超大沉井基礎(chǔ)下沉施工應(yīng)力與變位分析

石峻峰，陳 克，趙月悅，陶 俊

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2 中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；3 中鐵大橋局集團(tuán)第六工程有限公司，湖北 武漢 430050)

隨著我國基建事業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國橋梁建設(shè)逐漸走向海外，擴(kuò)展到全世界。一座座跨江跨海特大橋在逐漸規(guī)劃與建設(shè)，超大沉井基礎(chǔ)因其整體結(jié)構(gòu)剛度大、穩(wěn)定性好，承載力大，并能支撐較大荷載、抗?jié)B能力強、耐久性能好、適用的土質(zhì)范圍廣、施工深度深的特點被廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁的橋墩基礎(chǔ)[1-2]。結(jié)構(gòu)應(yīng)力是決定沉井基礎(chǔ)能否安全下沉至指定標(biāo)高的重要控制指標(biāo)[3]，而位移量的變化是控制沉井姿態(tài)正常下沉的重要因素[4]，目前有不少學(xué)者對沉井基礎(chǔ)下沉過程中應(yīng)力的變化進(jìn)行了研究。黃迪等[5]通過有限元模擬分析，指出刃腳與分區(qū)隔墻底部應(yīng)力呈現(xiàn)反復(fù)增加與減少的規(guī)律，鄧友生等[6]使用有限元軟件ADINA對某大型圓形沉井進(jìn)行模擬，提出沉井的正面阻力和側(cè)摩阻力隨著下沉深度呈線性增長，朱斌等[7]采用FLAC3D對楊泗港長江大橋主塔沉井下沉進(jìn)行模擬，研究了沉井下沉至標(biāo)高時井結(jié)構(gòu)與土體的應(yīng)力與變形，驗算了沉井施工方案的合理性，何靈巧等[8]通過對泰州長江大橋南錨大型沉井基礎(chǔ)下沉階段的側(cè)壁土壓力與受力特性進(jìn)行研究，根據(jù)摩阻力的計算模型，提出最大側(cè)壁摩阻力發(fā)生在2/3H的高度處,馮傳寶[9]采用有限元法對五峰山長江大橋北錨定沉井基礎(chǔ)施工過程進(jìn)行模擬，提出施工過程中沉井井壁與底板壓力變化規(guī)律與基礎(chǔ)位移的變化相關(guān),潘亞洲等[10]通過現(xiàn)場監(jiān)測對常泰長江大橋5號沉井的下沉阻力進(jìn)行研究分析，總結(jié)了大型沉井基礎(chǔ)下沉阻力的分布特性與變化規(guī)律。

通過上述學(xué)者的研究成果，依托常泰長江大橋6號主墩沉井基礎(chǔ)，采用大型有限元分析軟件ABAQUS對沉井基礎(chǔ)首次下沉施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，針對沉井基礎(chǔ)首次下沉的應(yīng)力與變形進(jìn)行分析研究，了解沉井基礎(chǔ)下沉的應(yīng)力的變化，為類似沉井基礎(chǔ)的下沉提供了參考。

1 工程背景

常泰過江通道主航道斜拉橋采用鋼桁梁方式，主要依靠6個橋墩以及縱向間隔14 m的斜拉索來提供彈性支撐，主橋主塔墩采用沉井基礎(chǔ)，本文依托對象6號橋墩沉井基礎(chǔ)采用了外圈圓環(huán)型、內(nèi)側(cè)矩形布置十字隔墻的結(jié)構(gòu)形式，豎向設(shè)置臺階，沉井底面尺寸95.0 m×57.8 m，圓端半徑28.9 m；沉井頂面尺寸77.0 m×39.8 m，沉井為鋼殼內(nèi)填充混凝土形成，總共有10節(jié)高度為64 m，第一節(jié)為9 m，第二節(jié)到第九節(jié)都為6 m，第10節(jié)為7 m，外壁板頂部擋墻為6-1節(jié)段高4.0 m。第1節(jié)沉井外輪廓尺寸較其他節(jié)段每側(cè)增加0.2 m，尺寸為95.4 m×58.2 m。沉井布置有36個井孔。鋼沉井頂高程-1.0 m，底高程-65.0 m。沉井結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 沉井結(jié)構(gòu)圖

鋼沉井下沉施工采用取土下沉，首先在預(yù)定的船廠內(nèi)分塊制造助浮托板，然后在船塢內(nèi)將沉井第1～7段共45 m的構(gòu)件拼成整體，最后在船塢內(nèi)注水，由拖輪拖帶出塢。基礎(chǔ)采用不排水下沉施工方法，沉井助沉措施采用高壓射水和空氣幕的方式。下沉施工的步驟為分五次施工井壁混凝土(兩次水下澆筑、三次干澆筑)、分兩次接高鋼沉井與外接圍堰、分四次取土至設(shè)計標(biāo)高。其中，第一次接高第7、8節(jié)12 m鋼沉井與第6-1節(jié)4 m外壁板頂部擋墻，第二次接高第9、10節(jié)13 m鋼沉井; 四次取土下沉的深度分別為13 m、9 m、5 m、8 m，下沉累計深度35 m，設(shè)計標(biāo)高-65 m，墩位處河床預(yù)處理后標(biāo)高-30.0 m。

1.1 計算模型

采用ABAQUS軟件按照實際情況進(jìn)行地基土層模型的建立，土體模型寬度取300 m×200 m，土層整體厚度向下取140 m，沉井模型由于存在變截面故采用Rhino參數(shù)化進(jìn)行建模通過SAT格式導(dǎo)入ABAQUS中，沉井基礎(chǔ)下沉穿過的土體如表1所示。整體模型包括土體、鋼沉井、封底混凝土等部件。采用映射網(wǎng)格方法劃分模型，選擇單元為實體單元(C3D8)。考慮到邊界條件影響，橫向與縱向分別約束土體垂直方向的平動自由度，模型底部同時約束空間各向平動與轉(zhuǎn)動自由度。沉井變截面位置、各細(xì)部構(gòu)造位置等區(qū)域進(jìn)行局部加密，節(jié)點總數(shù)206 590，單元總數(shù)17 1961。整體模型與實際結(jié)構(gòu)基本上相符合，三維網(wǎng)格離散圖如圖2所示。

表1 土體參數(shù)

圖 2 整體三維模型圖

1.2 沉井首次下沉模擬

沉井下沉本質(zhì)上就是刃腳切土的過程，本工程沉井基礎(chǔ)體量巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沉井第一節(jié)與第二節(jié)都是變截面，刃腳入土與土體相接觸，刃腳截面與土體的接觸的截面時刻都在發(fā)生變化，在這一過程中接觸的設(shè)置尤其重要，但變化的接觸截面不易進(jìn)行設(shè)置，容易在后續(xù)的分析中造成接觸的不收斂而進(jìn)行多次調(diào)試，故為簡化計算，便將沉井模型基礎(chǔ)放置在第一次取土下沉完成時的位置，沉井基礎(chǔ)與周圍土體進(jìn)行tie綁定約束，以剛度較大的沉井基礎(chǔ)作為主控面，土體作為從屬面，將沉井井壁與周圍土體形成接觸對。在對初始地應(yīng)力平衡之后，沉井基礎(chǔ)的設(shè)定完成就可以進(jìn)行分析計算。

2 首次下沉完成后沉井應(yīng)力分析

沉井第一次下沉結(jié)束后的整體應(yīng)力云圖如圖3所示，由圖3a可以看出沉井基礎(chǔ)在下沉結(jié)束后，沉井基礎(chǔ)入土部分的大部分是受壓的，上部的小部分是受拉的；沉井井壁應(yīng)力值由上到下是逐漸增加的，且在靠近刃腳部位底截面達(dá)到最大值-9.92 MPa。而從圖3b可以看出，在沉井的內(nèi)側(cè)應(yīng)力值由上往下增加，在臺階處達(dá)到最大應(yīng)力值-3.15 MPa，而后靠近刃腳根部的應(yīng)力在減小，呈現(xiàn)為上下小、中間大的分布情況。刃腳下部切土作用導(dǎo)致沉井井孔兩側(cè)的土體對刃腳以及隔墻進(jìn)行擠壓，使隔墻與井壁受到的壓應(yīng)力大于其它位置，但隔墻與刃腳的應(yīng)力有所差別。

為了進(jìn)一步研究沉井基礎(chǔ)在首次下沉結(jié)束井壁外側(cè)的豎向應(yīng)力分布情況，取沉井基礎(chǔ)沿長軸的一半模型邊緣為路徑(圖4)，分析在0、2 m、8 m以及13 m不同高度下的路徑應(yīng)力情況。

圖 3 沉井應(yīng)力分布云圖

(a)路徑選擇圖

由圖4可知，在首次下沉結(jié)束后，沉井整體上截面是受壓的，沿著路徑的應(yīng)力值在與隔墻連接處產(chǎn)生突變，在底部截面與2 m截面上隔墻連接處應(yīng)力值大于兩側(cè)應(yīng)力，而在遠(yuǎn)離刃腳底部位置的8 m截面與13 m截面隔墻應(yīng)力值小于兩側(cè)應(yīng)力。由圖還可以看出，沉井基礎(chǔ)的豎向應(yīng)力越靠近刃腳則應(yīng)力值越大，且增長速度也在加快，底部截面與2 m截面的應(yīng)力值隨著路徑的變化規(guī)律相似，底部截面路徑從起始點處-9.65 MPa到路徑中點處的-6.5 MPa，而后又逐漸上升到-9.92 MPa，而在2 m截面上，路徑應(yīng)力值從-5.48 MPa降低到-3.53MPa，而后又上升為-5.42 MPa。8 m截面與13 m截面的應(yīng)力變化相似，與底部截面及2 m截面略有不同，應(yīng)力值先增加后減小，但總體上圓弧中點處的應(yīng)力值大于短軸向中點處應(yīng)力值。總結(jié)圖4可知在沉井下沉結(jié)束后，越靠近底部應(yīng)力越大，且在井壁與隔墻連接處的應(yīng)力值會發(fā)生突變，在靠近刃腳的截面上，隔墻連接處井壁的應(yīng)力大于兩側(cè)，但在遠(yuǎn)離刃腳截面則相反，整體上沉井路徑上的應(yīng)力值分布表現(xiàn)為兩端大，中間小的情況，即圓弧段應(yīng)力值大于直線段應(yīng)力值。

將ABAQUS模擬值與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，取沉井2 m截面路徑應(yīng)力值與刃腳根部傳感器應(yīng)力值在路徑上傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,如圖5所示。

圖 5 Abaqus模擬值與實測值對比圖

圖5中RGY-5與RGY-1對應(yīng)路徑的起始點與終點，由圖可知，在沉井下沉結(jié)束后，沿著沉井路徑上的實際監(jiān)測值與模擬值變化形式相似，呈現(xiàn)中間小兩端大的形式，且實測值整體上比有限元模擬值大，這是因為在現(xiàn)場施工中存在一些不確定因素導(dǎo)致應(yīng)力的增大。Abaqus模擬值與實測值分布趨勢一致，兩者差距在1 MPa以內(nèi)，數(shù)值相差不大，基本符合實際情況。

3 首次下沉完成后沉井變形分析

沉井基礎(chǔ)在下沉過程中，產(chǎn)生的水平位移與豎向位移相比較小，故本文只提取豎直位移進(jìn)行分析來討論其分布規(guī)律。沉井整體模型位移分布云圖與土體分布云圖如圖6所示。沿長軸方向?qū)⒊辆珠_一半提取不同標(biāo)高截面的位移沉降量如圖7所示。

圖 6 沉井與土體豎向位移分布云圖

圖 7 不同標(biāo)高截面位移沉降圖

由圖6可以看出，在首次下沉結(jié)束后，沉井與土體都發(fā)生了一定量的沉降，由于超大沉井自身的重量，沉井上部有2.5 cm左右的位移，且位移量由上到下逐漸減小，這是因為沉井基礎(chǔ)在下沉結(jié)束后，沉井下部的變形趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，而從沉井的位移云圖可以看出在同一截面上右側(cè)位移量要大于左側(cè)，這是由于沉井基礎(chǔ)受到偏心荷載導(dǎo)致的不均勻下沉。而從土體的位移云圖可以看出，沉井隔墻位置土體的沉降大于井孔位置土體沉降，隔墻的沉降大致為2.1～2.3 cm，而井孔內(nèi)土體的沉降為5～6 mm，最大沉降位置出現(xiàn)在沉井刃腳部位，為2.67 cm，在沉井中部井孔的沉降量小于外圈井孔沉降量。由圖7可知，沉井外壁的沉降量在與隔墻連接處產(chǎn)生突變，隔墻連接處的位移量大于兩側(cè)，且整體上位移量從上部到底部逐漸降低，且在路徑上從起始點到中點逐漸增加，而后又逐漸下降，呈現(xiàn)為中間大，兩端小的形式。

4 結(jié)論

針對常泰長江大橋6號主墩沉井基礎(chǔ)首次下沉施工的仿真模擬，并通過分析沉井下沉結(jié)束后的應(yīng)力與變位，得到了可以為后續(xù)超大沉井施工階段的受力狀況提供參考的結(jié)論：

1)沉井基礎(chǔ)下沉結(jié)束后，沉井基礎(chǔ)整體上是受壓的，從頂部靠近刃腳位置，受到的壓應(yīng)力逐漸增大。且沉井外壁在隔墻連接處的應(yīng)力值會發(fā)生突變，在靠近刃腳底部截面隔墻連接處應(yīng)力小于兩側(cè)，而在遠(yuǎn)離刃腳截面上，隔墻連接處應(yīng)力值大于兩側(cè)。在沉井圓弧段應(yīng)力值大于直線段應(yīng)力值。所以在施工階段可以著重注意沉井隔墻位置以及刃腳位置應(yīng)力，加強對隔墻以及刃腳處的配筋。

2)在沉井基礎(chǔ)下沉完成時，沉井位移量由上到下逐漸減小，且井壁沉降量在隔墻連接處會產(chǎn)生突變，隔墻連接處位移量大于兩側(cè)，整體上呈現(xiàn)為中間大，兩端小的形式。而沉井受到的偏心荷載則會導(dǎo)致沉井出現(xiàn)不均勻沉降量，而沉井在刃腳處的變形最為明顯，且隔墻位置土體的沉降大于井孔位置土體沉降，最大沉降位置出現(xiàn)在沉井刃腳部位。因此，在沉井分階段下沉施工時應(yīng)采用先核心后周圍，先井孔后井壁的原則，盡量保證沉井上部的均勻受力。應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場實時監(jiān)控并預(yù)先準(zhǔn)備糾偏方案，防止出現(xiàn)沉井姿態(tài)的大幅度變化。