沉井施工中井壁—土體接觸面力學特性分析

趙鑫 楊雪 宋立偉

摘 要：為了更好了解于沉井下沉施工中井壁與土體間相互作用機理，利用三維拉格朗日有限差分軟件—FLAC3D，對沉井下沉施工進行數值模擬，通過在井壁與土體間設定接觸面的方法研究井壁與土體的接觸狀態及其應力應變規律。模擬結果表明：沉井下沉過程中井壁上部受拉下部受壓，整體呈現一定的上浮趨勢，但結果可以接受;接觸面受法向應力影響較大，剪切影響較小，但不影響沉井施工。

關鍵詞：井壁;接觸面;FLAC3D;數值模擬

目前，國內外學者對于大型沉井以及巖土特性進行了大量的分析模擬和研究[ 1-4]，但對于在深厚淤泥層這類軟土地基上進行工程施工模擬的分析較少。沉井作為許多非開挖項目的重要組成部分，在整過施工過程中對周邊環境的保護要求、技術要求、質量要求都很高，如何保證沉井安全施工已成為巖土工程主要問題之一。沉井下沉施工是一個動態過程，需要進行大量的探索研究，其中數值模擬方法作為研究方法之一，具有成本低，靈活性大，數據處理方便等優點。FLAC3D軟件是巖土工程中應用較為廣泛的數值模擬軟件，其含有的接觸面單元可以很好的模擬井壁與土體間的相互作用。鑒此，本文運用FLAC3D軟件，通過設置接觸面的方法來分析井壁與土體間的作用狀態及力學特性。

一、建立數值模擬模型

（一）工程背景

本項目場地位于溫州市某區，擬建工程主要由電力隧道、頂管工作井和接收井組成。本文以工作井為研究對象。工作井為混凝土現場澆筑。沉井施工時主要涉及的土層為：①2 黏土、②1 淤泥夾砂、②2 夾砂淤泥、②3 淤泥。沉井封底時，刃腳處于②3 淤泥層中，各層土的物理力學參數見表 1。該工作井位于農田內，外井壁西北側距離廟宇圍墻 13.7m（磚砌結構），距離主殿 25m（磚砌結構），井外壁東側距離臨近高壓塔 16.87m。

（二）數值模擬模型

FLAC3D數值模擬采用的是混合離散法來模擬材料的屈服或塑形流動特性，這種方法比有限元方法中通常采用的降階積分更為合理[5]。在構建幾何模型時，采用了軟件中的Cylinder、Radcylinder、Schell和Brick基本網格模型;在構建本構模型時，土體采用Mohr-Coulomb模型、基坑運用Null模型、沉井采用單Elastic模型，構建出的模型實體如圖1所示。

沉井下沉完成后在井壁與土體間設置接觸面元（見圖2），INRTERFACE單元在FLACED中是一種很特殊的單元，常被物體間的接觸面、兩種不同性質區域的接觸界。

二、井壁與土體間接觸面模擬結果分析

對沉井下沉過程進行數值模擬，從圖3、圖4模擬結果表明，沉井下沉后頂部井壁受拉，底部受壓;井底土體出現隆起，整個沉井出現上浮情況。

由圖5、圖6可知沉井下沉后井壁與土體間發生相互作用，接觸面發生了力的傳遞，致使井壁與土體發生相互滑動與分離，分離部位較少且接近井口處，與之前模擬的頂部井壁受拉結果相符，圖九綠色部位顯示分離區。

由圖7～圖8可知，沉井根部的接觸面受到了較大的壓應力，產生了一定的法向位移;雖然接觸面受到剪切應力的作用，但僅在井壁底部少數位置產生剪切變形，井壁整體受剪切影響較小。

三、 結語

運用FLAC3D軟件對沉井下沉施工進行模擬，可以更加深入的分析井壁與土體之間的相互作用，創建的INTERFAC接觸面單元可以更加直觀的了解井壁與土體間的滑移與分離，其操作也更為便捷。本次模擬結果表明：沉井下沉過程中井壁上部受拉下部受壓，整體呈現一定的上浮趨勢，但結果可以接受;接觸面受法向應力影響較大，剪切影響較小，但不影響沉井施工。

參考文獻：

[1] 劉鵬. 甌江北支盾構穿越沉井施工數值模擬研究[J]. 科技信息， 2014（06）： 212-213.

[2] 劉波， 韓彥輝. FLAC原理、實例與應用指南[M]. 北京： 人民交通出版社， 2005.