羅朝洋，馬建林，周和祥，張 凱

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

沉井基礎(chǔ)因其承載能力強(qiáng)、整體剛度大等優(yōu)點(diǎn)，在大型橋梁工程中被廣泛應(yīng)用。隨著沉井基礎(chǔ)向更大平面尺寸、更深埋深方向迅速發(fā)展，現(xiàn)有的理論計(jì)算方法遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)模型試驗(yàn)、理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬等不同方面對(duì)沉井基礎(chǔ)做了許多研究[1-6]。穆保崗等[7]現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)了沉井下沉的側(cè)壁土壓力和井壁與土層的摩擦因數(shù)，得到了下沉過(guò)程中側(cè)壁摩阻力的分布曲線，并指出了“上下小、中間大”的曲線分布形式，對(duì)現(xiàn)行規(guī)范公式進(jìn)行了修正。王建等[8]對(duì)沉井側(cè)壁摩阻力進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得到了側(cè)壁摩阻力隨沉井入土深度變化的分布規(guī)律。施文龍[9]以實(shí)際沉井工程為背景開(kāi)展了有限元模擬工作，分析了不同上部荷載作用下沉井基底反力的變化形式，并對(duì)沉井下沉的力學(xué)模型中刃腳端阻力、井壁摩阻力以及下沉系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。王正振等[10]利用PLAXIS 3D有限元軟件對(duì)某大橋南錨碇沉井基礎(chǔ)施工和使用過(guò)程中的應(yīng)力、位移進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。然而，目前大多數(shù)文獻(xiàn)是對(duì)沉井吸泥下沉階段的沉降和力學(xué)特性進(jìn)行研究，對(duì)于超深大沉井在澆筑封底混凝土后的承載特性還沒(méi)有太多的研究成果。本文通過(guò)有限元軟件ABAQUS對(duì)滬通長(zhǎng)江大橋主塔28#墩沉井基礎(chǔ)封底后的承載特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析其承載特性，計(jì)算結(jié)果可為滬通長(zhǎng)江大橋后續(xù)工程的施工提供一定參考。

1 工程概況

滬通長(zhǎng)江大橋[11-12]主航道橋采用雙塔五跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，主墩采用倒圓角的矩形沉井基礎(chǔ)。沉井井身頂面平面尺寸為86.9 m×58.7 m，倒圓半徑為7.45 m，沉井平面布置了24個(gè)12.8 m×12.8 m井孔。28#墩沉井基礎(chǔ)總高105 m，分上下兩部分：上部高61 m，為鋼筋混凝土沉井，混凝土等級(jí)為C45；下部高44 m，外層為鋼殼體，內(nèi)部灌注混凝土等級(jí)為C45。整個(gè)沉井底節(jié)及頂節(jié)高8 m，其余每節(jié)高約6 m，封底混凝土高13 m。主墩沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 主橋墩沉井基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(單位：cm)

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

現(xiàn)場(chǎng)從塔座施工開(kāi)始時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于塔座施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)有所變動(dòng)，為了避免對(duì)沉降數(shù)值的影響，塔座施工完成之后開(kāi)始計(jì)算沉降，即以塔座施工完成之時(shí)為沉降位移零點(diǎn)。在塔座施工之前，已經(jīng)完成沉井(399 915.5 t)，蓋板(7 365.5 t)和承臺(tái)(103 845.6 t)的施工，沉井質(zhì)量為考慮浮力后的有效質(zhì)量。28#墩沉降監(jiān)測(cè)記錄見(jiàn)表1，其中28C1，28C2，28C3，28C4分別為布置在沉井4條邊終點(diǎn)處的測(cè)點(diǎn)。

表1 28#墩沉降監(jiān)測(cè)記錄

3 沉井承載特性的有限元數(shù)值模擬分析

3.1 建立模型

本文利用ABAQUS建立主塔28#墩沉井基礎(chǔ)三維模型?？紤]到土體模型邊界效應(yīng)，地基土體模型寬度宜取大于5倍基礎(chǔ)寬度，深度宜取大于3倍基礎(chǔ)寬度。因此，地基土體模型的南北和東西總長(zhǎng)度均取600 m，厚度取河床向下300 m。地基土體模型采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，土層為彈塑性材料，土層參數(shù)見(jiàn)表2。由于實(shí)際情況中沉井結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)土體來(lái)說(shuō)非常大，故鋼殼和鋼筋混凝土沉井采用線彈性材料，沉井材料參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 土層參數(shù)

表3 沉井材料參數(shù)

地基土體和沉井的接觸類(lèi)型為硬接觸和罰函數(shù)類(lèi)型。模型單元類(lèi)型選擇C3D8R八節(jié)點(diǎn)縮減積分實(shí)體單元，沉井單元共 53 239 個(gè)，土體單元 56 041 個(gè)。沉井和地基土體的模型見(jiàn)圖2。

圖2 沉井和地基土體的模型

考慮土體應(yīng)力狀態(tài)隨土體所處深度的不同而不同，且土體脫離原狀土體應(yīng)力空間會(huì)對(duì)應(yīng)力狀態(tài)有影響,因此對(duì)壓縮模量進(jìn)行如下修正[13-14]：

Ei=Esi,0.1-0.2[1+(zi/h0)1/β]

(1)

式中：Ei為修正后的第i層土的土體壓縮模量；zi為第i層土的深度，m；h0為參考深度，取1 m；β為與土樣擾動(dòng)及有效應(yīng)力損失等有關(guān)的常數(shù)，根據(jù)高壓固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果及土樣擾動(dòng)情況來(lái)取值，見(jiàn)表4。

表4 不同性質(zhì)土的β

3.2 有限元模型計(jì)算結(jié)果

3.2.1 沉井沉降的數(shù)值模擬

因?yàn)橹魉┕な窃谝淹瓿傻某辆A(chǔ)頂面上進(jìn)行，所以將表1中的上部施工荷載換算為相應(yīng)均布荷載施加在沉井頂面上，可省去建立上部主塔模型的工作。由此得到沉井的荷載-沉降曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 沉井荷載-沉降曲線

由圖3可知，由于施工環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測(cè)結(jié)果有波動(dòng)，但總體看來(lái)實(shí)測(cè)曲線近似線性發(fā)展，沉井的數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值符合較好，驗(yàn)證了有限元模型的合理性。結(jié)合塑形應(yīng)變分布(見(jiàn)圖4)可知，塔柱41節(jié)施工完畢時(shí)，基底土體大部分仍然處于彈性階段，只在沉井基礎(chǔ)兩邊角點(diǎn)處開(kāi)始有塑性發(fā)展。

圖4 塑性應(yīng)變分布

沉井設(shè)計(jì)荷載相應(yīng)的質(zhì)量組合為 677 835 t，附加力相應(yīng)的質(zhì)量組合(有車(chē))為 695 260.1 t。從塔座施工完畢后開(kāi)始累計(jì)荷載和沉降，直至塔柱41節(jié)施工完畢，由上部施工結(jié)構(gòu)的質(zhì)量換算為荷載81.95×105kN，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到其沉降為35.29 cm。設(shè)計(jì)荷載-沉降曲線見(jiàn)圖5，圖中虛線處為目前施工荷載。

圖5 設(shè)計(jì)荷載-沉降曲線

3.2.2 利用荷載增量法計(jì)算基底土體極限承載力

在恒載和附加力組合的基礎(chǔ)上，再分級(jí)繼續(xù)加載，每一級(jí)為1 MPa。當(dāng)運(yùn)算不收斂時(shí)，將不收斂點(diǎn)附近的荷載細(xì)分，每一級(jí)為100 kPa，重新提交計(jì)算，最終計(jì)算出沉井模型的極限荷載。極限荷載下的荷載-沉降曲線見(jiàn)圖6。

圖6 極限荷載下的荷載-沉降曲線

由圖6可知，荷載-沉降曲線沒(méi)有明顯的拐點(diǎn)，屬于緩變型曲線。這是由于沉井基礎(chǔ)埋置較深，基底土體所受周?chē)馏w圍壓較大，土體處于高壓壓縮狀態(tài)，承載力很高，破壞形式不是整體剪切破壞而是局部剪切破壞(或沖切破壞)。在圖中用虛線標(biāo)注了設(shè)計(jì)荷載和相應(yīng)的沉降計(jì)算結(jié)果，由此可以看出設(shè)計(jì)荷載還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到極限荷載，該地基土體有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

極限荷載下基底土體塑性應(yīng)變見(jiàn)圖7?？芍跇O限荷載下沉井基底土體的塑性變形在基礎(chǔ)底面以下貫通，使基底土體整體達(dá)到極限狀態(tài)而破壞。

圖7 極限荷載下基底土體塑性應(yīng)變

3.2.3 沉井的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全因數(shù)

在橋梁運(yùn)營(yíng)期間，沉井基底土體的上部荷載應(yīng)該是恒載組合與附加力組合之和，為134.56×105kN。由有限元數(shù)值模擬值可以看出在基底土體破壞時(shí)的荷載為436.57×105kN。因?yàn)榍€是從塔座施工完成之后開(kāi)始計(jì)算沉降，所以應(yīng)當(dāng)考慮塔座施工完成之前各結(jié)構(gòu)質(zhì)量引起的荷載。在塔座施工之前，已經(jīng)完成沉井(399 915.5 t)，蓋板(7 365.5 t)和承臺(tái)(103 845.6 t)的施工，塔座施工前的質(zhì)量組合為 25 700 t。因此，把各結(jié)構(gòu)質(zhì)量換算為荷載，求得總的極限荷載應(yīng)為489.18×105kN。在不計(jì)基礎(chǔ)沉降的情況下，其基底極限荷載約是運(yùn)營(yíng)期荷載的3.6倍，即強(qiáng)度儲(chǔ)備安全因數(shù)為3.6。

4 結(jié)論

1)利用ABAQUS對(duì)沉井基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比，二者符合較好，證明了有限元模型的可靠性。

2)沉井基礎(chǔ)基底土體的破壞形式為局部剪切破壞，荷載-沉降曲線為沒(méi)有明顯拐點(diǎn)的緩變型曲線。

3)沉井基礎(chǔ)在施工運(yùn)營(yíng)階段沉降最大值為35.29 cm，沉井基底土體的極限荷載為489.18×105kN，強(qiáng)度儲(chǔ)備安全因數(shù)為3.6。