楊燦文， 黃民水

(1. 中鐵大橋勘測設計院有限公司， 湖北 武漢 430056;2. 武漢工程大學 交通研究中心, 湖北 武漢 430073)

隨著國內大跨度橋梁不斷的涌現(xiàn)，沉井由于其剛度大、經濟性好的特點，越來越多地應用于橋梁深水基礎和懸索橋錨碇基礎。其中1999年建成的江陰長江公路大橋南錨碇采用平面尺寸51 m×69 m，高為58 m的矩形沉井基礎，為國內最大的錨碇沉井基礎[1,2]；目前在建的泰州長江公路大橋中塔采用水中沉井基礎，平面尺寸為58.4 m×44.4 m，高為76 m，其中下層44 m為鋼結構，上層32 m為鋼筋混凝土結構，為國內最大的水中沉井基礎[3]。

目前對于大型沉井基礎施工過程的研究，更多的關注沉井的下沉和施工控制[4～6]，而對于沉井的本身結構受力一般采取平面的簡化計算，計算方法偏于保守，往往造成設計的浪費，并且未能反應沉井的實際受力狀況。本文對某錨碇的大型沉井基礎關鍵施工過程進行了平面簡化和實體有限元計算，對大型沉井基礎的關鍵施工階段進行受力分析研究，獲得了一些有價值的結論。

1 沉井簡介

該沉井如圖1所示，沉井長和寬分別為60.2 m和55.4 m，沉井高41 m，共分八節(jié)，第一節(jié)高8 m；第二到六節(jié)為5 m高，第七節(jié)為3.5 m，第八節(jié)為4.5 m。井內共設置25個井孔，第二節(jié)壁厚2.4 m，第三到七節(jié)壁厚2.2 m；隔墻厚2.2 m；刃腳高1.8 m，底部設置0.2 m厚的踏面，隔墻底部比井壁底部高1.8 m。沉井封底混凝土厚為8 m。沉井基礎處地表覆蓋層厚約45 m，以砂層為主，自上而下依次為可塑狀粉質粘土、流塑狀淤泥質粉質粘土、稍密狀～中密狀粉細砂及中密狀中砂?；字糜谥忻艿闹猩皩印?/p>

2 計算工況及模型

在沉井施工的過程中，主要有兩個關鍵步驟，第一個是沉井初始下沉階段，在沉井第一、二節(jié)現(xiàn)場預制完成后，抽取隔墻和刃腳底部的墊木，從井孔中心取土下沉；第二個是沉井下沉到設計高程后，在沉井封底之前，將沉井井底部完全掏空。在第一個施工階段，沉井受力出現(xiàn)體系的轉換，由于沉井隔墻底部土體掏空，沉井受力為均勻作用于井壁和隔墻底部的支撐墊木上轉換為由僅井壁底部進行豎向支撐；這時沉井側壁還沒有出現(xiàn)土體摩阻力，自重完全由隔墻和刃腳底部承受，此時隔墻底部受拉，應力最大。在第二個施工階段，在井外土壓力作用下，沉井底部刃腳及刃腳以上井壁受最大的水平土壓力。下面就將這兩個關鍵的施工步驟作為兩個工況進行分析。

結構計算采用商業(yè)軟件Midas Civil，空間模型采用實體單元，有限元模型如圖2所示。沉井結構材料為C30混凝土，容重為25 kN/m3，彈性模量為3×107kPa?？紤]沉井的對稱性，選取1/4結構進行空間分析[7]。

圖1 沉井基礎結構布置

圖2 沉井有限元實體模型

對于工況一，由于結構僅在刃腳支撐，若采用平面模型，可考慮簡化為一個方向支撐的梁，但從沉井的平面尺寸看，長邊與短邊的比值大于1而小于2，因此在自重作用下，沉井為雙向受力結構，采用單向的簡化計算并不合適；為反映實際的受力情況，將底部兩節(jié)建立1/4的空間實體模型，在沉井的刃腳踏面施加豎向和水平約束，在對稱中心施加對稱約束，計算荷載僅考慮自重。其中對于豎向約束，考慮井壁的刃腳是直接支撐在地基上，因此需采用彈性支承模擬；但實際施工時，為保證沉井預制時的穩(wěn)定，對地基進行了加固，所以地基的豎向彈性支承剛度較難取值；為比較地基剛度對沉井受力的影響，將豎向支撐分別按照固結、20000 kN/m(節(jié)點彈性支承)、10000 kN/m進行約束。

對于工況二，傳統(tǒng)簡化計算根據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》相關規(guī)定進行。在進行豎直方向的檢算時，刃腳沿周長方向取單位寬度(1 m)，計算荷載考慮沉井自重和刃腳的水土壓力(圖3)，此時沉井刃腳向內彎曲，刃腳根部截面外側受到最大的拉應力，控制刃腳根部的配筋；在進行平面計算時，選取刃腳根部以上高度等于刃腳寬(2.0 m)的一段井壁進行平面框架檢算，計算荷載取作用在井壁上的水土壓力，其中該水土壓力包括2 m井壁高內的水土壓力和刃腳根部傳遞過來的水平力，此時井壁在平面內受力最大，控制沉井根部水平方向的配筋；平面計算軟件仍采用Midas Civil，井壁和隔墻均用梁單元模擬，計算荷載取水土均布壓力，為750 kN/m，計算模型如圖4所示。

圖3 沉井井壁水土壓力分布

圖4 刃腳根部井身框架平面計算模型

相應工況二的空間計算模型取1/4的沉井全模型，如圖2所示，對稱中心施加對稱約束，考慮在沉井下沉到位后，沉井在周邊土體摩阻力的作用下不再繼續(xù)下沉，因此在沉井井壁外周邊施加豎向彈性約束，約束的剛度取一個較大值以更好的模擬沉井受力。沉井荷載考慮沉井自重和外壁水平水土壓力，其中水土壓力采用水土分算，土體取浮重10 kN/m3，內摩擦角按照砂土取30°，水平土壓力側壓系數(shù)λ=tan2(45°-φ/2)；水壓力考慮沉井內外水頭差5 m考慮，計算水土壓力按線性分布[8,9]，如圖3。

3 計算結果分析

3.1 工況一

工況一的計算結果如表1和圖5所示。

表1 工況一計算結果

圖5 工況一實體模型主拉應力云圖(刃腳豎向固結，kN/m2)

通過計算，隔墻底部最大拉應力出現(xiàn)在中間隔墻底部；最大壓應力出現(xiàn)在中間隔墻與井壁相交的底部，計算結果與定性判斷一致，即計算結果基本反應了實際的受力情況。

比較沉井刃腳豎向固結和豎向彈性約束的計算結果，可得到隨著刃腳底部地基土體剛度的降低，沉井的主拉應力逐漸減小，相應位移逐漸增加；由此可見，隨著土體的剛度降低，沉井整體發(fā)生沉降，而豎向力(自重)對隔墻和井壁的作用內力分配不斷改變，隔墻彎矩逐漸減小，井壁受力逐漸增加?？梢姡趯Τ辆牡鼗M行加固時，加固后地基強度大雖然對沉井預制時保持穩(wěn)定有一定好處，但對沉井本身的受力并不是很有利；因此在施工時除滿足基本要求外，地基的加固強度不需要太高。

同時，也可以看到，三種約束情況計算的沉井所受最大主拉應力相差僅在10%以內，在進行沉井隔墻的結構設計時，可以偏安全的選取刃腳豎向固結的情況作為控制，以避開對地基支承剛度的選擇問題，也不會消耗過多的材料。

3.2 工況二

工況二按簡化方法計算豎向刃腳受力，計算結果如表2，平面彎矩分布如圖6所示。

表2 工況二平面計算結果

圖6 工況二底節(jié)框架平面計算彎矩(kN·m)

實體單元計算結果如圖7和表3所示。

圖7 工況二實體模型計算結果

荷載拉應力/MPa位置自重+土壓力1.036中間隔墻底部水平拉應力土壓力0.488沉井上端變截面處水平拉應力0.385刃腳根部以上2 m處水平拉應力0.292刃腳根部豎向拉應力

通過實體計算，在自重+土壓力的荷載作用下，水平方向的最大拉應力為1.036 MPa，出現(xiàn)在沉井中部的隔墻底部。比較初始下沉時的2.849 MPa隔墻拉應力，減小許多。隨著沉井的逐漸下沉和不斷接高，中間隔墻的抗彎慣性矩逐漸增大，而井壁所受的水平土壓力也逐漸增加，其對隔墻產生的軸向力逐漸增大；在自重和水平土壓力的作用下，隔墻底部拉應力逐漸減小，由此可見，對隔墻初始下沉時底部拉應力最大的判斷是準確的。

為比較工況二平面計算與實體計算的結果，在實體計算時，僅考慮沉井在承受水土壓力作用下的受力。根據(jù)計算可得到最大拉應力出現(xiàn)在沉井上端變截面處。分析原因，沉井上端4 m范圍內沒有隔墻的支撐作用，在平面上看就是一個大的矩形框架；因此，在水平壓力作用下，井壁在支撐變化處出現(xiàn)較大的變形，計算得到該處相應水平拉應力為0.488 MPa。

而與平面框架計算相對應的井壁處，由于此處同樣為隔墻支撐的變化處，也出現(xiàn)較大的應力，最大水平拉應力出現(xiàn)在縱橫向井壁的交界處，相應值為0.385 MPa，僅為平面計算的22%。分析原因，主要有兩個：第一是在平面計算時僅取2 m高的一段井壁進行計算，該段和刃腳的土壓力均作用在這部分井壁上，未考慮刃腳和上端井壁的水平框架作用對水平土壓力的分配；也就是說，該段平面計算的水平土壓力可以不考慮刃腳的提供的水平力。第二個原因是計算將井壁和隔墻均按梁單元進行簡化，與實體單元的計算比較，變形增大許多，相應拉應力也較大。

計算在土壓力作用下井壁的豎向拉應力，可得到刃腳根部相應最大拉應力為0.292 MPa，比簡化計算的0.536 MPa減少將近一半；且實際最大的井壁豎向拉應力并非出現(xiàn)在刃腳根部，而是刃腳根部以上2 m、隔墻底部變寬處，相應值為0.677 MPa。分析原因，由于在隔墻上部與井壁剛度相差不大，變形比較均勻；到了隔墻變寬處，井壁厚為2 m，隔墻厚1.4 m，兩者剛度比值發(fā)生較大變化，即隔墻與井壁的框架作用突然減弱，因此出現(xiàn)較大變形，相應的應力也較大；而對于隔墻變寬處以下，隔墻厚度雖然逐漸減弱，但隔墻與井壁的框架作用并不明顯，即在此處沉井井壁的水平面內變形小于其面外的變形。

4 結 論

(1)在沉井初始下沉時，井壁底部支撐沉井的地基剛度相對沉井較小，若按照彈性支承模擬，計算參數(shù)較難選?。桓鶕?jù)計算分析，彈性支承的剛度對隔墻受力影響相對較小，設計時可以偏安全的假定井壁底部豎向固結來計算隔墻受力。

(2)沉井在首節(jié)預制時需進行地基加固，但如果加固強度過大對沉井受力并不是很有利；因此在施工時，滿足基本承載力要求的前提下，可考慮適當降低安全系數(shù)，以節(jié)省施工費用。

(3)沉井下沉到位后，通過對平面計算和實體空間計算比較：平面計算假定較多，與實體分析有一定差別，計算偏于保守，特別采用刃腳根部以上的井壁平面計算結果作為井壁配筋的控制，浪費較大。因此，設計若采用平面簡化計算，計算荷載僅需考慮該段井壁高度范圍內相應的水土壓力而不需要施加刃腳的水平力。

(4)通過實體分析，隔墻的剛度對井壁的受力有較大影響。在沉井下沉到位后，在水平土壓力作用下，井壁最大的拉應力均出現(xiàn)在隔墻的剛度變化位置與井壁相交的地方。在結構設計時，需引起重視，加強對局部的檢算。同時，隔墻的厚度變化盡量緩和，以避免由于隔墻剛度的突變引起井壁局部的應力集中。

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