后續(xù)施工中仍應(yīng)控制沉井的前期變形。

4 結(jié)語

本文基于五峰山大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)項(xiàng)目，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了下沉到位后沉井結(jié)構(gòu)的受力和變形特性、周邊土體的變形情況，并分析了大型沉井下沉過程的不均勻沉降情況及沉井的前期變形，得到以下結(jié)論：

1）下沉到位后，沉井結(jié)構(gòu)沿x 方向最大位移為1.58 mm，沿y 方向最大位移為0.94 mm；沉井結(jié)構(gòu)沿x 方向最大壓應(yīng)力為5.84 MPa，沿y 方向最大壓應(yīng)力為6.59 MPa，均位于沉井底部的橫隔板處；周邊土體沿x 方向最大的位移為6.25 mm，沿y 方向最大位移為6.34 mm，最大豎向沉降約為25 mm。

2）由于復(fù)雜的地質(zhì)情況，超大平面沉井下沉過程中容易出現(xiàn)沿短邊或長(zhǎng)邊方向的不均勻沉降，由此影響沉井結(jié)構(gòu)的整體受力特性。為此，建議設(shè)計(jì)超大型平面沉井時(shí)應(yīng)考慮較大不均勻沉降的不利工況對(duì)沉井結(jié)構(gòu)承載能力的影響。

3）沉井下沉到位后，后續(xù)的施工工況會(huì)對(duì)沉井的前期變形造成影響。隨著沉井整體總重逐漸增大，會(huì)導(dǎo)致沉井下沉且出現(xiàn)一定的不均勻沉降。為此，建議合理控制后續(xù)施工對(duì)沉井前期變形的影響，并對(duì)沉井前期的不均勻沉降應(yīng)采取一定的控制措施。