沉井工程對(duì)臨近水池結(jié)構(gòu)位移影響的有限元分析

王浩 于江

天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 300392

引言

隨著城市化的普及土地資源的日益稀缺，在構(gòu)筑物密集或地形較為復(fù)雜的場(chǎng)地進(jìn)行大范圍的基坑開(kāi)挖施工，難度與日俱增。而基坑開(kāi)挖往往需要降低周圍地下水位，易引起土層位移沉降，嚴(yán)重時(shí)甚至產(chǎn)生塌陷。相比之下沉井技術(shù)的應(yīng)用，在大部分工況可以更好地避免因場(chǎng)地帶來(lái)的種種限制，減少施工過(guò)程中問(wèn)題的產(chǎn)生。沉井工程在施工前應(yīng)認(rèn)真分析施工范圍內(nèi)的水文地質(zhì)情況，對(duì)施工過(guò)程中易出現(xiàn)的位移、傾斜等偏差制定技術(shù)防范措施［1］；施工中做好土體位移、地下水位等的監(jiān)測(cè)［2］，及時(shí)回填土體，力爭(zhēng)其對(duì)周邊建、構(gòu)筑物影響降低到最小。沉井工程雖然較其他開(kāi)挖形式復(fù)雜，但在某些對(duì)變形敏感的地區(qū)、地下水控制要求較高的特殊地區(qū)有較好的適用性，在近些年工程實(shí)踐中也得到了廣泛應(yīng)用及認(rèn)可。

1 工程概況

1.1 工況概述及模擬對(duì)象

云南昆明某污水處理廠區(qū)內(nèi)新建檢查井，埋置較深約15m。因工程建設(shè)場(chǎng)地空間受限，樁基設(shè)備無(wú)法進(jìn)場(chǎng)，且附近有正在運(yùn)行的滲瀝液水池構(gòu)筑物，另根據(jù)地質(zhì)勘察資料，該場(chǎng)地土體雖分布均勻，但新建檢查井位置存在部分泥炭質(zhì)土，土質(zhì)較差不易進(jìn)行大范圍開(kāi)挖施做。根據(jù)以上工程狀況，擬在此處新建沉井，作為檢查井施工的基坑支護(hù)以及后續(xù)頂管工程的接收坑。

所建沉井需下沉約15m，為規(guī)則的圓形，外徑12m，井壁厚1m，井邊緣距離滲瀝液水池約10m，池長(zhǎng)、寬、高分別為12m、10m、4.5m，地下埋深為4m。通過(guò)對(duì)沉井下沉工況進(jìn)行模擬，分析下沉過(guò)程中對(duì)正在運(yùn)行水池結(jié)構(gòu)是否會(huì)產(chǎn)生影響，以及水池可否不間斷作業(yè)，旨在對(duì)實(shí)際工程施工提出建議。

1.2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告描述，擬建場(chǎng)地地貌屬于昆明滇池?cái)嘞菖璧氐孛矄卧?，鉆探深度范圍內(nèi)主要以第四系人工填土層（）和第四系湖沼積（）黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、泥炭質(zhì)土、泥炭等土層組成。各土層基本物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 地層分布及參數(shù)Tab.1 Strata distribution and parameter table

經(jīng)鉆孔水位觀測(cè)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)有穩(wěn)定的地下水存在，水位埋深1.00m～2.20m。滲瀝液池及沉井的地層相對(duì)關(guān)系如圖1 所示。

圖1 滲瀝液池及沉井地層相對(duì)關(guān)系示意Fig.1 Schematic diagram of the relative relationship between the pool and the caisson formation

2 沉井施工產(chǎn)生的影響

2.1 沉井下沉對(duì)周圍土體的影響

沉井下沉施工對(duì)周圍土體必定會(huì)產(chǎn)生影響，一般沉井四周土的破壞棱體范圍［2］可由式（1）估算得出。一般認(rèn)為沉井的下沉深度、土質(zhì)情況和施工方法及沉井平面形狀都會(huì)影響土的破壞棱體范圍。

式中：L為破壞棱體范圍；H 為下沉深度；φ 為土層內(nèi)摩擦角。

沉井下沉過(guò)程中，由于傾斜、位移和多次糾偏，使得井外周圍土體松動(dòng)；為減少井壁與土之間的摩擦力，設(shè)計(jì)大頭井和帶有外臺(tái)階的沉井，井壁與土體之間會(huì)有一定縫隙，這些因素都會(huì)使沉井周圍土體破壞擾動(dòng)，以致影響周圍建、構(gòu)筑物［3］。

沉井下沉后期，由于沉降系數(shù)減小，下沉力接近于摩阻力，需用人工或潛水員掏挖刃腳才能使沉井下沉。刃腳不再全部埋入土層中或埋入很少，有時(shí)井外泥砂涌入井內(nèi)，也是造成沉井周圍地面塌陷的原因之一［4］。

2.2 沉井施工對(duì)水池的影響

本工程池體與沉井邊線距離10m，沉井所穿透的幾層土質(zhì)摩擦角平均值約為15°，根據(jù)上述公式（1）池體已在估算受影響范圍之內(nèi)，本次沉井采用圓形結(jié)構(gòu)，分次澆筑，兩次下沉，設(shè)置1.2m高刃腳。結(jié)合以上沉井下沉對(duì)周圍建、構(gòu)筑物所帶來(lái)的影響，以軟件模擬為依據(jù)，從整體分析池體是否會(huì)受到沉井施工影響。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算假定

采用Midas GTS NX 2021R1 有限元軟件，用軟件模擬沉井兩階段下沉，分析下沉過(guò)程對(duì)臨近水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，得出水池變形量。計(jì)算原則：（1）假定模擬土體是各向同性連續(xù)介質(zhì)體，土體采用各向同性修正摩爾庫(kù)侖模型；（2）各土層均勻分布，均在彈塑性范圍內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變；（3）程序自動(dòng)平衡初始地應(yīng)力，不對(duì)模擬分析產(chǎn)生影響［5］；（4）采用排水下沉方式。

3.2 計(jì)算模型建立

采用Midas GTS有限元軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，如圖2 所示。土體采用修正的MC 本構(gòu)模型，總應(yīng)力指標(biāo)，共分成5 層土。滲瀝液水池池體采用線彈性本構(gòu)。對(duì)兩階段沉井施工過(guò)程進(jìn)行模擬，共15 個(gè)施工步驟，兩階段施工步連續(xù)，逐步進(jìn)行沉井下沉。為考慮沉井對(duì)周圍土層的擾動(dòng)，井壁周圍進(jìn)行一層薄弱層的劃分，以模擬頂進(jìn)時(shí)沉井與土體間的掏挖空隙。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model

模型計(jì)算尺寸長(zhǎng)70m ×寬50m ×深30m，混凝土水池最近點(diǎn)到沉井壁水平距離為10m，沉井深約15m，為規(guī)則的圓形，外徑12m，井壁厚1m，沉井下沉高度根據(jù)模擬情況設(shè)定為1m/節(jié)，兩階段共下沉15m。

由于沉井高度較大，其中第一階段為下沉已施工完成的9m高沉井，下沉8m留置1m作業(yè)面施做其余6m井身，第二階段下沉剩余沉井。

3.3 計(jì)算模型分析

由于有限元模擬軟件單元的連續(xù)性，土體與池體經(jīng)實(shí)體劃分布爾運(yùn)算等操作，模型網(wǎng)格相耦合，即池體獨(dú)立存在于模型相應(yīng)位置可連續(xù)接受土體傳遞的作用力而不會(huì)對(duì)土體反向施加拉力從而影響整體計(jì)算。故模擬分析時(shí)池體變形量數(shù)據(jù)取值同臨近土體。

此次沉井模擬分別對(duì)水池內(nèi)有水、無(wú)水兩種工況進(jìn)行分析，旨在判斷不中斷廠區(qū)運(yùn)行情況下可否進(jìn)行沉井下沉施工。兩種工況施工步驟基本相同，差異僅存在于初始工況水池中是否有水，概括如表2 所示。

表2 計(jì)算步驟概述Tab.2 Summary of calculation steps

1.工況一：池內(nèi)無(wú)水

一階段下沉8m施工結(jié)束后沉井池壁施工時(shí)、二階段15m沉井完全下沉后，選取靠近滲瀝液池土體為研究對(duì)象進(jìn)行位移分析，將整個(gè)沉井下沉過(guò)程中各施工步（S1～S16）的位移變化統(tǒng)計(jì)得圖3 曲線，其中S8～S9為沉井二階段開(kāi)始，暫停下沉，施工二階段池壁，位移曲線有所突變。對(duì)比工況一的兩個(gè)施工階段，二階段影響范圍比一階段施工完成時(shí)要明顯更大。故取二階段完成時(shí)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，如圖4 所示。最大位移出現(xiàn)在沉井下沉結(jié)束，x向最大值約2.5mm；y向數(shù)據(jù)較小，趨于0；z向約2mm；矢量和位移約3mm。

圖3 工況一 水池池壁距沉井最近點(diǎn)在各施工段的位移Fig.3 Displacement of the closest point between the pool wall and the caisson in each construction section（condition 1）

圖4 工況一 二階段沉井完成時(shí)水池位移（單位：mm）Fig.4 Pool displacement of the second-stage caisson is completed（condition Ⅰ）（unit：mm）

2.工況二：池內(nèi)有水

該工況與上述池內(nèi)無(wú)水模擬工況相似，直接取最終沉井完成時(shí)作為研究對(duì)象，選取與工況一相同點(diǎn)位，各施工步（S1～S16）的位移變化統(tǒng)計(jì)如圖5 所示。x 向位移最大值約1.6mm；y 向數(shù)據(jù)較小，趨于0；z 向位移約1.3mm；矢量和位移約2mm，如圖6 所示。

圖5 工況二 水池池壁距沉井最近點(diǎn)在各施工段的位移Fig.5 Displacement of the closest point between the pool wall and the caisson in each construction section（condition Ⅱ）

圖6 工況二 二階段沉井完成時(shí)水池位移（單位：mm）Fig.6 Pool displacement of the second-stage caisson is completed（condition Ⅱ）（unit：mm）

根據(jù)模擬結(jié)果可得工況二的土體位移較小，即水池內(nèi)有水工況要優(yōu)于池內(nèi)無(wú)水工況。兩種工況的數(shù)據(jù)最大值均出現(xiàn)在沉井完全下沉階段，工況一位移約3mm，工況二位移約2mm。

4 施工監(jiān)測(cè)

實(shí)際施工過(guò)程中分別對(duì)沉井及鄰近建（構(gòu)）筑物進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)，防止沉井施工影響過(guò)大，起到預(yù)警作用，以便提前采取相應(yīng)工程措施。

監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用的儀器為天寶DINI03、萊卡iCR80，觀測(cè)內(nèi)容為點(diǎn)位沉降量及水池位移產(chǎn)生的夾角。選取滲瀝液池附近土體觀測(cè)點(diǎn)DBC3-4、滲瀝液池體觀測(cè)點(diǎn)JGC-3、水平角觀測(cè)點(diǎn)AO（1）B、沉井附近土體觀測(cè)點(diǎn)DBC3-1數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位Fig.7 Monitoring point bitmap

為與數(shù)值模擬階段對(duì)應(yīng)，觀測(cè)數(shù)據(jù)按照施工階段時(shí)間列出，S1～S16 對(duì)應(yīng)沉井下沉施工階段，S17 為施工完成后靜置2 周數(shù)據(jù)，整理列舉如表3～表6 所示。

表3 沉井周圍土體觀測(cè)Tab.3 Soil observation around caisson

表4 滲瀝液池周圍土體觀測(cè)Tab.4 Soil observation around the pool

表5 滲瀝液池體觀測(cè)Tab.5 pool body observation

表6 AO（1）B水平角觀測(cè)Tab.6 Horizontal angle observation of AO（1）B

由測(cè)站O（1）觀測(cè)數(shù)據(jù)以及O（1）選取點(diǎn)距池體10m，可計(jì)算得水池有約1.4mm的水平位移。

沉降數(shù)據(jù)取監(jiān)測(cè)點(diǎn)位JGC-3 與模擬的兩種工況對(duì)比，如圖8 所示，可以看出，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比于模擬數(shù)據(jù)變化更均勻，最終沉降數(shù)值也略小于兩種模擬工況。

圖8 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬沉降位移對(duì)比Fig.8 Comparison between monitoring data and simulated settlement displacement

水平數(shù)據(jù)取監(jiān)測(cè)點(diǎn)O（1）與模擬的兩種工況對(duì)比，如圖9 所示。實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在沉井第一階段數(shù)值略大于有水的模擬工況，后期趨于平穩(wěn)，最終沉降數(shù)值也小于兩種模擬工況。

圖9 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬水平位移對(duì)比Fig.9 Comparison of monitoring data and simulated horizontal displacement

沉降監(jiān)測(cè)及模擬最終數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表7。

表7 最終結(jié)果匯總Tab.7 Summary of final results

5 模擬結(jié)果

沉井施工對(duì)于水池各向位移的影響較小，模擬工況池內(nèi)無(wú)水受到影響稍大，位移最大3mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)1.62mm，根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)程》（JGJ 8—2016）6.1.2-6.1.6 節(jié)，模擬所得沉降及變形結(jié)果小于規(guī)范中給出關(guān)于影響建筑物預(yù)估平均沉降量表所給出的預(yù)估值15mm，在允許范圍內(nèi)。

沉井施工使水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形量，其中池壁因受土壓力產(chǎn)生的變形量最大不超過(guò)0.4mm，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2002）3.4.3及7.2.1受彎構(gòu)件撓度要求應(yīng)小于l0/200，滿足規(guī)范要求；池壁應(yīng)力增加約為3kN/m2，其中水池內(nèi)無(wú)水工況池壁所受應(yīng)力為42.5kN/m2。結(jié)合廠區(qū)水池設(shè)計(jì)圖紙，池壁400mm 厚，高度為4.5m，單格跨度約4m，原池壁配筋結(jié)果中14@150mm，按混凝土裂縫限值0.2%控制的條件下，該池壁最大可承受約100kN/m2應(yīng)力，故沉井下沉帶來(lái)的應(yīng)力增加不會(huì)對(duì)水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響，池內(nèi)有水運(yùn)行時(shí)也可抵消部分應(yīng)力。

本次沉井施工對(duì)水池結(jié)構(gòu)影響較小在合理范圍內(nèi)，并且在施工時(shí)滲瀝液池可正常運(yùn)行。

6 結(jié)論

1.在研究沉井工程對(duì)水池結(jié)構(gòu)影響時(shí)，由有限元預(yù)測(cè)分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，沉井下沉?xí)r在水平、豎向都存在一定擠推力，池體與沉井間存在一定距離，傳導(dǎo)至池壁更多是水平力，從模擬及觀測(cè)結(jié)果也可看出池體產(chǎn)生較小水平位移，均在變形觀測(cè)允許范圍之內(nèi)。所以實(shí)際施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)池體變形的監(jiān)測(cè)，在施工完成后按照規(guī)范要求也應(yīng)進(jìn)行一定周期的監(jiān)測(cè)，以便掌握周圍土體變形狀況，對(duì)水池池壁、底板的應(yīng)力狀況及時(shí)把控，防止出現(xiàn)局部沉降導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞等狀況發(fā)生。

2.在工程條件復(fù)雜，如當(dāng)沉井工程緊鄰城市基礎(chǔ)設(shè)施工程時(shí)，根據(jù)地質(zhì)條件、工程的基本要求及參數(shù)等數(shù)據(jù)建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析預(yù)測(cè)，可以根據(jù)模擬結(jié)果提前得出需要做的調(diào)整以及應(yīng)急方案。

3.工程沉降量有限元模擬的計(jì)算具有地域性，處于不同的地質(zhì)環(huán)境的相同工程也會(huì)有模擬結(jié)果上的差異，若再考慮雨水等天氣因素的影響，模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)差異。