圓形沉井隔墻對(duì)井壁應(yīng)力影響分析

胡冬 張健

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司合肥分公司，安徽合肥 230031）

沉井技術(shù)是指將各種形狀的井筒邊排土邊沉入地下，最后固定于地下形成地下建筑物的施工技術(shù)[1]。目前沉井設(shè)計(jì)計(jì)算主要采用的理論仍為庫(kù)倫土壓力[2]等經(jīng)典理論，但存在著局限性；郝志強(qiáng)[3]經(jīng)過實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，沉井土壓力介于主動(dòng)土壓力和靜止土壓力之間；梁穡稼等[4]則基本假定推導(dǎo)出單一非黏性土沉井土壓力和側(cè)壁摩阻力的計(jì)算公式；施文龍[5]則采用有限元法對(duì)沉井基礎(chǔ)進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)刃腳區(qū)域內(nèi)的隔墻及井壁出現(xiàn)了壓應(yīng)力的最大值。針對(duì)沉井井壁應(yīng)力分布及隔墻作用進(jìn)行理論分析計(jì)算，對(duì)沉井計(jì)算及工程實(shí)踐有重要借鑒意義。

1 井壁應(yīng)力分析

沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首要在于對(duì)井壁受力條件進(jìn)行分析，從而考慮沉井的下沉需求、穩(wěn)定需求和抗浮要求。沉井使用時(shí)，主要考慮環(huán)向受力、縱向受力和底板受力，其中環(huán)向受力為核心分析、設(shè)計(jì)對(duì)象。對(duì)環(huán)向應(yīng)力進(jìn)行工程分析時(shí)，一般假定閉合環(huán)向受力均勻，井壁抵抗外力的能力相同。

1.1 土壓力計(jì)算

沉井下沉穩(wěn)定后，主要受到外側(cè)土壓力和水壓力的作用，對(duì)沉井井壁土壓力的認(rèn)識(shí)主要基于對(duì)擋土墻土壓力分布認(rèn)識(shí)的經(jīng)典朗肯土壓力理論和庫(kù)倫土壓力理論。工程設(shè)計(jì)計(jì)算多采用朗肯主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算，假定底板為固定嵌固，取最不利環(huán)向按平面閉合框架進(jìn)行計(jì)算。

中小型沉井一般設(shè)置支承點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，取土?xí)r在刃腳區(qū)域保留部分土體作為支撐點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)跨中、支座的力矩平衡，從而計(jì)算井壁的應(yīng)力分布，對(duì)于大型沉井這種計(jì)算方式有所欠缺，無(wú)論是無(wú)隔墻的中部大開挖還是有隔墻的分區(qū)小開挖，受力條件均有變化，需依據(jù)施工情況具體分析或采用數(shù)值模擬計(jì)算整體分析。

1.2 數(shù)值模擬計(jì)算

數(shù)值模擬計(jì)算是指替換掉原來的連續(xù)體結(jié)構(gòu)而使用有限個(gè)單元體所構(gòu)成的離散化結(jié)構(gòu)來分析應(yīng)力變形的一種分析方法。在模擬非線性、非均質(zhì)和邊界條件復(fù)雜的土體問題上應(yīng)用廣泛。對(duì)沉井井壁應(yīng)力進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，可以滿足工程設(shè)計(jì)要求，但對(duì)井壁應(yīng)力分布情況卻難以體現(xiàn)。采用三維有限元軟件則可以很好的解決這個(gè)問題，通過midas 數(shù)值模擬計(jì)算，假定沉井底部為固定嵌固，對(duì)井壁周圍施加土壓力和水壓力，控制單一變量為沉井隔墻，可以得出沉井井壁應(yīng)力分布情況和沉井隔墻對(duì)應(yīng)力分布產(chǎn)生的積極影響，為工程設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 工程實(shí)例

沉井主要應(yīng)用于市政工程，其隔墻的采用可以有效提升沉井剛度。本文以合肥市店埠河小流域綜合治理工程的某泵房沉井設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用midas 數(shù)值模擬軟件對(duì)比計(jì)算分析了外直徑31.0m、壁厚1.5m、隔墻厚度1.0/0.8m、深度27.6m 的圓形沉井井壁應(yīng)力分布。該沉井采用排水下沉方案，且兼做頂管接收井。

擬建場(chǎng)地揭露地層自上而下依次為：①層雜填土-②層粉質(zhì)黏土-③層粉質(zhì)黏土與粉土互層-④粉質(zhì)黏土夾粉土，現(xiàn)將各層地基巖土的巖性結(jié)構(gòu)特征分別敘述如下：

第①層雜填土（Q42ml），灰褐色，松散～松軟，濕，壓縮性高。該層土以黏性土為主，表層含多量植物根莖，整層土含少量建筑垃圾及碎石。該層土物理力學(xué)性質(zhì)較差。

第②層粉質(zhì)黏土（Q42al），灰黃色，可塑，局部軟塑，中等壓縮性。干強(qiáng)度中等，韌性中等，搖震反應(yīng)緩慢，切面稍有光澤。含少量鐵錳結(jié)核，夾少量黏土。該層土物理力學(xué)性質(zhì)較好。

第③層粉質(zhì)黏土和粉土互層（Q41al），灰黃色～灰白色，可塑，局部軟塑，濕，稍密～中密，中等壓縮性。干強(qiáng)度低～中等，韌性低～中等，搖震反應(yīng)較快，切面較粗糙，稍有光澤，含少量鐵錳結(jié)核，云母碎屑。該層土粉質(zhì)黏土和粉土在橫向和豎向交替分布，粉質(zhì)黏土偏多。該層土總體物理力學(xué)性質(zhì)較好。

第④層粉質(zhì)黏土夾粉土（Q41al），灰黃色，可塑，中密～密實(shí)，中等壓縮性，含少量鐵錳結(jié)核及云母碎屑。干強(qiáng)度及韌性中等，搖震反應(yīng)較快，切面較粗糙，光澤差。該層土粉粒顆粒含量大，物理力學(xué)性質(zhì)較好。

具體參數(shù)如下表1 所示。

表1 沉井土層信息

對(duì)比分析計(jì)算時(shí)依據(jù)設(shè)計(jì)成果，對(duì)隔墻和井壁以板單元進(jìn)行模擬，將沉井底部進(jìn)行嵌固處理，得出計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2所示。由圖中可以看出，井壁應(yīng)力的分布符合工程特點(diǎn)，靠近底部區(qū)域由于土壓力最大而承受彎矩最大，轉(zhuǎn)角或隔墻所在位置由于支承作用而出現(xiàn)小區(qū)域的負(fù)向彎矩。具體分析，隔墻的增加導(dǎo)致沉井最大彎矩不斷下降，且沉井井壁彎矩分布呈現(xiàn)均勻化趨勢(shì)，表明隔墻對(duì)井壁應(yīng)力分布改善作用明顯，支撐有效。

總而言之：（一）圓形沉井最大彎矩位于沉井底部偏上位置，與設(shè)計(jì)有細(xì)微出入；（二）隔墻能有效改善沉井應(yīng)力分布，以貫穿隔墻作用最為明顯；（三）圓形沉井M-xx 與M-yy 彎矩分布與大小相當(dāng)，在工程設(shè)計(jì)時(shí)可簡(jiǎn)化為圓環(huán)采用平面閉合框架計(jì)算，但結(jié)果偏保守。

圖1 沉井井壁M-XX 彎矩隨隔墻變化圖

圖2 沉井井壁M-YY 彎矩隨隔墻變化圖

3 隔墻對(duì)施工影響

沉井下沉助沉方法包括泥漿潤(rùn)滑套、空氣幕沉井以及液壓助力等，原理在于增加下沉力或降低摩擦力。但均需要取土作業(yè)，而大型沉井下沉為控制下沉形態(tài)，一般會(huì)對(duì)刃腳區(qū)域內(nèi)側(cè)的土體預(yù)留3-4 米以進(jìn)行保護(hù)，導(dǎo)致靠近底部區(qū)域的井壁為受力薄弱點(diǎn)。

隔墻的采用一方面可以改善井壁應(yīng)力分布，另一方面可以降低施工難度，尤其是在大型沉井中。若沉井無(wú)隔墻設(shè)置，土體開挖會(huì)是放射性的由內(nèi)向外開挖，沉井中部出現(xiàn)“大圓坑”，靠近底部的井壁沒有土體保護(hù)，承受的彎矩大，需要進(jìn)行大厚度、大配筋操作；若沉井設(shè)置有隔墻，開挖過程會(huì)依據(jù)隔墻形成的艙室分倉(cāng)進(jìn)行，沉井中會(huì)形成一個(gè)個(gè)“小圓坑”，深度減小且施工更為方便，井壁由于隔墻的水平支承作用，計(jì)算跨度小，不會(huì)出現(xiàn)彎矩過大導(dǎo)致的破壞現(xiàn)象，而隔墻則由于臨空現(xiàn)象成為了受力薄弱點(diǎn)。

4 結(jié)論

井壁受力分析計(jì)算時(shí)，傳統(tǒng)方法具有普遍性和工程適用性，但過于簡(jiǎn)化，無(wú)法反映井壁應(yīng)力變化情況；數(shù)值計(jì)算更為直觀和清晰，可以看出沉井井壁應(yīng)力的分布情況，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)；對(duì)于沉井跨度大、側(cè)向壓力大的情況，增加隔墻既可以滿足施工工藝要求，又可以有效改善沉井應(yīng)力分布情況，為沉井的安全使用提供保障。