軟土地區(qū)泵站基坑運行期結構受力數(shù)值分析

徐 建，魏 鵬，寧 宇，黃青富，劉易鑫

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.鹽城市大豐區(qū)三龍水利管理服務站，江蘇 鹽城 224161；3.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

隨著地下空間建設的不斷發(fā)展，基坑工程呈現(xiàn)出規(guī)模不斷擴大、深度不斷增加的發(fā)展趨勢，確?；邮┕ぜ斑\行期的安全穩(wěn)定成為深基坑工程的首要任務。軟土具有含水率高、孔隙比大、滲透性弱等特征[1]，在軟土地區(qū)開挖基坑，基坑的穩(wěn)定性受軟土力學特性、土與結構的相互作用、地下水位等因素影響顯著，開挖過程中基坑的變形具有明顯的時間效應和空間效應。因此，對于軟土地區(qū)基坑施工過程及其運行期的安全穩(wěn)定進行設計評估具有重要的工程意義。

當前，國內(nèi)外學者對軟土地區(qū)基坑開挖穩(wěn)定進行了大量的研究。劉繼武等[2]利用FLAC3D軟件對深基坑的開挖支護進行數(shù)值模擬，通過接觸單元模擬土體與結構之間的相互作用關系，分析基坑開挖后的變形穩(wěn)定；徐凌等[3]針對內(nèi)撐式排樁深基坑支護開挖過程中地表及維護結構的安全性問題進行研究，確定了合理的數(shù)值模擬方法，較好地模擬了不同工況下的地表沉降和圍護結構的水平位移；鄭磊[4]考慮膨脹力影響，對膨脹土地區(qū)深基坑支護結構進行了優(yōu)化設計；周一波等[5]針對紅黏土地區(qū)深基坑在人為誘導作用下的沉降變形問題進行的研究表明，基坑開挖導致周圍土體的應力釋放，坑底土體隆起致使周邊土體進一步向坑內(nèi)發(fā)生滑移損傷；曹力橋[6]考慮工程降水的影響，分析坑底隆起變形及其影響因素，得出工程降水對深基坑土體有壓密作用、基坑出現(xiàn)塑性隆起以及降水對基坑穩(wěn)定有利的結論；劉傳林[7]進行了固結排水剪切試驗。采用HSS本構模型對雙側基坑分區(qū)開挖過程隧道變形進行數(shù)值模擬；馬雪妍等[8]通過有限元模擬計算了多種工況下圍護變形情況，通過工況間對比并與設計報警值對比后得出最優(yōu)工況；鈕佳偉等[9]采用ABAQUS軟件建模，研究多項因素對坑底回彈變形的影響規(guī)律；沈華駿等[10]整理了某工程基坑開挖施工期間地表沉降監(jiān)測斷面及圍護結構測斜監(jiān)測點數(shù)據(jù)，分析了基坑圍護結構與地表沉降變形規(guī)律；周書東等[11]基于變形原因、破壞形式、控制要點提出了軟土基坑變形的控制措施；李錦等[12]以上海地區(qū)某鄰近既有鐵路的深基坑工程為例，對深基坑開挖對既有鐵路的影響進行了研究；朱亞睿等[13]采用地質(zhì)雷達法進行探測，分析提出了針對基坑局部變形問題的應急處理措施；劉雷等[14]通過Plaxis 2D有限元模擬計算分析，研究探討了基坑施工技術的安全性；喬世范等[15]對厚軟土地層采用地連墻加內(nèi)支撐作為圍護體系的狹長深基坑進行了實測分析。

以上大多學者對于基坑工程的數(shù)值模擬主要集中于施工期基坑開挖過程中的變形穩(wěn)定，而對于基坑開挖完成后，各結構在運行期不同工況下的模擬研究較少。為此，本文基于某提水泵站基坑工程，對基坑開挖完成后，泵站混凝土結構在運行期不同工況下(進水池低水位和高水位)的受力情況進行數(shù)值模擬，選取各結構部分(泵底板、進水池、吊車梁、各墻體)的典型斷面，基于各結構的應力變形情況，確定泵站結構合理的配筋方案，給出泵房大體積混凝土結構的配筋量，并列出了建議配筋結果，可供泵房結構設計參考。

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模

某提水泵站位于河流左岸階地平臺，地形坡度1°～3°左右，場地地面相對平整，采用全地下式泵站設計，埋入地面以下2 m。泵站為3級建筑物。泵站主泵房尺寸為55 m×27.5 m×15 m(長×寬×高)。電氣副廠房布置于主泵房東南側，與主泵房置于同一基坑內(nèi)，尺寸為36.07 m×22.48 m×9.5 m(長×寬×高)。提水泵站縱剖面布置及平面布置分別見圖1、2。

圖1 提水泵站剖面布置

圖2 提水泵站平面布置

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘測資料，提水泵站位置屬沖洪積準平原地貌，主要出露地層為第四系土層，地基土層主要為雜填土(厚度1.2 m、高程1 910.3～1 911.5 m)、黏土(厚度3.0 m、高程1 907.3～1 910.3 m)、有機質(zhì)土(厚度1.0 m、高程1 906.3～1 907.3 m)、圓礫(厚度1.0 m、高程1 886.5～1 906.3 m)。泵站表層雜填土結構松散，承載力70～90 kPa；下部黏土和有機質(zhì)土均屬中壓縮性土，承載力較低，分別為110～130、70～100 kPa；底部圓礫，飽和，以中密～密實為主，厚度較大，連續(xù)性較好。泵站與泵房進水池基礎主要置于圓礫層中，且厚度較大，連續(xù)性較好，在局部夾雜有粉質(zhì)黏土，其力學強度指標小。該層具有一定的承載力(承載力特征值300～350 kPa)，但不能滿足承載力需求。各地層主要物理力學參數(shù)見表1。

表1 各地層主要物理力學參數(shù)

1.3 基坑支護方案

提水泵站基坑支護采用0.8 m厚的地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻內(nèi)部共設置3道水平支撐。該基坑工程支護方案主要參數(shù)：地下連續(xù)墻墻厚0.8 m，主泵房范圍內(nèi)深18 m，電氣副廠房范圍內(nèi)深12 m，采用C35混凝土；冠梁截面尺寸為2.3 m×1.5 m，采用C35鋼筋混凝土；第1道支撐截面尺寸為1 800 mm×1 000 mm(主泵房部分)及1 500 mm×800 mm(電氣副廠房部分)，采用C50鋼筋混凝土，為“永臨結合”的正交井字梁；第2、3道均采用支撐采用直徑609 mm、壁厚16 mm的鋼支撐；混凝土灌注樁直徑為800 mm。

2 計算模型

2.1 模型網(wǎng)格

根據(jù)泵站結構設計方案建立提水泵站基坑的三維模型，三維模型四周邊界距基坑周邊均大于3倍基坑深度，模型尺寸為180 m×120 m×70 m(長×寬×高)，將基坑工程對周邊巖土體的主要影響區(qū)、次要影響區(qū)及可能影響區(qū)均包括在內(nèi)。

模型網(wǎng)格均采用八結點單元，共剖分為205 434個節(jié)點，189 911個單元，其中泵房結構模型共20 122個節(jié)點，12 725個單元。坐標系選用笛卡爾坐標系，整體直角坐標系Oxyz。模型位移邊界條件：模型底部固定x、y、z方向位移，側面固定法向位移，頂部為自由面。計算模型見圖3。

圖3 計算模型

2.2 計算方案

考慮到該泵房位于地下，地下水位較高，在基坑開挖過程中及開挖后泵房的穩(wěn)定性受地下水的影響較大，因此應同時考慮滲流場與應力場的復合作用以及各結構間的相互影響，以便對泵房結構的應力變形進行更加準確的模擬研究。

該泵站進水池設計最低水位為1 904.5 m，設計水位同最高水位一致，為1 908.7 m。地下水位1 907.0 m。各工況水位組合見表2。主要包括施工完建期、進水池最低水位運行期和進水池最高水位運行期。

表2 計算工況

3 計算結果

3.1 泵房應力

通過數(shù)值計算后，施工完建期、最低水位運行期、最高水位運行期3種工況下的廠房應力水平計算結果見圖4。從圖4可知，完建期時，泵站內(nèi)部結構主要承受水泵、電動機、起重機等設備的自重、外水壓力和側向土壓力，此時最大壓應力為-8.87 MPa，最大拉應力為1.39 MPa。當進水池水位處于最低水位時，內(nèi)外水壓力共同作用于泵房，混凝土結構設置為微透水，主廠房最大壓應力為-8.81 MPa，最大拉應力為1.22 MPa，可以看出，進水池低水位狀態(tài)下，泵房混凝土結構中壓應力與拉應力均有所下降，其中拉應力降幅更大。當進水池水位處于最高水位，即設計水位時，此時內(nèi)部水位高于地下水位，主廠房最大壓應力為-8.80 MPa，最大拉應力為1.41 MPa，較完建期出現(xiàn)微小漲幅。

圖4 泵站廠房最小主應力云圖

可以看出，泵房主體結構在不同工況下的最大壓應力只出現(xiàn)了微小浮動，最大拉應力在最高水位運行期時達到最大，但未超過混凝土抗拉強度。

3.2 泵房位移

圖5～7給出了3種工況下泵房整體水平位移云圖(x向代表垂直于進水池長邊方向，為順水流方向；y向代表平行于進水池長邊方向，為垂直于水流方向)。從圖5～7可知，泵房整體有沿x軸負向運動的趨勢，由于主廠房較副廠房深，故主廠房位移大于副廠房位移。主廠房最大順水流向位移發(fā)生在設計水位運行時的中墻近進水池側，為0.33 mm；在深度方向，位移云圖有明顯的分層現(xiàn)象，垂直位移隨深度增加而減小，其原因在于在滲流作用下產(chǎn)生的自上而下的頂托力。副廠房的垂直水流方向位移均為正值，泵房整體呈由中間向兩端運動的趨勢，最大垂直水流向位移均發(fā)生在泵底板遠副廠房端，設計(最高)水位運行時位移達到最大，為0.42 mm。

圖6 最低水位運行期泵房整體水平位移云圖

圖7 最高水位運行期泵房整體水平位移云圖

在3種工況下，泵房整體的位移值較小，順水流向位移較垂直水流向位移變化大，水平位移值由地連墻處向四周逐漸減小，即離地連墻越近，滲流引起的順水流向位移越大。

4 典型斷面應力分析及配筋計算

4.1 典型斷面

選取泵站主體結構的典型斷面(泵基礎底板、進水池底板及主廠房中墻)，對其應力狀態(tài)進行分析，確定合理的配筋方案。

(1)泵基礎底板。完建期將起重機、水泵、電動機等機電設備安裝完成后，泵基礎底板及兩端側墻的應力情況發(fā)生變化，同時相鄰機組自重產(chǎn)生的彎矩也影響基礎底板應力狀態(tài)。與施工期相比，泵基礎底板的拉應力數(shù)值有所減緩。圖8為泵基礎底板最小主應力云圖。從圖8可知，在運行期，基礎底板的最大拉應力出現(xiàn)于近副廠房端的底板頂面，約為0.08 MPa，未超出混凝土抗拉強度1.5 MPa。隨著進水池水位的增加，泵房底板的壓應力也隨之有所增加，最大壓應力為-0.81 MPa，未超出混凝土抗壓強度15.0 MPa。

圖8 泵基礎底板最小主應力云圖

(2)進水池底板。運行期底板主要承受內(nèi)外水壓力，完建期拉應力最大值為0.08 MPa。圖9為進水池底板最小主應力云圖。從圖9可以看出，與完建期相比，由于運行期時進水池內(nèi)充水，壓應力有所減緩，拉應力區(qū)消失。壓應力在底板與側墻連接的端部數(shù)值較大，最大值為-0.42 MPa。

圖9 進水池底板最小主應力云圖

(3)中墻。中墻受力情況較為復雜，最高水位運行時近進水池側出現(xiàn)條狀拉應力區(qū)，拉應力最大值約為0.20 MPa。由于底板與吊車梁上方載荷的共同作用，中墻與底板連接處端部產(chǎn)生彎矩，在遠進水池側與底板的連接邊出現(xiàn)條狀壓應力區(qū)，最大值出現(xiàn)于最低水位運行期，位于中墻下側中部，為-0.97 MPa。圖10為主廠房中墻最小主應力云圖。

圖10 中墻最小主應力云圖

4.2 配筋計算

對于泵房結構，可以將應力轉換成內(nèi)力，按截面破壞內(nèi)力計算鋼筋用量，按偏心受力構件計算。由截面應力轉換得到內(nèi)力N，得到軸向內(nèi)力距離鋼筋截面的合力作用點的偏心距e。查閱規(guī)范得到鋼筋混凝土結構的結構系數(shù)γd為2.0。構件穩(wěn)定平衡時截面應滿足如下條件

(1)

(2)

式中，h為截面高度；as為保護層厚度。根據(jù)上述配筋原理計算的泵房典型斷面配筋結果見表3。

表3 泵房典型斷面配筋表

5 結 語

本文通過數(shù)值模擬方法，對基坑開挖后圍護結構的變形穩(wěn)定及運行期不同工況下(進水池低水位和高水位)泵站混凝土結構的應力變形進行分析，結果表明，廠房結構在不同工況下的最小主應力和位移在數(shù)值上都只出現(xiàn)微小浮動，最大拉應力在最高水位運行期時達到最大。選取泵站結構的典型斷面，并基于其應力變形情況給出合理的配筋方案。