宋學強 侯振山 竇國濤

(1.盛世生態(tài)環(huán)境股份有限公司，河南 鄭州 450000; 2.河南五建建設集團有限公司，河南 鄭州 450000； 3.鄭州航空工業(yè)管理學院土木建筑學院，河南 鄭州 450000)

1 概述

沉井基礎由于埋置深度大、整體性強、穩(wěn)定性好，能夠承受較大的垂直荷載和水平荷載，被廣泛的應用于市政、碼頭、橋梁、采礦、水利、水電等工程中[1-4]。沉井是用于深基礎和地下構筑物施工的一種工藝技術，其原理是：在地面上或地坑內，先制作開口的鋼筋混凝土井身，待井身混凝土達到設計強度100%后，在井內挖土使土體逐漸降低，井身依靠自重克服其與土壁之間的摩阻力，不斷下沉直至設計標高，經就位校正后再進行封底處理。胡軍[5]依托深圳地鐵某停車場上橋梁工程，從其沉井基礎近接下部兩座既有鐵路隧道的特殊點出發(fā)，建立大型三維有限元模型，以數值模擬的手段分析沉井基礎承載后的變形規(guī)律，并進一步研究其對周圍鄰近既有隧道的變形影響。羅志雄[6]采用三維有限元軟件ABAQUS模擬沉井基礎閘室各構件之間的相互作用，地基、基礎和底板之間的約束，混凝土和土體材料的彈塑性等，對該水閘的整體沉降以及閘室結構的應力應變情況進行了分析研究。王正振等[7]以即將開工的某大橋南錨碇沉井為研究對象，利用Plaxis 3D有限元軟件對其進行施工和使用過程中的應力、位移模擬分析，為該沉井的設計提供參考。目前沉井應用與污水處理廠的工程案例比較少見，本文針對鄭州市陳三橋污水處理廠大型沉井分層制作施工進行了有限元模擬研究，為后續(xù)類似工程提供借鑒。

2 工程概況

鄭州市陳三橋污水處理廠二期工程場地位于京港澳高速東、姚橋路南、魏河北區(qū)域。

沉井直徑31.6 m，呈圓形，高16.95 m(-16.55 m～0.4 m)，沉井刃腳總長110.3 m。沉井為鋼筋混凝土結構，沉井施工的一般方法為：一次制作、一次下沉；分節(jié)制作、一次下沉；多節(jié)制作、分節(jié)下沉(制作與下沉交替進行)。本工程采用分節(jié)制作、一次下沉；沉井分節(jié)制作的高度，應保證其穩(wěn)定性并能使其順利下沉。根據本工程的特點與設計要求，對沉井應采用分三節(jié)制作、一次下沉的施工方法。

為確保沉井下沉穩(wěn)定，在沉井底部及中上部位置安裝兩道十字交叉鋼支撐直徑800 mm，本工程粗格柵井及進水泵房沉井混凝土擬分三節(jié)澆筑成型，分節(jié)制作要求是：

第一節(jié)：制作高度4 m，即標高-16.55 m～-12.55 m，澆筑混凝土378.4 m3；

第二節(jié)：制作高度5.85 m，即標高-12.55 m～-6.70 m，澆筑混凝土516.3 m3；

第三節(jié)：制作高度5.8 m，即標高-6.70 m～-0.90 m，澆筑混凝土511.9 m3。

三次澆筑的自重分別為：946 t，1 290.75 t,1 279.75 t。

結合本工程設計，沉井下沉采用一次下沉，沉井混凝土自重為3 517 t。井身分三次澆筑，共設置兩道施工縫。

3 沉井制作過程有限元模擬

3.1 有限元參數

本文采用有限元軟件ANSYS進行模擬，沉井采用實體單元Solid45進行模擬[8]，Solid45單元用于構造三維實體結構，單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著XYZ方向平移的自由度。單元具有塑性，蠕變，膨脹，應力強化，大變形和大應變能力，有用于沙漏控制的縮減積分選項。網格劃分采用自由網格劃分，沉井采用C30混凝土制作，其彈性模量[9]為Ec取3.0×104MPa，泊松比取0.2，密度取2 600 kg/m3。邊界條件為約束沉井底面X,Y,Z向的平動自由度。

3.2 有限元模擬方案

實際施工時，沉井分三層澆筑而成，在模擬沉井制作施工過程時，采用兩種方案進行模擬。

方案一沉井分3節(jié)制作，有限元模擬時，通常情況下計算三次，第一階段施工建立第一節(jié)模型，然后進行計算，提取結果；第二階段施工建立第一節(jié)和第二節(jié)模型，然后進行計算，提取結果；第三階段施工建立第一節(jié)、第二節(jié)以及第三節(jié)模型，然后進行計算，提取結果，三次計算各自相互獨立，互不影響，此方法程序麻煩，計算時分三次計算。

方案二有限元模擬時，第一階段施工時建立沉井整體有限元模型，將沉井第二節(jié)和第三節(jié)殺死(ekill)，然后進行計算；第二階段施工將沉井第二節(jié)進行激活(ealive)，然后進行計算；第三階段施工將沉井第三節(jié)進行激活，然后進行計算。方案二考慮到了施工的先后次序及相互影響，此方法可采用一次建模，分段殺死，分段激活進行計算，相對簡便。

4 結果對比

如圖1所示，為沉井第一節(jié)施工完成之后，兩種方案沉井應力對比，其中X向指的是水平方向，Y向指的是豎直方向，從圖中可以看出，兩種方案下沉井應力云圖分布一致，但數值大小有所差異。比較X向應力可知，隨著坐標值的改變，應力變化規(guī)律不明顯，比較Y向應力可知，隨著Y向高度值增大，應力隨之增大，表1統(tǒng)計的是應力的最大值和最小值，分析表中數據可知，方案二應力極值要大于方案一，其比值位于1.039 8～1.041 9區(qū)間。

表1 施工第一階段兩方案沉井應力對比

方案X向應力/PaY向應力/Pa最小值最大值最小值最大值方案一-0.424×10-40.628×10-5-0.191×10-3-0.24×10-5方案二-0.441×10-40.653×10-5-0.199×10-3-0.25×10-5比值1.040 11.039 81.041 91.041 7

如圖2所示，為沉井第二節(jié)施工完成之后，兩種方案沉井應力對比，其中X向指的是水平方向，Y向指的是豎直方向，從圖中可以看出，兩種方案下沉井應力云圖分布一致，但是數值大小有所差異。比較X向應力可知，隨著坐標值的改變，應力變化規(guī)律不明顯，比較Y向應力可知，隨著Y向高度值增大，應力隨之增大，表2統(tǒng)計的是第二節(jié)沉井應力的最大值和最小值，由于方案一是整體建立的模型，未考慮到施工先后順序的影響，而方案二是分階段計算，是先計算第一節(jié)沉井在自重作用下的應力分布，然后在此基礎上再計算第二節(jié)沉井，分析表中的數據可知，方案二應力極值要大于方案一，其比值位于1.030 8～1.052 2區(qū)間。

表2 施工第二階段兩方案沉井應力對比

方案X向應力/PaY向應力/Pa最小值最大值最小值最大值方案一-0.939×10-40.159×10-4-0.429×10-3-0.292×10-5方案二-0.988×10-40.167×10-4-0.451×10-3-0.301×10-5比值1.052 21.050 31.049 81.030 8

如圖3所示，為沉井第三節(jié)施工完成之后，兩種方案沉井應力對比，從圖中可以看出，兩種方案下沉井應力云圖分布一致，但數值大小有所差異。其中X向指的是水平方向，Y向指的是豎直方向，從圖中可以看出，兩種方案下沉井應力云圖分布一致，但數值大小有所差異。比較X向應力可知，隨著坐標值的改變，應力變化規(guī)律不明顯，比較Y向應力可知，隨著Y向高度值增大，應力隨之增大，由于方案一是整體建立的模型，未考慮到施工先后順序的影響，而方案二是分階段計算，是先計算第一節(jié)沉井在自重作用下的應力分布，在此基礎上再計算第二節(jié)沉井，然后在此基礎上再計算第三節(jié)沉井，表3統(tǒng)計的是應力的最大值和最小值，分析表中數據可知，方案二應力極值要大于方案一，其比值位于1.045 3～1.049 5區(qū)間。

表3 施工第三階段兩方案沉井應力對比

方案X向應力/PaY向應力/Pa最小值最大值最小值最大值方案一-0.145×10-30.287×10-4-0.665×10-3-0.283×10-5方案二-0.152×10-30.300×10-4-0.696×10-3-0.297×10-5比值1.048 31.045 31.046 61.049 5

5 結語

本文針對鄭州市陳三橋大型沉井實際施工時，沉井分三層澆筑而成，進行了有限元模擬，利用ANSYS采用兩種方案進行模擬：方案一通常情況下沉井有限元模擬時，計算三次，第一階段施工建立第一節(jié)模型，然后進行計算，提取結果；第二階段施工建立第一節(jié)和第二節(jié)模型，然后進行計算，提取結果；第三階段施工建立第一節(jié)、第二節(jié)以及第三節(jié)模型，然后進行計算，提取結果，三次計算各自相互獨立，互不影響。方案二有限元模擬時，第一階段施工時建立沉井整體有限元模型，將沉井第二節(jié)和第三節(jié)殺死，然后進行計算；第二階段施工將沉井第二節(jié)進行激活，然后進行計算；第三階段施工將沉井第三節(jié)進行激活，然后進行計算。方案二考慮到了施工的先后次序及相互影響。并將兩種方案進行了對比分析，由于方案一有限元模擬時，忽略了施工先后順序的影響作用，方案二有限元模擬時，考慮了施工先后順序的影響作用，并得到如下結論：

1)沉井第一節(jié)施工完成后，方案二應力極值要大于方案一，其比值位于1.039 8～1.041 9區(qū)間。

2)沉井第二節(jié)施工完成后，方案二應力極值要大于方案一，其比值位于1.030 8～1.052 2區(qū)間。

3)沉井第二節(jié)施工完成后，方案二應力極值要大于方案一，其比值位于1.045 3～1.049 5區(qū)間。

兩種有限元模擬方案結果非常接近，因此在有限元模擬時可采用更為簡便的方案二進行模擬計算，尤其當工程比較復雜的情況下，方案二有限元模擬方案的優(yōu)越性更為明顯。