李維生，楊彤薇

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065;2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，橋梁建設(shè)逐漸朝著大跨度、深水域方向發(fā)展，大型沉井基礎(chǔ)憑借其整體性好、承載能力強(qiáng)、剛度大的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于橋梁索塔基礎(chǔ)和錨碇基礎(chǔ)[1]。大型沉井在接高下沉過(guò)程中普遍面臨下沉困難、結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等問(wèn)題，準(zhǔn)確計(jì)算沉井在首次接高下沉期間各種開(kāi)挖工況下的內(nèi)力分布成為解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。

1985年，葉建榮等[1]將市政沉井分解為不同支撐條件的幾塊矩形板，并用力法對(duì)3種不同約束條件：兩邊固定、一邊自由、一邊簡(jiǎn)支的板進(jìn)行了求解，用混合法結(jié)果對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了效驗(yàn)，同時(shí)還用差分法計(jì)算了大開(kāi)孔的矩形板；1993年，茹建輝[2]針對(duì)沉井不均勻支撐情況，將不均勻支撐反力簡(jiǎn)化為均布荷載，反對(duì)稱(chēng)作用于沉井長(zhǎng)邊上，進(jìn)而對(duì)沉井內(nèi)力進(jìn)行了計(jì)算；2010年，肖德存等[3]對(duì)泰州長(zhǎng)江大橋中塔沉井在浮運(yùn)及刃腳下土體被掏空的最不利工況進(jìn)行了分析，利用MIDAS Civil進(jìn)行水平框架分析，分析范圍包括刃腳根部以上高度并等于該處壁厚的一段沉井壁，結(jié)果表明：最不利工況滿足設(shè)計(jì)的內(nèi)力要求；2011年，穆保崗等[4]針對(duì)南京長(zhǎng)江四橋北錨碇沉井，利用有限元分析了首次下沉過(guò)程中的應(yīng)力較大點(diǎn)，并對(duì)沉井應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果表明：沉井受力情況與沉井底部支承情況關(guān)系密切；2012年，朱建民等[5]將馬鞍山長(zhǎng)江大橋的南側(cè)錨碇沉井作為實(shí)例進(jìn)行研究，將刃腳及內(nèi)隔墻下方土體支承簡(jiǎn)化為文克爾彈性地基，用電算程序?qū)Τ辆诖箦伒组_(kāi)挖及分區(qū)開(kāi)挖工況下的內(nèi)力進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：分區(qū)開(kāi)挖可明顯降低內(nèi)隔墻彎矩，支撐剛度比會(huì)對(duì)沉井的彎矩產(chǎn)生較大影響，并首次將沉井設(shè)計(jì)從水平框架轉(zhuǎn)換到深度方向；2015年，鄧友生等[6]詳細(xì)研究了武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋的北側(cè)錨碇圓形沉井的相關(guān)資料，得出首次下沉階段會(huì)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力，沉井結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布在后面的下沉中均較為均衡；2016年，潘峰等[7]對(duì)某水電站調(diào)壓圓形沉井驗(yàn)算沉井內(nèi)力，對(duì)于下沉過(guò)程中遇孤石情況利用有限元軟件進(jìn)行了分析，建議沉井施工中控制沉井的傾斜度，并采用先排孤石后下沉的方法，否則將加大沉井內(nèi)力，產(chǎn)生不良后果；2019年，蔣炳楠等[8]以滬通大橋沉井為背景，設(shè)計(jì)完成了深水大截面沉井下沉模擬試驗(yàn)，得出最大應(yīng)力出現(xiàn)在沉井角點(diǎn)處，最小應(yīng)力出現(xiàn)在長(zhǎng)邊中點(diǎn)處，長(zhǎng)邊平均應(yīng)力小于短邊;國(guó)內(nèi)其他學(xué)者[9-19]也對(duì)沉井進(jìn)行了大量相關(guān)的研究工作。

目前大型沉井的隔墻多數(shù)應(yīng)用了鋼殼混凝土的結(jié)構(gòu)型式，在沉井實(shí)際接高下沉過(guò)程中，易出現(xiàn)鋼殼和混凝土脫開(kāi)甚至鋼殼被拉裂的現(xiàn)象，并對(duì)沉井基礎(chǔ)施工過(guò)程中和運(yùn)營(yíng)期間的安全造成較大的影響?，F(xiàn)有針對(duì)沉井結(jié)構(gòu)內(nèi)力的研究中主要考慮沉井刃腳處的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，研究對(duì)象也以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，而缺乏對(duì)沉井隔墻鋼殼和混凝土協(xié)同工作性能的研究。

本研究以南京仙新路過(guò)江通道工程跨江主橋北錨碇沉井基礎(chǔ)為研究對(duì)象，運(yùn)用ABAQUS有限元數(shù)值分析方法并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)大型沉井首次接高下沉期隔墻鋼殼和混凝土的協(xié)同工作性能開(kāi)展研究。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

仙新路過(guò)江通道工程位于南京長(zhǎng)江二橋下游6.2 km，南京長(zhǎng)江四橋上游4.3 km處，跨江主橋采用主跨為1 760 m的單跨門(mén)型塔整體鋼箱梁懸索橋，主橋跨度布置采用(580+1 760+580) m，矢跨比1/9，規(guī)模居國(guó)內(nèi)第一，世界第二。其中，南錨碇基礎(chǔ)為地連墻結(jié)構(gòu)，北錨碇基礎(chǔ)為沉井基礎(chǔ)。

北錨碇位于長(zhǎng)江北岸的沖積平原區(qū)，西壩港的煤炭堆放區(qū)內(nèi)，沉井基礎(chǔ)尺寸為70 m×50 m(第1節(jié)沉井的長(zhǎng)度為70.4 m，寬度為50.4 m)，屬于大型陸地沉井。

沉井總高度為50 m，豎向共分9節(jié)，其中，第1節(jié)為鋼殼混凝土沉井，高度為8 m；第2～9節(jié)均為鋼筋混凝土沉井，其中第2節(jié)高度為6 m，第3～8節(jié)高度均為5 m，第9節(jié)高度為6 m。沉井封底混凝土厚10.5 m，基底置于密實(shí)的圓礫土層上。北錨碇沉井基礎(chǔ)的平面圖及立面圖如圖1所示。

圖1 仙新路北錨碇沉井基礎(chǔ)平面和立面圖(單位：cm)

仙新路過(guò)江通道跨江主橋北錨錠沉井基礎(chǔ)計(jì)劃分3次接高、下沉，接高、下沉方案見(jiàn)表1。

表1 沉井接高、下沉方案

沉井下沉初期以隔艙為單位，按照從中間向四周擴(kuò)散的原則分區(qū)域?qū)ΨQ(chēng)開(kāi)挖，保持井壁及隔墻下部土體不動(dòng)，待下沉到一定深度后，按照從中間向四周的順序除去隔墻下部土體，最終形成僅有刃腳參與支承的開(kāi)挖形式。

南京仙新路過(guò)江通道工程跨江主橋北錨碇沉井基礎(chǔ)施工過(guò)程中采用了諸多新的施工技術(shù)和工藝，具體如下：

(1)采用了砂樁復(fù)合地基處理技術(shù)，確保首節(jié)鋼殼沉井地基加固質(zhì)量；

(2)創(chuàng)新采用了泥漿泵吸泥的“半排水下沉”工藝，共下沉5.8 m，日均下沉0.97 m，提高了工效；

(3)研發(fā)了預(yù)加沉井自重、預(yù)設(shè)空氣幕和砂套的“組合式助沉”技術(shù)，在沉井最后約6 m的不排水下沉過(guò)程中，前期預(yù)留的空氣幕助沉措施發(fā)揮了非常大的作用，大大加快了下沉速度，同時(shí)有效避免了底部涌砂危險(xiǎn)；

(4)采用沉井信息化施工監(jiān)控技術(shù)，及時(shí)掌握沉井的實(shí)時(shí)信息，并運(yùn)用溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真技術(shù)，保證理論大體積混凝土施工質(zhì)量，同時(shí)，根據(jù)錨固鋼板側(cè)向剛度小的特點(diǎn)，研發(fā)了錨固鋼板空間疊層技術(shù)；

(5)沉井采用水下邊吸泥邊測(cè)量系統(tǒng)，采用云平臺(tái)實(shí)時(shí)傳遞吸泥狀況，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

1.2 工程地質(zhì)條件

錨碇位處長(zhǎng)江北岸，其下覆蓋土層厚度60 m左右，地表填土以下覆蓋7～8 m厚流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土并夾有少量粉土、粉砂，其下為厚30～45 m的粉細(xì)砂夾少量粉質(zhì)黏土，粉細(xì)砂以下為20～25 m厚中粗砂、含卵礫石中粗砂、圓礫等混合土層?；鶐r為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，巖面標(biāo)高-60 m 左右，強(qiáng)風(fēng)化基巖發(fā)育，厚2～5 m，中風(fēng)化巖面高程在-62 m左右，巖體較為完整，為極軟巖，各地層物理參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 地層物理參數(shù)

2 ABAQUS有限元分析

2.1 模型參數(shù)

采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)沉井結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，為使沉井模型更好地貼近工程實(shí)際，可按照1∶1的比例建立沉井接高4節(jié)的三維模型。建立模型時(shí)沉井本體材料采用的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。鋼殼與混凝土間設(shè)置接觸，利用“Penalty”函數(shù)接觸模擬兩者之間的切向接觸特性，摩擦系數(shù)取0.4；利用“硬接觸”模擬兩者之間的法向接觸，限制可能發(fā)生的穿透現(xiàn)象。

表3 模型參數(shù)

綜合考慮計(jì)算效率和沉井下沉過(guò)程中實(shí)際影響范圍的兩個(gè)因素，將土體的尺寸設(shè)置為200 m×150 m×150 m，土體的各項(xiàng)參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告中提供的土體參數(shù)進(jìn)行選取，土體本構(gòu)選用Mohr-Coulomb。根據(jù)實(shí)際施工條件，沉井在前4節(jié)接高過(guò)程中，刃腳底部埋置于地表以下3 m位置。沉井與土體模型及剖面圖如圖2所示。

圖2 前4節(jié)沉井與土體模型

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)實(shí)際施工條件，沉井接高4節(jié)(共計(jì)8+6+5+5=24 m)后首次下沉，計(jì)算時(shí)按照實(shí)際施工工況分6種工況分別進(jìn)行計(jì)算。其中，工況1～4為接高工況，工況5～6為挖土下沉工況，各工況條件如下：

(1)工況1：首節(jié)沉井制作完成。首節(jié)鋼殼制作完成后，放置加強(qiáng)鋼筋并澆注混凝土，刃腳底部標(biāo)高位于地表以下3 m。

(2)工況2：接高第2節(jié)鋼筋混凝土沉井。

(3)工況3：接高第3節(jié)鋼筋混凝土沉井。

(4)工況4：接高第4節(jié)鋼筋混凝土沉井。沉井接高4節(jié)，刃腳埋入土體內(nèi)3 m，保證20個(gè)井孔內(nèi)部土體不被擾動(dòng)(全斷面支承)。

(5)工況5：保持刃腳和分區(qū)隔墻下部的土體不被擾動(dòng)，沉井結(jié)構(gòu)由刃腳和分區(qū)隔墻共同支承。分區(qū)開(kāi)挖工況如圖3所示，黑色方框?yàn)殚_(kāi)挖范圍。

圖3 分區(qū)開(kāi)挖(工況5)

(6)工況6：僅刃腳支承?？紤]實(shí)際挖土下沉施工過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)分區(qū)隔墻下部土體松動(dòng)、支撐力不足的情況,或出現(xiàn)沉井下沉困難，為保證沉井順利下沉，采用挖掉分區(qū)隔墻下部土體來(lái)助沉的情況。此時(shí)應(yīng)考慮最不利情況進(jìn)行計(jì)算，即所有隔墻全部脫空，僅刃腳起支承作用的工況。全面開(kāi)挖工況如圖4所示，黑色方框?yàn)殚_(kāi)挖范圍。

圖4 全面開(kāi)挖(工況6)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

經(jīng)過(guò)數(shù)值分析，在土體均勻的情況下，各工況應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在底節(jié)鋼殼的位置，各工況計(jì)算得到的最大主應(yīng)力分布特征如表4所示。

表4 各工況最大主應(yīng)力出現(xiàn)位置

對(duì)比除土下沉的兩種工況分區(qū)開(kāi)挖(工況5)和全面開(kāi)挖(工況6)可以看出，在下沉初期，刃腳埋入土體深度較淺時(shí)，隨著開(kāi)挖范圍的不斷擴(kuò)大,底部支承范圍減小，沉井首節(jié)鋼殼底部的應(yīng)力整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。應(yīng)力云圖中以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù),如圖5、圖6所示。

圖5 工況6沉井主應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

圖6 工況6底節(jié)鋼殼應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

分析沉井本體混凝土的受力情況，可以得到各工況混凝土應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在底節(jié)混凝土處，應(yīng)力值最大為1.92 MPa，出現(xiàn)在沉井底部中心位置，計(jì)算得到的應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 底節(jié)內(nèi)澆注混凝土應(yīng)力分布云圖(單位：Pa)

分別提取各工況條件下混凝土長(zhǎng)邊中隔墻和短邊中隔墻底部的應(yīng)力分布，得到各工況應(yīng)力對(duì)比，如圖8所示，可以看出沉井中心位置的混凝土應(yīng)力最大，且隨著接高高度不斷增加(工況1～4)，沉井中心位置混凝土底部應(yīng)力逐漸減?。辉谙鲁脸跗?，刃腳周?chē)耐馏w未形成對(duì)沉井的有效約束時(shí)，隨著開(kāi)挖范圍不斷擴(kuò)大(工況5～6)，混凝土底部應(yīng)力逐漸增大。

圖8 隔墻底部應(yīng)力分布特征曲線

從沉井本體與鋼殼體上分別提取沉井底部隔墻對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位移，結(jié)果如圖9所示。計(jì)算結(jié)果表明沉井本體結(jié)構(gòu)變形與鋼殼變形不一致，說(shuō)明鋼殼和沉井結(jié)構(gòu)發(fā)生了脫離趨勢(shì)。

圖9 沉井底部隔墻變形

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力實(shí)測(cè)分析

3.1 沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在沉井基礎(chǔ)定位、接高、取土下沉、排水及終沉階段，隔墻底部的應(yīng)力是重要指標(biāo)。在沉井底部鋼殼沿順橋向布置7個(gè)(GDY-1～GDY-7)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，安裝位置如圖10所示。

圖10 應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

2020年11月1日—12月1日，仙新路過(guò)江通道北錨碇沉井已安全、順利地完成首次接高和第1次降排水下沉。對(duì)沉井第1次排水下沉階段(即接高4節(jié)后首次下沉階段)的隔墻和刃腳底部的鋼殼應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如圖11、圖12所示的隔墻及刃腳底部應(yīng)力分布。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：在下沉初期，沉井隔墻底部應(yīng)力總體隨著下沉深度的不斷增加而緩慢增加，當(dāng)沉井下沉到一定深度時(shí)，沉井外側(cè)土體對(duì)刃腳形成一定的約束作用，此時(shí)鋼殼應(yīng)力呈現(xiàn)總體穩(wěn)定且略微下降的趨勢(shì)；隔墻及刃腳底部鋼殼應(yīng)力呈現(xiàn)出中部大、端部小的規(guī)律，與數(shù)值分析結(jié)果一致；隔墻及刃腳底部鋼殼應(yīng)力在最中心處略有下降，分析原因?yàn)槌辆鲁吝^(guò)程中的糾偏對(duì)其應(yīng)力分布產(chǎn)生的影響。

圖11 隔墻及刃腳底部應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系

圖12 隔墻及刃腳底部鋼殼應(yīng)力空間分布曲線

3.2 沉井側(cè)壁土壓力分析

土壓力計(jì)設(shè)置在沉井基礎(chǔ)的四周側(cè)壁，用以監(jiān)測(cè)沉井下沉過(guò)程中側(cè)壁摩阻力沿深度的變化，同時(shí)監(jiān)測(cè)側(cè)壁土壓力與沉井下沉深度的關(guān)系。側(cè)壁土壓力測(cè)點(diǎn)共62個(gè)，沿高度方向布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，土壓力計(jì)布置圖見(jiàn)圖13。

圖13 側(cè)壁土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

圖14為沉井側(cè)壁土壓力隨時(shí)間變化關(guān)系曲線，由圖14可知：不同位置測(cè)點(diǎn)的沉井側(cè)壁土壓力值均隨沉井下沉深度的增加不斷增大，第2節(jié)沉井側(cè)壁土壓力升高速度整體大于第1節(jié)沉井側(cè)壁土壓力升高速度。沉井寬度方向上的土壓力隨深度升高值大于其長(zhǎng)度方向上的土壓力隨深度升高值，分析可能原因如下：沉井下沉過(guò)程由于取土，隔墻底部土體支承不可能做到時(shí)時(shí)刻刻完全對(duì)稱(chēng)，有可能會(huì)出現(xiàn)前后、左右傾斜狀態(tài)。顯然，短邊方向側(cè)壁土體更少，能夠提供的抗力較長(zhǎng)邊方向偏小，故沉井更有可能發(fā)生向短邊的傾斜，使得短邊方向土壓力升高大于長(zhǎng)邊方向。

圖14 沉井側(cè)壁土壓力隨時(shí)間變化關(guān)系

4 結(jié)論

本研究以南京仙新路過(guò)江通道工程跨江主橋北錨碇沉井基礎(chǔ)為研究對(duì)象，結(jié)合ABAQUS有限元數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)大型沉井首次接高下沉期的隔墻內(nèi)力進(jìn)行了研究，得出結(jié)論如下。

(1)通過(guò)ABAQUS有限元分析可以看出，首次下沉初期，沉井隔墻和刃腳應(yīng)力最大值出現(xiàn)在底節(jié)鋼殼隔墻和刃腳底部位置。

(2)數(shù)值分析結(jié)果表明，首次接高下沉期間混凝土結(jié)構(gòu)與鋼殼應(yīng)力相差較大且變形不一致，鋼殼和沉井結(jié)構(gòu)之間有相互脫離的趨勢(shì)。

(3)在下沉初期，刃腳埋入土體深度較淺時(shí)，隨著開(kāi)挖范圍不斷擴(kuò)大，底部支承范圍減小，沉井首節(jié)鋼殼隔墻底部的應(yīng)力整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì);隨著下沉深度不斷增加，當(dāng)沉井下沉到一定深度時(shí)，沉井外側(cè)土體對(duì)刃腳形成一定的約束作用，此時(shí)鋼殼應(yīng)力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

(4)下沉初期，沉井側(cè)壁土壓力值均隨沉井下沉深度的增加不斷增大，沉井寬度方向上的土壓力隨深度升高值大于其長(zhǎng)度方向上的土壓力隨深度升高值。