沉井工程对临近水池结构位移影响的有限元分析
时间：2023-06-08 17:00:32 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王浩 于江
天津市政工程设计研究总院有限公司 300392
随着城市化的普及土地资源的日益稀缺，在构筑物密集或地形较为复杂的场地进行大范围的基坑开挖施工，难度与日俱增。而基坑开挖往往需要降低周围地下水位，易引起土层位移沉降，严重时甚至产生塌陷。相比之下沉井技术的应用，在大部分工况可以更好地避免因场地带来的种种限制，减少施工过程中问题的产生。沉井工程在施工前应认真分析施工范围内的水文地质情况，对施工过程中易出现的位移、倾斜等偏差制定技术防范措施［1］；
施工中做好土体位移、地下水位等的监测［2］，及时回填土体，力争其对周边建、构筑物影响降低到最小。沉井工程虽然较其他开挖形式复杂，但在某些对变形敏感的地区、地下水控制要求较高的特殊地区有较好的适用性，在近些年工程实践中也得到了广泛应用及认可。
1.1 工况概述及模拟对象
云南昆明某污水处理厂区内新建检查井，埋置较深约15m。因工程建设场地空间受限，桩基设备无法进场，且附近有正在运行的渗沥液水池构筑物，另根据地质勘察资料，该场地土体虽分布均匀，但新建检查井位置存在部分泥炭质土，土质较差不易进行大范围开挖施做。根据以上工程状况，拟在此处新建沉井，作为检查井施工的基坑支护以及后续顶管工程的接收坑。
所建沉井需下沉约15m，为规则的圆形，外径12m，井壁厚1m，井边缘距离渗沥液水池约10m，池长、宽、高分别为12m、10m、4.5m，地下埋深为4m。通过对沉井下沉工况进行模拟，分析下沉过程中对正在运行水池结构是否会产生影响，以及水池可否不间断作业，旨在对实际工程施工提出建议。
1.2 工程地质情况
根据工程地质报告描述，拟建场地地貌属于昆明滇池断陷盆地地貌单元，钻探深度范围内主要以第四系人工填土层（）和第四系湖沼积（）黏土、粉质黏土、粉土、泥炭质土、泥炭等土层组成。各土层基本物理性质参数如表1所示。
表1 地层分布及参数Tab.1 Strata distribution and parameter table
经钻孔水位观测，场区内有稳定的地下水存在，水位埋深1.00m～2.20m。渗沥液池及沉井的地层相对关系如图1 所示。
图1 渗沥液池及沉井地层相对关系示意Fig.1 Schematic diagram of the relative relationship between the pool and the caisson formation
2.1 沉井下沉对周围土体的影响
沉井下沉施工对周围土体必定会产生影响，一般沉井四周土的破坏棱体范围［2］可由式（1）估算得出。一般认为沉井的下沉深度、土质情况和施工方法及沉井平面形状都会影响土的破坏棱体范围。
式中：L为破坏棱体范围；
H 为下沉深度；
φ 为土层内摩擦角。
沉井下沉过程中，由于倾斜、位移和多次纠偏，使得井外周围土体松动；
为减少井壁与土之间的摩擦力，设计大头井和带有外台阶的沉井，井壁与土体之间会有一定缝隙，这些因素都会使沉井周围土体破坏扰动，以致影响周围建、构筑物［3］。
沉井下沉后期，由于沉降系数减小，下沉力接近于摩阻力，需用人工或潜水员掏挖刃脚才能使沉井下沉。刃脚不再全部埋入土层中或埋入很少，有时井外泥砂涌入井内，也是造成沉井周围地面塌陷的原因之一［4］。
2.2 沉井施工对水池的影响
本工程池体与沉井边线距离10m，沉井所穿透的几层土质摩擦角平均值约为15°，根据上述公式（1）池体已在估算受影响范围之内，本次沉井采用圆形结构，分次浇筑，两次下沉，设置1.2m高刃脚。结合以上沉井下沉对周围建、构筑物所带来的影响，以软件模拟为依据，从整体分析池体是否会受到沉井施工影响。
3.1 计算假定
采用Midas GTS NX 2021R1 有限元软件，用软件模拟沉井两阶段下沉，分析下沉过程对临近水池结构产生的影响，得出水池变形量。计算原则：（1）假定模拟土体是各向同性连续介质体，土体采用各向同性修正摩尔库仑模型；
（2）各土层均匀分布，均在弹塑性范围内产生应力应变；
（3）程序自动平衡初始地应力，不对模拟分析产生影响［5］；
（4）采用排水下沉方式。
3.2 计算模型建立
采用Midas GTS有限元软件进行三维数值模拟，如图2 所示。土体采用修正的MC 本构模型，总应力指标，共分成5 层土。渗沥液水池池体采用线弹性本构。对两阶段沉井施工过程进行模拟，共15 个施工步骤，两阶段施工步连续，逐步进行沉井下沉。为考虑沉井对周围土层的扰动，井壁周围进行一层薄弱层的划分，以模拟顶进时沉井与土体间的掏挖空隙。
图2 几何模型Fig.2 Geometric model
模型计算尺寸长70m ×宽50m ×深30m，混凝土水池最近点到沉井壁水平距离为10m，沉井深约15m，为规则的圆形，外径12m，井壁厚1m，沉井下沉高度根据模拟情况设定为1m/节，两阶段共下沉15m。
由于沉井高度较大，其中第一阶段为下沉已施工完成的9m高沉井，下沉8m留置1m作业面施做其余6m井身，第二阶段下沉剩余沉井。
3.3 计算模型分析
由于有限元模拟软件单元的连续性，土体与池体经实体划分布尔运算等操作，模型网格相耦合，即池体独立存在于模型相应位置可连续接受土体传递的作用力而不会对土体反向施加拉力从而影响整体计算。故模拟分析时池体变形量数据取值同临近土体。
此次沉井模拟分别对水池内有水、无水两种工况进行分析，旨在判断不中断厂区运行情况下可否进行沉井下沉施工。两种工况施工步骤基本相同，差异仅存在于初始工况水池中是否有水，概括如表2 所示。
表2 计算步骤概述Tab.2 Summary of calculation steps
1.工况一：池内无水
一阶段下沉8m施工结束后沉井池壁施工时、二阶段15m沉井完全下沉后，选取靠近渗沥液池土体为研究对象进行位移分析，将整个沉井下沉过程中各施工步（S1～S16）的位移变化统计得图3 曲线，其中S8～S9为沉井二阶段开始，暂停下沉，施工二阶段池壁，位移曲线有所突变。对比工况一的两个施工阶段，二阶段影响范围比一阶段施工完成时要明显更大。故取二阶段完成时数据作为研究对象，如图4 所示。最大位移出现在沉井下沉结束，x向最大值约2.5mm；
y向数据较小，趋于0；
z向约2mm；
矢量和位移约3mm。
图3 工况一 水池池壁距沉井最近点在各施工段的位移Fig.3 Displacement of the closest point between the pool wall and the caisson in each construction section（condition 1）
图4 工况一 二阶段沉井完成时水池位移（单位：mm）Fig.4 Pool displacement of the second-stage caisson is completed（condition Ⅰ）（unit：mm）
2.工况二：池内有水
该工况与上述池内无水模拟工况相似，直接取最终沉井完成时作为研究对象，选取与工况一相同点位，各施工步（S1～S16）的位移变化统计如图5 所示。x 向位移最大值约1.6mm；
y 向数据较小，趋于0；
z 向位移约1.3mm；
矢量和位移约2mm，如图6 所示。
图5 工况二 水池池壁距沉井最近点在各施工段的位移Fig.5 Displacement of the closest point between the pool wall and the caisson in each construction section（condition Ⅱ）
图6 工况二 二阶段沉井完成时水池位移（单位：mm）Fig.6 Pool displacement of the second-stage caisson is completed（condition Ⅱ）（unit：mm）
根据模拟结果可得工况二的土体位移较小，即水池内有水工况要优于池内无水工况。两种工况的数据最大值均出现在沉井完全下沉阶段，工况一位移约3mm，工况二位移约2mm。
实际施工过程中分别对沉井及邻近建（构）筑物进行了变形监测，防止沉井施工影响过大，起到预警作用，以便提前采取相应工程措施。
监测主要应用的仪器为天宝DINI03、莱卡iCR80，观测内容为点位沉降量及水池位移产生的夹角。选取渗沥液池附近土体观测点DBC3-4、渗沥液池体观测点JGC-3、水平角观测点AO（1）B、沉井附近土体观测点DBC3-1数据，如图7所示。
图7 监测点位Fig.7 Monitoring point bitmap
为与数值模拟阶段对应，观测数据按照施工阶段时间列出，S1～S16 对应沉井下沉施工阶段，S17 为施工完成后静置2 周数据，整理列举如表3～表6 所示。
表3 沉井周围土体观测Tab.3 Soil observation around caisson
表4 渗沥液池周围土体观测Tab.4 Soil observation around the pool
表5 渗沥液池体观测Tab.5 pool body observation
表6 AO（1）B水平角观测Tab.6 Horizontal angle observation of AO（1）B
由测站O（1）观测数据以及O（1）选取点距池体10m，可计算得水池有约1.4mm的水平位移。
沉降数据取监测点位JGC-3 与模拟的两种工况对比，如图8 所示，可以看出，实际监测数据相比于模拟数据变化更均匀，最终沉降数值也略小于两种模拟工况。
图8 监测数据与模拟沉降位移对比Fig.8 Comparison between monitoring data and simulated settlement displacement
水平数据取监测点O（1）与模拟的两种工况对比，如图9 所示。实际监测数据在沉井第一阶段数值略大于有水的模拟工况，后期趋于平稳，最终沉降数值也小于两种模拟工况。
图9 监测数据与模拟水平位移对比Fig.9 Comparison of monitoring data and simulated horizontal displacement
沉降监测及模拟最终数据汇总见表7。
表7 最终结果汇总Tab.7 Summary of final results
沉井施工对于水池各向位移的影响较小，模拟工况池内无水受到影响稍大，位移最大3mm，实际监测1.62mm，根据《建筑变形测量规程》（JGJ 8—2016）6.1.2-6.1.6 节，模拟所得沉降及变形结果小于规范中给出关于影响建筑物预估平均沉降量表所给出的预估值15mm，在允许范围内。
沉井施工使水池结构产生变形量，其中池壁因受土压力产生的变形量最大不超过0.4mm，根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2002）3.4.3及7.2.1受弯构件挠度要求应小于l0/200，满足规范要求；
池壁应力增加约为3kN/m2，其中水池内无水工况池壁所受应力为42.5kN/m2。结合厂区水池设计图纸，池壁400mm 厚，高度为4.5m，单格跨度约4m，原池壁配筋结果中14@150mm，按混凝土裂缝限值0.2%控制的条件下，该池壁最大可承受约100kN/m2应力，故沉井下沉带来的应力增加不会对水池结构产生不良影响，池内有水运行时也可抵消部分应力。
本次沉井施工对水池结构影响较小在合理范围内，并且在施工时渗沥液池可正常运行。
1.在研究沉井工程对水池结构影响时，由有限元预测分析和实测数据可知，沉井下沉时在水平、竖向都存在一定挤推力，池体与沉井间存在一定距离，传导至池壁更多是水平力，从模拟及观测结果也可看出池体产生较小水平位移，均在变形观测允许范围之内。所以实际施工中应加强对池体变形的监测，在施工完成后按照规范要求也应进行一定周期的监测，以便掌握周围土体变形状况，对水池池壁、底板的应力状况及时把控，防止出现局部沉降导致结构破坏等状况发生。
2.在工程条件复杂，如当沉井工程紧邻城市基础设施工程时，根据地质条件、工程的基本要求及参数等数据建立有限元模型进行数值模拟分析预测，可以根据模拟结果提前得出需要做的调整以及应急方案。
3.工程沉降量有限元模拟的计算具有地域性，处于不同的地质环境的相同工程也会有模拟结果上的差异，若再考虑雨水等天气因素的影响，模拟结果与实际监测数据可能会出现差异。
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