黃土地區(qū)泄水洞沉井力學(xué)性能研究及應(yīng)用

摘 要：本文通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)黃土地區(qū)沉井工程進(jìn)行有限元分析，探討沉井的變形特點(diǎn)，并將有限元結(jié)果與工程實(shí)際相結(jié)合，以驗(yàn)證有限元模型的有效性。基于有限元數(shù)值模擬，對(duì)不同沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究井壁混凝土強(qiáng)度、鋼筋截面尺寸、撐桿尺寸對(duì)沉井結(jié)構(gòu)整體受力性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在沉井內(nèi)部設(shè)置撐桿能夠明顯提高沉井的整體剛度，降低其側(cè)向變形，并提高其安全性；在一定范圍內(nèi)增大井壁混凝土強(qiáng)度和鋼筋截面尺寸，同樣能夠提高沉井的側(cè)向剛度。研究結(jié)果可為黃土地區(qū)沉井工程施工提供理論參考。

關(guān)鍵詞：黃土；沉井工程；數(shù)值模擬；力學(xué)性能文章編號(hào)：2095-4085（2025）02-0247-06

0 引言

沉井施工工藝成熟，廣泛應(yīng)用于開挖深度較深的基坑，因其具有整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、節(jié)材效果佳、場(chǎng)地適用條件廣等優(yōu)點(diǎn)而在橋梁及市政工程中得到了廣泛應(yīng)用［1-4］。但沉井下沉?xí)r對(duì)周邊環(huán)境有影響，需通過(guò)多種措施確保施工的可靠性，以減小其對(duì)周邊環(huán)境的影響。

目前，針對(duì)沉井施工對(duì)周邊環(huán)境的影響已取得不少研究成果。羅實(shí)瀚等［5］通過(guò)分析地錨式沉井施工過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討了地錨式沉井施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。鄧友生等［6-7］通過(guò)對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果，研究了武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨碇沉井下沉對(duì)鄰近高層建筑與構(gòu)筑物的影響。米長(zhǎng)江等［8］監(jiān)測(cè)并分析了馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋南錨碇沉井下沉過(guò)程，發(fā)現(xiàn)采取對(duì)稱開挖、啟動(dòng)空氣幕助沉措施有助于沉井平穩(wěn)安全下沉。朱建民等［9］、穆保崗等［10］根據(jù)有限元分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)準(zhǔn)確、及時(shí)地調(diào)整開挖方案，有助于保證沉井安全下沉。王海林等［11］分析了采用自動(dòng)化氣壓沉箱方法施工的隧道風(fēng)井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括地表沉降和深層土體水平位移。鐘永新［12］認(rèn)為采用預(yù)留核心土滯后開挖和空氣幕助沉有利于控制井體底部拉應(yīng)力，確保沉井安全下沉。

綜上所述，以往關(guān)于沉井對(duì)周邊環(huán)境的影響研究，沉井地質(zhì)條件多為細(xì)砂、粗砂與粉質(zhì)黏土，缺少沉井在黃土地區(qū)的實(shí)例研究。本文依托延安市西延鐵路排水隧道沉井工程，針對(duì)黃土地區(qū)沉井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與地質(zhì)條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)沉井整體受力特點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬，總結(jié)不同參數(shù)下沉井施工的受力和變形特點(diǎn)，為黃土地區(qū)沉井施工提供理論參考。

1 工程概況

本工程為延安市西延鐵路排水隧洞工程中的沉井工程。沉井材料采用鋼筋混凝土，位于西延鐵路洛川隧道出口右側(cè)，工作沉井東位于護(hù)坡處，開挖深度大約6.33m。

工程區(qū)主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土、殘積古土壤，中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土、殘積古土壤。黏質(zhì)黃土（Q3）：層狀分布于地表，單層厚6.7～9.4m，黃褐色，成份以粉粒為主，土質(zhì)較均勻，結(jié)構(gòu)較疏松，可見(jiàn)少量白色鈣質(zhì)菌絲條痕，黏性一般，硬塑為主，Ⅱ級(jí)普通土，硬塑。古土壤（Q3）：常分布上更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土下部，厚2.2～2.8m，棕紅色，黏粒為主，土質(zhì)較均勻，結(jié)構(gòu)較致密，土體常呈團(tuán)粒狀，夾含姜石顆粒，少量白色鈣質(zhì)菌絲，硬塑為主，Ⅱ級(jí)普通土。黃土工程地質(zhì)復(fù)雜，主要表現(xiàn)為強(qiáng)度低、對(duì)工程擾動(dòng)的反應(yīng)靈敏和變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等，這不僅給沉井修建帶來(lái)了極大的困難，而且其力學(xué)特性的變化對(duì)后期穩(wěn)定性也是巨大的挑戰(zhàn)。

本沉井為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，上部1.5m擋土墻采用壁厚250mm鋼筋混凝結(jié)構(gòu)施工，下部7.8m擋土墻采用壁厚750mm鋼筋混凝結(jié)構(gòu)施工，等級(jí)為C30，鋼筋采用HRB400。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的要求以及施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況和周圍環(huán)境條件，確定采取一次制作、一次下沉和排水挖干施工方案，沉井基坑開挖斷面（見(jiàn)圖1），沉井截面尺寸和配筋（見(jiàn)圖2）。

2 有限元模型的驗(yàn)證

利用有限元軟件ABAQUS構(gòu)建沉井的三維有限元模型，對(duì)其進(jìn)行水土壓力作用下的有限元分析，并將分析結(jié)果和工程監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證有限元模型分析的準(zhǔn)確性和有效性。

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

在ABAQUS分析時(shí)，鋼材常用的本構(gòu)模型有理想彈塑性模型、彈性強(qiáng)化模型、彈塑性強(qiáng)化模型［13］。本文選用鋼材的理想彈塑性模型，該模型由彈性階段和水平階段組成，在材料本構(gòu)中需要輸入的參數(shù)有彈性模量2.1×105MPa、泊松比0.3、屈服強(qiáng)度為400MPa，塑性應(yīng)變?yōu)?。

普通混凝土的受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015版）》（GB50010-2010）中建議的公式：

2.2 模型的建立

混凝土采用實(shí)體單元（C3D8R）。該單元具有在彎曲荷載下不易發(fā)生剪切自鎖現(xiàn)象、位移求解結(jié)果比較精確的優(yōu)點(diǎn)，鋼筋構(gòu)件都采用桁架單元（T3D2）。對(duì)于鋼筋與混凝土之間的約束關(guān)系都采用了Tie約束，該約束是將兩個(gè)面束縛在一起，從屬面上的節(jié)點(diǎn)與距離主控面上最近的節(jié)點(diǎn)具有相同的運(yùn)動(dòng)。采用Tie約束可以使得計(jì)算時(shí)間縮短，模型容易收斂，可以更快的得到計(jì)算結(jié)果。

2.3 邊界條件與載荷設(shè)置

在模型建立過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際邊界情況選取合適的邊界條件。考慮到當(dāng)沉井下沉到位未封底板時(shí)，沉井在外荷載作用下處于平衡狀態(tài)，但在模型分析中，需要設(shè)置邊界條件以防止沉井出現(xiàn)整體位移。通過(guò)對(duì)多個(gè)不同邊界條件的沉井模型進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：約束沉井頂部截面x軸除U3方向和z軸除U1方向所有節(jié)點(diǎn)的線位移，所對(duì)應(yīng)有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最為接近。

為模擬由上至下線性變化的土壓力，按朗肯土壓力理論，計(jì)算沉井所受土壓力沿沉井高度分為3層，上部1.5m擋土墻一層，下部7.8m擋土墻分為2層，每層3.9m。為了保證準(zhǔn)確模擬水土壓力，采用分層加載的方式。

2.4 沉井應(yīng)變分布比較

沉井位移有限元云圖（見(jiàn)圖3）中，U3和U1分別為垂直于沉井井壁的長(zhǎng)邊和短邊方向。由圖3可知，井壁變形沿沉井長(zhǎng)度方向由跨中向兩側(cè)逐漸減小，角部變形接近于0；沿高度方向自下而上逐漸減小，最大變形發(fā)生在井壁底部跨中，沉井長(zhǎng)壁U3位移為6.64mm，沉井短壁U1位移為1.57mm。與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，沿井壁長(zhǎng)向的變形和短邊方向變形分別為8.4mm和2.3mm。由此可見(jiàn)，有限元分析得到的變形規(guī)律和井壁最大位移與工程測(cè)量結(jié)果吻合度較好。

由圖4可知，有限元模型與試驗(yàn)的應(yīng)變分布規(guī)律相同，有限元模型的位移變形峰值比試驗(yàn)值略小，兩者相差不大（見(jiàn)圖4）。

綜上所述，有限元分析得到的沉井井壁變形與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。以此為基礎(chǔ)，下文對(duì)黃土地區(qū)鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力性能分析。

3 沉井結(jié)構(gòu)整體受力性能影響因素分析

基于驗(yàn)證的有限元模型，對(duì)不同參數(shù)的鋼筋混凝土沉井進(jìn)行有限元分析，探討井壁混凝土強(qiáng)度、鋼筋截面尺寸、內(nèi)部撐桿對(duì)黃土地區(qū)沉井整體受力性能的影響，以彌補(bǔ)工程研究參數(shù)較少的缺陷，旨在為黃土地區(qū)沉井工程提供相應(yīng)理論依據(jù)。

3.1 混凝土強(qiáng)度的影響

為了研究黃土地區(qū)沉井井壁混凝土強(qiáng)度對(duì)沉井受力性能的影響，基于原尺寸模型，混凝土強(qiáng)度分別為C30、C40和C50，其中C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土沉井井壁變形云圖（見(jiàn)圖3），C40和C50強(qiáng)度等級(jí)混凝土（見(jiàn)圖5、圖6）。

由上圖可知，隨著混凝土強(qiáng)度由C30增加到C40、C50，沉井的變形分布規(guī)律基本不變，長(zhǎng)邊井壁的最大變形由6.64mm減小到6.02mm、5.40mm，短邊井壁的最大變形由1.57mm減小到1.39mm、1.22mm。

綜上所述，增加沉井內(nèi)部的混凝土強(qiáng)度在一定程度上可以降低沉井的整體變形峰值，但降低幅度很小，這主要是因?yàn)槌辆幕炷羻卧軓潟r(shí)，混凝土對(duì)其承載力貢獻(xiàn)較少。混凝土提供的受彎承載力約占整體承載力的14%，因此提高沉井混凝土強(qiáng)度對(duì)沉井承載力和剛度影響不明顯。

3.2 鋼筋截面尺寸的影響

為了研究黃土地區(qū)沉井井壁鋼筋截面尺寸對(duì)沉井受力性能的影響，基于原尺寸模型統(tǒng)一鋼筋截面尺寸，鋼筋直徑分別為16mm、22mm和25mm，得到不同鋼筋截面尺寸沉井井壁變形云圖（見(jiàn)圖7、圖8、圖9）。

由圖7、圖8、圖9可知，鋼筋直徑由16mm增加到22mm、25mm，長(zhǎng)邊井壁的最大變形由7.5mm減小到6.89mm、6.57mm，短邊井壁的最大變形由1.80mm減小到1.60mm、1.51mm。

綜上所述，井壁鋼筋截面尺寸（直徑）對(duì)沉井的變形有一定影響，在工程實(shí)踐中，可以在滿足經(jīng)濟(jì)合理的條件下適當(dāng)?shù)脑黾愉摻罱孛娉叽纭?/p>

3.3 沉井設(shè)支撐桿的影響

為提高沉井長(zhǎng)邊井壁的側(cè)向剛度，在沉井底部設(shè)置支撐桿。第一類撐桿設(shè)置在沉井底部，鋼管尺寸為800mm×400mm，壁厚為6mm；第二類撐桿尺寸為800mm×800mm，壁厚為6mm。并建立了不同支撐桿層數(shù)的有限元模型，以考察撐桿尺寸對(duì)于黃土地區(qū)沉井整體受力性能的影響。基于原尺寸模型，得到不同支撐桿尺寸的沉井井壁變形云圖（見(jiàn)圖10、圖11）。

由圖10、圖11可知，長(zhǎng)邊井壁的最大變形由7.5mm減小到6.89mm、6.57mm；短邊井壁的最大變形由6.64mm減小到4.8mm、3.1mm。

在沉井施工過(guò)程中，沉井井口也極易出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，為提高沉井長(zhǎng)邊井壁的側(cè)向剛度，在沉井頂部設(shè)置第三類撐桿，鋼管尺寸為800mm×400mm，壁厚為6mm，并與頂部不設(shè)置支撐桿進(jìn)行對(duì)比分析，從而進(jìn)一步研究撐桿對(duì)于黃土地區(qū)沉井整體受力性能的影響，基于原尺寸模型，得到頂部設(shè)支撐桿的沉井井壁變形云圖（見(jiàn)圖12）。

由圖12與圖3對(duì)比可知，長(zhǎng)邊井壁上部增加支撐，其最大變形由3.8mm減小到0.77mm。綜上所述，井壁設(shè)支撐桿對(duì)沉井的變形有顯著影響，在工程實(shí)踐中，可以在滿足經(jīng)濟(jì)合理和施工便捷的條件下適當(dāng)?shù)脑黾愉撝巍?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于有限元分析軟件ABAQUS建立了試驗(yàn)沉井的三維有限元模型，分析其在水土壓力作用下的變形，并將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證有限元模型的有效性。重點(diǎn)研究了不同井壁混凝土強(qiáng)度、鋼筋截面尺寸、撐桿尺寸對(duì)沉井結(jié)構(gòu)整體受力性能的影響規(guī)律。得到以下結(jié)論。

（1）在沉井內(nèi)部設(shè)置支撐桿，可以為沉井提供較大的抗側(cè)剛度，減少沉井的側(cè)向變形，降低井壁的應(yīng)力峰值，使井壁應(yīng)力分布更加合理，且隨著撐桿尺寸的增加，沉井剛度提高更明顯。但考慮到施工的便利性和經(jīng)濟(jì)性以及內(nèi)部空間的利用率，在設(shè)計(jì)中應(yīng)選取合適的撐桿尺寸。

（2）在一定范圍內(nèi)增大井壁混凝土強(qiáng)度能夠提高沉井的側(cè)向剛度，在設(shè)計(jì)中增加沉井的混凝土強(qiáng)度在一定程度上可以降低沉井的整體變形峰值。

（3）井壁鋼筋截面尺寸對(duì)沉井的變形有一定影響，在工程實(shí)踐中，可以在滿足經(jīng)濟(jì)合理的條件下適當(dāng)?shù)脑黾愉摻罱孛娉叽纭?/p>

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