戴 飛 金愛兵 柏天航

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

基于ANSYS的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)受力分析

戴 飛 金愛兵 柏天航

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

依托騰龍鐵礦礫卵石層止水工程，結(jié)合平面桿系有限元-彈性支點(diǎn)法，采用ANSYS軟件對防止涌水、滲水的地下連續(xù)墻進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力分析，包括墻體抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，并比較了連續(xù)墻正常使用時和爆破震動使用時的受力情況，從理論上驗(yàn)證了墻體設(shè)計(jì)的合理性和穩(wěn)定性。

地下連續(xù)墻 ANSYS 抗彎強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度

河北遷安騰龍鐵礦于1987年初采，礦山采場境界圈尺寸：南北長1 160 m，東西寬260～550 m，面積為0.468 km2，地表高程為73～80 m，地勢北高南低。目前，礦山開采北部坑底高程30 m，南部坑底高程-37 m(位于35～40線)，礦坑開采深度為50～105 m。為進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)，采掘南部邊幫的壓礦，采場需向南進(jìn)行擴(kuò)幫。南側(cè)邊幫上部巖土體為礫卵石層，卵石層內(nèi)充填有粗砂，其透水性和富水性極強(qiáng)。由于采場東側(cè)4 km有灤河，西側(cè)2.4 km有沙河，在無止水措施下，一旦擴(kuò)幫開挖，沙河、灤河將作為定水頭補(bǔ)給水源，礫卵石地層作為涌水通道，向采場內(nèi)大量涌水；同時細(xì)顆粒易被水流帶走而出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，礫卵石層坡面難以形成，進(jìn)而造成大面積滑塌。

為解決南幫擴(kuò)幫第四系礫卵石層涌水、滲水問題，結(jié)合工程地質(zhì)勘查、邊坡基本設(shè)計(jì)及現(xiàn)場施工環(huán)境等，采用地下連續(xù)墻作為止水帷幕。通過在礫卵石層中設(shè)置地下連續(xù)墻，阻隔地下水向礦坑內(nèi)側(cè)滲流，保證礦山正常的安全生產(chǎn)。

1 地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)

地下連續(xù)墻止水帷幕布設(shè)在39 m水平臺階，混凝土強(qiáng)度等級為C25，墻體寬0.8 m，總長1 200 m，設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)槽段長6 m，墻體深度按嵌入強(qiáng)風(fēng)化基巖2～3 m考慮，總體深度控制在6～46 m。

考慮到地下水經(jīng)墻底強(qiáng)風(fēng)化基巖(片麻巖)繞流、滲水問題，本工程在地下連續(xù)墻墻體及槽段連接部位設(shè)置注漿管或墻體鉆孔，對墻底下5～10m范圍強(qiáng)風(fēng)化基巖進(jìn)行壓力注漿，減少自墻底強(qiáng)風(fēng)化層的繞滲涌水量。

2 地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 計(jì)算模型

在礫卵石層中布置地下連續(xù)墻后，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，主要包括墻體抗彎強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度分析，保證墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與穩(wěn)定性。

連續(xù)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算時，采用平面桿系有限元-彈性支點(diǎn)法，使用ANSYS (v10.0)軟件進(jìn)行計(jì)算分析。墻體所受荷載包括永久荷載、可變荷載與偶然作用荷載。其中，永久荷載包括土壓力、受影響范圍內(nèi)的邊坡附加荷載及靜水壓力；可變荷載包括坡面堆載與施工荷載；偶然作用荷載包括地震作用和爆破震動作用。各種工況下墻體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖1。

按照使用階段荷載組合和偶然作用組合進(jìn)行考慮，因爆破震動作用參數(shù)取值比地震作用高，計(jì)算中偶然作用組合中僅考慮爆破震動作用。使用階段荷載基本組合：地層壓力+受影響范圍內(nèi)的邊坡附加荷載+靜水壓力。偶然作用荷載組合：地層壓力+受影響范圍內(nèi)的邊坡附加荷載+靜水壓力+爆破震動作用。荷載組合分項(xiàng)系數(shù)見表1。

表1 荷載組合分項(xiàng)系數(shù)表

對于地下連續(xù)墻礦坑側(cè)邊坡開挖的影響，按以下2種情況考慮：

(1) 根據(jù)開挖情況削減礦坑側(cè)被動土壓力。

(2) 根據(jù)開挖情況削減礦坑側(cè)被動土壓力，同時折減土層側(cè)壓系數(shù)km。

圖1 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

選取1-1(礦坑?xùn)|)、2-2(礦坑南側(cè))、3-3(礦坑西側(cè))3個典型剖面進(jìn)行地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。地層壓力按庫侖土壓力理論計(jì)算，根據(jù)土層條件采用水土合算或水土分算。地下連續(xù)墻坑外側(cè)靜水壓力按可能發(fā)生的地下水位最不利情況計(jì)算，礦坑內(nèi)側(cè)地下水位按墻底標(biāo)高取值，卵石層承壓水位按照工程水文地質(zhì)勘查取值(40.7 m)。邊坡附加側(cè)向土壓力根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 120—2012)進(jìn)行計(jì)算。坡面堆載、施工荷載分別按50和30 kPa考慮。簡化后的各地層力學(xué)參數(shù)及地下連續(xù)墻計(jì)算參數(shù)按表2取值。

表2 土體各層計(jì)算參數(shù)

爆破震動作用折算成等效靜荷載，考慮結(jié)構(gòu)水平慣性力、動水壓力和爆破震動主動土壓力。取動荷載折算系數(shù)為0.3，爆破震動加速度峰值為0.5 g(g為重力加速度)。爆破震動主動土壓力參照《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111—2006)中地震主動土壓力計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，取地震角為15°。土層側(cè)壓系數(shù)km按下式取值：

(1)

依據(jù)庫侖土壓力原理，不考慮邊坡削坡影響時的被動土壓力ppk為

ppk=γzKp,

(2)

式中，γ為土層容重，kN/m3；z為墻體高度，m；Kp為庫侖被動土壓力系數(shù)，Kp=tan2(45°+φ/2)，φ為土層內(nèi)摩擦角，°。

(3)

式中，a1為地下連續(xù)墻礦坑側(cè)邊坡平臺寬度，m；z為計(jì)算點(diǎn)到地層表面距離，m；m為地下連續(xù)墻礦坑側(cè)邊坡的邊坡系數(shù)；θ為土體滑裂面與水平面的夾角，°；c為土層黏聚力，kPa。

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)整理ANSYS分析結(jié)果，地下連續(xù)墻在基本荷載組合與偶然荷載組合下，墻體所受彎矩匯總見表3，墻體所受剪力匯總見表4。

表3 地下連續(xù)墻彎矩匯總

由表3可知，在基本組合下，地下連續(xù)墻所受最大負(fù)彎矩為-94.323 kN·m，最大正彎矩為47.369 kN·m，在爆破震動偶然組合下，地下連續(xù)墻所受最大負(fù)彎矩為-137.104 kN·m，最大正彎矩為122.559 kN·m。

表4 地下連續(xù)墻剪力匯總

由表4可知，在基本組合下，地下連續(xù)墻所受最大負(fù)剪力為-67.735 kN，最大正剪力為49.709 kN；在爆破震動偶然組合下，地下連續(xù)墻所受最大負(fù)剪力為-113.634 kN，最大正剪力為177.266 kN。

2.3.1 墻體抗彎承載力驗(yàn)算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)，基本組合下，采用素混凝土結(jié)構(gòu)時，地下連續(xù)墻能承受的最大彎矩設(shè)計(jì)值[M]= 98.16 kN·m；偶然作用下，地下連續(xù)墻能承受的最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值[ME]=183.44 kN·m；根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)，選取結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0為1.0。

在基本組合下，地下連續(xù)墻最大彎矩設(shè)計(jì)值為

Mmax=γ0M.

(4)

計(jì)算得出Mmax=94.323 kN·m<[M],滿足要求。

在偶然組合下，地下連續(xù)墻最大彎矩設(shè)計(jì)值為

MEmax=γ0ME.

(5)

計(jì)算得出MEmax=137.104 kN·m<[ME],滿足要求。

綜上所述，墻體抗彎強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 墻體受剪承載力驗(yàn)算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)，在基本組合下，地下連續(xù)墻能承受的最大剪力設(shè)計(jì)值[V]=2 023 kN；偶然作用下，地下連續(xù)墻能承受的最大剪力設(shè)計(jì)值[VE]=3 785.33 kN。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)，選取結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0為1.0。

在基本組合下，地下連續(xù)墻受剪截面最大剪力設(shè)計(jì)值為

Vmax=γ0M.

(6)

計(jì)算得出Vmax=67.735 kN<[V]，滿足要求。

在偶然組合下，地下連續(xù)墻受剪截面最大剪力設(shè)計(jì)值為

VEmax=γ0ME.

(7)

計(jì)算得出VEmax=177.266 kN<[VE]，滿足要求。

綜上所述，墻體受剪截面設(shè)計(jì)滿足要求。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)，不配置箍筋與彎起鋼筋的一般板類受彎構(gòu)件的地下連續(xù)墻能承受的最大剪力設(shè)計(jì)值V=711.2 kN。由表4可知，各剖面墻體受剪力值均小于711.2 kN，墻體受剪承載力滿足要求。

3 結(jié) 語

(1)在考慮根據(jù)開挖情況削減礦坑側(cè)被動土壓力，同時，是否折減土層側(cè)壓系數(shù)km2種情況對連續(xù)墻受力影響時，剖面所受最大正負(fù)彎矩和最大正負(fù)剪力都沒有明顯變化，表明是否考慮折減土層側(cè)壓系數(shù)km值對地下連續(xù)墻受力沒有太大影響。

(2)爆破震動階段地下連體墻受力相對正常使用時顯著增大，但最大彎矩及最大剪力仍然在相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程范圍內(nèi)。

(3)地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)受力分析表明：采用C25素混凝土地下連續(xù)墻，其抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及受剪截面均可滿足設(shè)計(jì)相關(guān)要求，能有效防止礫卵石層涌水、滲水問題。

四川國土廳批準(zhǔn)通江縣9個煤炭礦業(yè)權(quán)設(shè)置

近日，從通江縣國土局獲悉，四川省國土資源廳批準(zhǔn)了該縣9個煤炭礦業(yè)權(quán)設(shè)置。

此次煤炭礦業(yè)權(quán)設(shè)置保留1個探礦權(quán)，調(diào)整3個采礦權(quán)，保留5個采礦權(quán)，總生產(chǎn)規(guī)模87萬t/a，資源儲量15 619.5萬t。通過礦業(yè)權(quán)設(shè)置，加快通江縣煤炭資源綜合開發(fā)進(jìn)程，穩(wěn)步推進(jìn)煤炭資源勘探開發(fā)，為縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供能源資源保障。

2014-10-14)

戴 飛(1989—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號。