基礎沉降對鋼型井架承載力及穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究

王明俊，王 朋，柯樹煒

（1.廣州市中心區(qū)交通項目管理中心，廣東 廣州 510030；2.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.東莞理工學院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學院，廣東 東莞 523808）

1 工程概況

如意坊放射線系統(tǒng)工程位于廣州市荔灣區(qū)，東起內(nèi)環(huán)路如意坊立交，向西南下穿珠江后與芳村大道相通。隧道總長1 511m，其中岸上段893m，沉管段618m，設計為雙向六車道斷面。鑿井井架是立井施工中的重要裝置，是連接地面和井下的橋梁。井架可用于將井下矸石提升至地面，同時擔負材料設備和施工人員的運輸功能[1]，考慮到井筒施工與生產(chǎn)之間的關系，國內(nèi)外在進行立井井筒施工時，既可采用專用鑿井井架，也可利用生產(chǎn)井架。本文在介紹鑿井井架支座沉降原因的基礎上，研究井架支座分別在雙支座和單獨支座沉降時桿件內(nèi)力和天輪平臺位移的變化規(guī)律。

2 有限元計算模型的建立

采用SAP2000開展有限元模擬計算，Ⅴ形井架的恒荷載主要是井架自重及懸掛在其上的設備自重。井架是由天輪平臺、主體架、斜桿平臺和基礎等部分組成的空間結構[2]，如圖1所示，最頂層是天輪平臺，用以放置、提升和懸吊天輪，設備荷載通過天輪傳遞給天輪平臺。天輪平臺是由5根梁構成的“日”字形框架結構[3]。

圖1 井架有限元計算模型

3 基礎沉降對井架的影響

基于井架對稱結構，可將基礎沉降分為雙支座沉降和單獨支座沉降2種情形，進而分析井架4個支座沉降量不同時的規(guī)律。井架支座是關于2個對稱軸對稱布置，雙支座沉降是對稱的2個支座發(fā)生沉降。分析沉降對井架內(nèi)力和變形的作用，可為井架設計提供參考。

導致建筑物產(chǎn)生不均勻沉降的原因很多，如地基土體不均勻、建筑物結構復雜、地下工程開挖擾動等[4-5]，不同工程中引起地基沉降的原因也千差萬別，主要有以下3個方面[6]。

1）土體性質 土體由固體、液體和氣體等組成，材料占比不同會引起土體性質的差異[7]，考慮到成分的多樣性和不均勻性，很難對其進行準確的數(shù)學描述，因此，地基沉降的分析和計算仍是地基基礎工程中的一大難題。

2）施工方法 在凍結法施工過程中，土壤中的水遇冷形成冰，體積膨脹，當冰的體積足夠大時，會推著土壤顆粒移動[8]。井架基礎很容易因凍脹作用力而產(chǎn)生位移，再加上土壤的不均勻性及凍結程度的差異性，地基各處土壤產(chǎn)生的變形不同，進而引起基礎產(chǎn)生不均勻沉降[9-10]。

3）偏心荷載 天輪平臺是日字形布置，承載中心位置和井架中心位置不同，各基礎受到的荷載也有差異。由圖2可看出，井架在主提升側的荷載要顯著高于非主提升側，支座受力的不同也導致沉降差異的出現(xiàn)，因此在進行井架設計時，要提前分析偏心荷載的作用。

圖2 天輪平臺施加給井架主體的荷載（單位：kN）

4 井架沉降方式

相鄰井架基礎如圖3，4所示。井架采用獨立基礎，基礎之間的沉降彼此獨立，互不影響。由于均勻沉降對井架穩(wěn)定性影響較小，本文重點分析不均勻沉降。

圖3和圖4直觀反映了井架主體和井架支座的結構對稱性，結合對地基變形的相關規(guī)定，以下主要研究井架支座分別沉降20，40，60，80，90mm時桿件內(nèi)力的變化規(guī)律和變形特征。

圖3 井架和基礎關系

圖4 井架基礎分布

4.1 雙支座沉降

雙支座沉降情況下，相鄰2個支座同時發(fā)生沉降，另外2個支座位置則保持不變，沉降數(shù)值如表1所示。

表1 雙支座沉降數(shù)值

基礎沉降會導致井架內(nèi)力重新分布，但不同桿件內(nèi)力變化規(guī)律不盡相同，某些桿件內(nèi)力方向不變，只是在數(shù)值上發(fā)生改變，而另外一些桿件受力方向發(fā)生變化，如壓力轉為拉力?？紤]到井架桿件數(shù)量龐大，故只選取部分內(nèi)力較大且變化幅度較大的桿件展開分析。

4.1.1 對稱軸1

支座C，D基礎沉降時桿件軸力變化趨勢如圖5所示。

圖5 支座C，D基礎沉降桿件軸力變化曲線

對圖5中的桿件軸力進行分析，可將所研究桿件分為2組，第1組為位于非沉降側的桿件142，153，155，另外一組為位于沉降側的桿件263，274，276，均表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。當不發(fā)生沉降時，結構桿件承受壓力作用，但隨著支座沉降值的增大，桿件軸力大小和方向會發(fā)生變化。隨著沉降量增大，沉降側桿263，274和276的軸力逐漸由受壓轉換為受拉，拉力值也越來越大，非沉降側桿142，153和155的軸力方向保持不變，軸力值呈增大趨勢。當沉降量增大時，非沉降側桿件的應力比也不斷增大，當沉降量達到90mm時，已臨近破壞。

4.1.2 對稱軸2

支座B，C基礎沉降時桿件軸力變化曲線如圖6所示。

圖6 支座B，C基礎沉降桿件軸力變化曲線

由圖6可看出，關于對稱軸2對稱的支座B，C沉降時，未出現(xiàn)沉降側和非沉降側桿件分組變化的差別，且沉降量對桿件的軸力影響較小，桿件的應力水平并未明顯提高。

從以上分析可看出，關于對稱軸1對稱的支座沉降引起的桿件軸變化規(guī)律和關于對稱軸2對稱的支座沉降引起的桿件軸變化規(guī)律完全不同，而引起這種差異的原因是荷載偏心。天輪平臺中心和井筒中心位置并不一致，鑿井設備也非環(huán)繞井架中心所布設，這些因素引起偏心荷載的形成。關于對稱軸1對稱的支座C，D沉降側是主提升側，該側的荷載值遠大于另一側，當該側沉降時，天輪平臺上的荷載主要由非沉降側的支座A，B承擔，導致非沉降側井架桿件軸力一直增大；而對于關于對稱軸2對稱的支座B，C，由于其沉降側和非沉降側天輪平臺上荷載差異很小，沉降產(chǎn)生的影響并不顯著。偏心荷載不僅會造成井架支座不均勻沉降，而且會顯著影響井架桿件的內(nèi)力分布，所以在設計井架時，要避免出現(xiàn)荷載偏心，若無法回避，則要設法對荷載較大一側的地基或支座進行特殊處理。

4.2 單獨支座沉降

單獨支座沉降是指井架的1個支座發(fā)生沉降，而另外3個支座位置保持不變。考慮到井架結構和荷載的對稱性，分析支座B，C，D分別發(fā)生沉降時的特征（沉降值分別是20，40，60，80，90mm），如表 2 所示。

表2 單獨沉降數(shù)值

支座B的沉降影響桿件軸力，隨著沉降量增大，受壓斜桿軸力方向發(fā)生改變，由受壓變?yōu)槭芾@在兩角柱間長度較大的斜桿上表現(xiàn)尤為明顯。從圖7可看出，隨著支座B沉降量的增大，桿144和桿355的受力狀態(tài)由受壓變成受拉，軸力絕對值先減小后增大，而位于另一對角線上的桿311和265的軸力絕對值一直在增大。當支座B沉降量在60mm以下時，桿件受力狀態(tài)和正常工作時保持一致，但當沉降量大于60mm后，支座B上的桿件不再支撐井架上的工作荷載，而是承受支座沉降引起的拉力，當沉降量超過某一特定值后，其對角線上的桿件也開始受拉。支座B和D上的桿件應力水平歷經(jīng)由高到低的變化階段，支座A和C上的桿件應力水平不斷增大，到一定程度后會引起桿件破壞。由此可見，支座沉降會導致井架變形失穩(wěn)。

圖7 支座B沉降桿件軸力曲線

支座C沉降時，對角線上的桿件應力歷經(jīng)由高到低的變化階段，但是轉折點不再是60mm，而是80mm，應力水平最高的桿件也不是無支座沉降對角線上的桿件，而是與沉降支座相連的斜桿。

D支座沉降時，其沉降規(guī)律和B支座基本相同。

4.3 天輪平臺位移分析

井架支座沉降會引起天輪平臺位置變化，進而引起吊盤隨之移動，可能導致吊盤和井筒的接觸，影響施工?；趯ο嚓P規(guī)定的分析，吊盤水平方向的移動距離應小于100mm。

天輪平臺中心處x，y方向的位移如圖8，9所示，圖中的數(shù)據(jù)是天輪平臺中梁和邊梁相交兩點位移的平均值，圖中BC表示的則是支座B，C沉降時的位移。

圖8 天輪平臺中心x方向上的位移

圖9 天輪平臺中心y方向上的位移

從圖8，9中可看出，支座B和支座C單獨沉降時，x，y方向的位移變化規(guī)律相同，位移曲線重合，而隨著沉降量的增加，雙支座沉降情況下，吊盤會接觸到井壁。

5 結語

通過分析井架支座沉降原因，研究雙支座沉降和單獨支座沉降時桿件的內(nèi)力和天輪平臺的位移，并總結其變化規(guī)律，得到以下結論。

1）當井架的1個支座發(fā)生沉降時，與其連接桿件的軸力將減小，臨近支座桿件的軸力會增大，對角線支座桿件的內(nèi)力先減小后增大。當發(fā)生單獨支座沉降時，距離較近支座會受到較大影響；而當雙支座沉降發(fā)生時，主提升側支座沉降對井架穩(wěn)定性影響較大。

2）單獨支座沉降和雙支座沉降對井架桿件內(nèi)力的影響顯著不同。單獨支座沉降會提高桿件的應力水平，但留有較大的安全裕度；雙支座沉降發(fā)生時，桿件會受到較大影響，尤其是主提升側支座C，D的沉降。

3）井架天輪平臺水平位移受單獨支座沉降的影響較小，而對于雙支座沉降，當沉降量在80mm以上時，天輪平臺水平位移將超過100mm，導致吊盤和井壁接觸，影響鑿井工作正常進行。