劉菲

【摘? 要】本文以某電廠豎井工程為研究對象，分析圓形豎井的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路。本文在對相關(guān)規(guī)范進行解讀的基礎(chǔ)上，擬采用兩種方法對實例進行分析論證，三維荷載結(jié)構(gòu)法與三維實體有限元模型法。結(jié)果表明：三維實體有限元法的內(nèi)力值比三維荷載結(jié)構(gòu)法的內(nèi)力值小，圓形豎井土體的空間效應(yīng)明顯。但基于土體本構(gòu)模型的選擇還是缺乏相關(guān)的經(jīng)驗，因此在工程設(shè)計中推薦采用三維荷載結(jié)構(gòu)法設(shè)計為主，三維連續(xù)介質(zhì)有限元法設(shè)計為輔的設(shè)計思路。

【關(guān)鍵詞】圓形豎井;有限元分析;GTS NX軟件;

1概述

圓形結(jié)構(gòu)受力合理，空間效應(yīng)明顯，從受力特點上可以看做是閉合拱圈結(jié)構(gòu)，起拱效應(yīng)使部分坑外土壓力轉(zhuǎn)化為圍護結(jié)構(gòu)的軸向壓力，從而可以有效的控制側(cè)向位移，與此同時又能夠充分發(fā)揮混凝土抗壓強度高的材料特性，顯著提高了結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性。

2側(cè)壓力分析

從廣義的角度來說，豎井屬于基坑范疇，《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）推薦采用朗肯土壓力理論，該理論基于土的極限平衡狀態(tài)和半空間的應(yīng)力狀態(tài)。計算公式為：

而空間土壓力理論中：空間土壓力與豎井半徑有關(guān)，當豎井半徑越小或者深度越大時，土壓力變化率越小，土體的空間效應(yīng)大;而隨著內(nèi)徑逐漸增大，空間土壓力也呈現(xiàn)規(guī)律性增大，變化率也相應(yīng)增大，空間效應(yīng)相對而言有所減小。朗肯土壓力與半徑無關(guān)，數(shù)值呈線性關(guān)系。礦山、交通等隧道豎井深度常在百米以上，半徑相對較小，空間效應(yīng)明顯，在這種情況下，利用朗肯土壓力理論計算土壓力會顯得過于保守。而對于地鐵、電纜隧道等豎井設(shè)計，采用朗肯土壓力計算側(cè)壓力，基坑深度和直徑之比較小，按照平面土壓力理論計算時，可獲取足夠的安全系數(shù)。

3結(jié)構(gòu)計算分析與研究

對于地下結(jié)構(gòu)的計算方法，一般有荷載結(jié)構(gòu)法與地層結(jié)構(gòu)法。豎井是一個典型的三維問題，本文采用三維荷載結(jié)構(gòu)法與三維實體有限元法分別對其進行內(nèi)力分析進行比較。

3.1三維荷載結(jié)構(gòu)法

建立豎井的三維模型，然后在模型表面施加法向荷載，荷載在結(jié)構(gòu)高度上隨土體深度線性變化，并且考慮被動荷載作用，計算得到其內(nèi)力圖如圖1所示。

由計算結(jié)果得到，隨著深度的增加，結(jié)構(gòu)的軸力逐漸增大，在下端達到最大值639kN/m;結(jié)構(gòu)的最大彎矩同樣出現(xiàn)在最下端為536kN·m/m，最大剪力為406kN/m。

3.2三維實體有限元模型

三維實體有限元模型法屬于地層結(jié)構(gòu)法，利用既有本構(gòu)關(guān)系的實體單元來模擬土體，取代荷載結(jié)構(gòu)法中的土彈簧，可以充分考慮結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用，使得結(jié)果更趨于真實，而且能夠分析出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形及對周圍土體的影響等。

Midas/GTS 有限元巖土工程計算軟件可分析巖土工程學(xué)中3D的變形、穩(wěn)定性等，能夠模擬復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，尤其適合于變形、穩(wěn)定分析等。模型中，土體單元采用自動實體劃分單元網(wǎng)格，單元為四節(jié)點的四面體單元。

根據(jù)以往的工程設(shè)計經(jīng)驗，考慮到豎井開挖對周圍土體的影響，為消除邊界效應(yīng)，基坑開挖影響寬度約為深度的3-4倍，影響深度為開挖深度的2-4倍。在半無限體假設(shè)下，本模型分析土體尺寸為：長×寬×高=60m×60m×60m，即向豎井的水平方向、垂直方向分別擴展了3倍的開挖深度。進而，建立三維實體有限元模型進行數(shù)值模擬分析。整體模型如圖2所示。

經(jīng)過模型的計算分析，得到的內(nèi)力圖如圖3所示。

計算結(jié)果表明，軸力最大值為487kN/m，出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)下端，彎矩最大值出現(xiàn)在下端為380kN·m/m，剪力最大值為294kN/m，內(nèi)力值均比三維荷載結(jié)構(gòu)法的結(jié)果小，原因之一是三維實體有限元法利用實體單元來模擬土體，取代荷載結(jié)構(gòu)法中的土彈簧，可以充分考慮結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用，使得結(jié)果更趨于真實，原因之二是實際荷載并沒有達到極限狀態(tài)的朗肯土壓力，得出的內(nèi)力值偏小。

3.3計算結(jié)果匯總

針對三維荷載結(jié)構(gòu)法與三維實體有限元法兩種計算方法，對計算結(jié)果進行對比分析?？梢姡馏w的空間效應(yīng)確實有助于減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值，其中軸力、彎矩、剪力相差均為35%左右。

三維實體有限元法的內(nèi)力值小于三維荷載結(jié)構(gòu)法的計算值，主要原因是土體的空間效應(yīng)，使得實際荷載并沒達到極限狀態(tài)的朗肯土壓力。但由于土體本構(gòu)模型的選取及泊松比、彈性模量等相關(guān)參數(shù)的取值目前還是缺乏足夠的經(jīng)驗，建模及數(shù)據(jù)處理耗費大量時間，不利于提高效率，目前還不能直接用于工程設(shè)計，但可以作為對荷載結(jié)構(gòu)法的參考與校核。

4結(jié)論

（1）圓形豎井結(jié)構(gòu)受力合理，可看做閉合拱圈結(jié)構(gòu)，土體空間效應(yīng)明顯，起拱效應(yīng)使部分坑外土壓力轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的軸向壓力，從而有效的控制側(cè)向位移，又能夠充分發(fā)揮混凝土抗壓強度高的材料特性，顯著提高了結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性。

（2）三維實體有限元法的內(nèi)力值均小于三維荷載結(jié)構(gòu)法的內(nèi)力值，原因之一是三維實體有限元法利用實體單元來模擬土體，取代荷載結(jié)構(gòu)法中的土彈簧，可以充分考慮結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用，使得結(jié)果更趨于真實，原因之二是實際荷載并沒有達到極限狀態(tài)的朗肯土壓力，得出的內(nèi)力值偏小。但由于土體本構(gòu)模型的選取及泊松比、彈性模量等相關(guān)參數(shù)的取值目前還是缺乏足夠的經(jīng)驗，目前還不能直接用于工程設(shè)計，可作為對荷載結(jié)構(gòu)法的參考與校核。

參考文獻：

[1]佘海洋.圓形深基坑圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[J].隧道建設(shè)，2015（7）：665-673.

[2]朱峰，陳錦劍，王建華，等.小直徑圓形深基坑的施工監(jiān)測與分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2008（2）：351-354.

[3]薛艷青.圓形基坑的三維數(shù)值模擬[D].上海：同濟大學(xué)，2008.

[4]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ120-2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[5]李文江，朱永全，隧道力學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[6]王威，王磊，馬東輝，等，不同保護措施下地下管線受臨近基坑開挖影響的三維有限元分析[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019（7）：939-946.

（作者單位：中鐵西安勘察設(shè)計研究院有限責任公司）