圓形沉井隔墻對井壁應力影響分析

胡冬 張健

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司合肥分公司，安徽合肥 230031）

沉井技術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[1]。目前沉井設計計算主要采用的理論仍為庫倫土壓力[2]等經典理論，但存在著局限性；郝志強[3]經過實測發現，沉井土壓力介于主動土壓力和靜止土壓力之間；梁穡稼等[4]則基本假定推導出單一非黏性土沉井土壓力和側壁摩阻力的計算公式；施文龍[5]則采用有限元法對沉井基礎進行了數值分析，發現刃腳區域內的隔墻及井壁出現了壓應力的最大值。針對沉井井壁應力分布及隔墻作用進行理論分析計算，對沉井計算及工程實踐有重要借鑒意義。

1 井壁應力分析

沉井結構進行設計時，首要在于對井壁受力條件進行分析，從而考慮沉井的下沉需求、穩定需求和抗浮要求。沉井使用時，主要考慮環向受力、縱向受力和底板受力，其中環向受力為核心分析、設計對象。對環向應力進行工程分析時，一般假定閉合環向受力均勻，井壁抵抗外力的能力相同。

1.1 土壓力計算

沉井下沉穩定后，主要受到外側土壓力和水壓力的作用，對沉井井壁土壓力的認識主要基于對擋土墻土壓力分布認識的經典朗肯土壓力理論和庫倫土壓力理論。工程設計計算多采用朗肯主動土壓力進行計算，假定底板為固定嵌固，取最不利環向按平面閉合框架進行計算。

中小型沉井一般設置支承點進行計算，取土時在刃腳區域保留部分土體作為支撐點，實現對跨中、支座的力矩平衡，從而計算井壁的應力分布，對于大型沉井這種計算方式有所欠缺，無論是無隔墻的中部大開挖還是有隔墻的分區小開挖，受力條件均有變化，需依據施工情況具體分析或采用數值模擬計算整體分析。

1.2 數值模擬計算

數值模擬計算是指替換掉原來的連續體結構而使用有限個單元體所構成的離散化結構來分析應力變形的一種分析方法。在模擬非線性、非均質和邊界條件復雜的土體問題上應用廣泛。對沉井井壁應力進行簡化計算，可以滿足工程設計要求，但對井壁應力分布情況卻難以體現。采用三維有限元軟件則可以很好的解決這個問題，通過midas 數值模擬計算，假定沉井底部為固定嵌固，對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力分布情況和沉井隔墻對應力分布產生的積極影響，為工程設計提供設計依據。

2 工程實例

沉井主要應用于市政工程，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計為基礎，采用midas 數值模擬軟件對比計算分析了外直徑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。

擬建場地揭露地層自上而下依次為：①層雜填土-②層粉質黏土-③層粉質黏土與粉土互層-④粉質黏土夾粉土，現將各層地基巖土的巖性結構特征分別敘述如下：

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。該層土物理力學性質較差。

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

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

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

具體參數如下表1 所示。

表1 沉井土層信息

對比分析計算時依據設計成果，對隔墻和井壁以板單元進行模擬，將沉井底部進行嵌固處理，得出計算結果如圖1、圖2所示。由圖中可以看出，井壁應力的分布符合工程特點，靠近底部區域由于土壓力最大而承受彎矩最大，轉角或隔墻所在位置由于支承作用而出現小區域的負向彎矩。具體分析，隔墻的增加導致沉井最大彎矩不斷下降，且沉井井壁彎矩分布呈現均勻化趨勢，表明隔墻對井壁應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，與設計有細微出入；（二）隔墻能有效改善沉井應力分布，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，在工程設計時可簡化為圓環采用平面閉合框架計算，但結果偏保守。

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 隔墻對施工影響

沉井下沉助沉方法包括泥漿潤滑套、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，而大型沉井下沉為控制下沉形態，一般會對刃腳區域內側的土體預留3-4 米以進行保護，導致靠近底部區域的井壁為受力薄弱點。

隔墻的采用一方面可以改善井壁應力分布，另一方面可以降低施工難度，尤其是在大型沉井中。若沉井無隔墻設置，土體開挖會是放射性的由內向外開挖，沉井中部出現“大圓坑”，靠近底部的井壁沒有土體保護，承受的彎矩大，需要進行大厚度、大配筋操作；若沉井設置有隔墻，開挖過程會依據隔墻形成的艙室分倉進行，沉井中會形成一個個“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，計算跨度小，不會出現彎矩過大導致的破壞現象，而隔墻則由于臨空現象成為了受力薄弱點。

4 結論

井壁受力分析計算時，傳統方法具有普遍性和工程適用性，但過于簡化，無法反映井壁應力變化情況；數值計算更為直觀和清晰，可以看出沉井井壁應力的分布情況，為工程設計提供參考依據；對于沉井跨度大、側向壓力大的情況，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力分布情況，為沉井的安全使用提供保障。