郭 華，劉世忠

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，停車難問題愈發(fā)嚴(yán)重，沉井停車庫是很好的選擇[1].沉井的施工方法是先制作井壁，然后依靠其自重，通過取土下沉的方式達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后進(jìn)行底板施工，再進(jìn)行井內(nèi)結(jié)構(gòu)和頂板的施工[2].如今沉井施工在我國應(yīng)用廣泛[3-7]，施工技術(shù)成熟.通過對(duì)不同厚度井壁的應(yīng)力分析，可以為沉井的優(yōu)化提供可靠依據(jù).

1 沉井模型的建立

1.1 工程概況

本項(xiàng)目為圓塔停車庫，位于咸寧市嘉魚縣潘灣武漢新港工業(yè)園內(nèi).該項(xiàng)目占地面積約為59 936.6 m2，總建筑面積70 582.46 m2.本項(xiàng)目停車庫位于地下19.4 m，建議基礎(chǔ)埋深26 m.由于地質(zhì)條件和埋深方面的不同，沉井所受到的水、土壓力都會(huì)發(fā)生改變，沉井的尺寸需要優(yōu)化.本項(xiàng)目圓塔停車庫基礎(chǔ)埋深在26 m，可直接用粗砂層作為基礎(chǔ)持力層，基礎(chǔ)形式建議采用筏板基礎(chǔ).此處的土質(zhì)從上至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土層夾層細(xì)砂、細(xì)砂層夾層和中砂，地下水位距離地面6.3 m，詳細(xì)地質(zhì)剖面如圖1所示.

圖1 車庫地質(zhì)剖面

1.2 沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沉井分為9節(jié)，1節(jié)1.8 m高刃腳+8節(jié)2.05 m米高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)+0.2 m高頂板.單井10塊刃腳，40塊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，刃腳單塊重約30 t，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)單塊重約14 t.頂板用C30自密實(shí)混凝土，設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)P6，活載標(biāo)準(zhǔn)值為4.0 kN/m2；側(cè)壁內(nèi)腔采用C30微膨脹混凝土，設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)P8；底板采用C30混凝土，設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)P8；側(cè)壁預(yù)制塊采用C35混凝土，設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)P8；內(nèi)部停車架采用C30混凝土.具體尺寸如圖2所示.

圖2 沉井豎向剖面(單位：mm)

1.3 沉井結(jié)構(gòu)模型建立

地下沉井車庫采用Solid65單元進(jìn)行有限元建模.根據(jù)圖紙分別確定圓形沉井底板半徑、厚度、側(cè)壁斜率及集水槽位置等，建立底板1/4實(shí)體模型，通過拉伸、實(shí)體分割、工作平面分割、減運(yùn)算等一系列操作進(jìn)行幾何模型建模.單元屬性選擇Solid65，根據(jù)C30混凝土定義材料的彈性模量、泊松比、密度.通過映射方式將幾何模型劃分成有限元模型，通過X、Y軸對(duì)稱復(fù)制，形成圓形沉井整體有限元模型，如圖3所示.

圖3 圓形井壁有限元模型

荷載分別為自重和地下水浮力，自重通過定義自由加速度施加，方向豎直向下；地下水浮力根據(jù)沉井排開水的體積確定，沿底板底面豎直向上.

2 荷載計(jì)算

沉井在施工過程中，因降水施工，結(jié)構(gòu)僅受到土壓力的作用.在運(yùn)營過程中，結(jié)構(gòu)會(huì)受到周圍水壓力、土壓力、沉井內(nèi)部結(jié)構(gòu)自重的作用以及底板水浮力的作用，所以荷載計(jì)算分為2個(gè)工況：工況1為施工階段最不利工況，此時(shí)沉井剛下沉到設(shè)計(jì)位置，沉井側(cè)壁僅受到土壓力且土壓力最大；工況2為運(yùn)營階段工況，此時(shí)地下水位恢復(fù)，沉井受到周圍水壓力、土壓力、沉井內(nèi)部結(jié)構(gòu)自重的作用以及底板水浮力的作用.

根據(jù)土質(zhì)情況，計(jì)算沉井所受土壓力大小，按照最不利荷載施加，刃腳段按照靜止土壓力大小施加，標(biāo)準(zhǔn)段按照主動(dòng)土壓力施加.其中，刃腳段高1.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段高16.6 m，沉井按照設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深26 m計(jì)算.計(jì)算方法采用朗肯土壓力理論計(jì)算[8]，如表1所示.

表1 各工況土壓力

工況2下底板所受上部荷載為

工況2下底板水浮力為

F=rh=9.8×19.7=193.06 kPa，

式中：r為水的容重，9.8 kN/m3；h為底板地下水位高度差值.

綜上，工況1下，沉井側(cè)壁所受的土壓力如圖4所示.

圖4 工況1下沉井側(cè)壁受力分布(單位：kPa)

工況2下沉井受力分布如圖5所示.

圖5 工況2下沉井受力分布(單位：kPa)

3 施工階段井壁優(yōu)化

在沉井中如何控制鋼筋和混凝土的用量，是控制沉井經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)關(guān)鍵要素.因此，在保證沉井安全的前提下，應(yīng)當(dāng)使其受力性能盡可能得到充分發(fā)揮[9].對(duì)于沉井設(shè)計(jì)而言，井壁厚是根據(jù)沉井下沉、抗浮、受力和適用性等要求確定[10].本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)圓形沉井井壁厚度分別為0.4、0.6、0.8、1.0 m時(shí)進(jìn)行了有限元應(yīng)力及位移比較分析.利用有限元軟件Ansys建立了不同井壁厚度下的圓形沉井有限元仿真模型，各模型徑向位移、徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力對(duì)比分析如表2所示.

表2 不同井壁厚度下圓形井壁位移和應(yīng)力

由表2可知：在側(cè)壁土壓力的作用下，井壁徑向最大位移、徑向最大壓應(yīng)力和環(huán)向最大壓應(yīng)力主要發(fā)生在刃腳處.井壁未產(chǎn)生拉應(yīng)力，各向壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求.在施工階段中，圓形井壁不受徑向拉應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力；井壁徑向壓應(yīng)力隨井壁厚度的減小而減??；井壁徑向位移和環(huán)向壓應(yīng)力均隨井壁厚度的減小而增大；井壁厚度在0.4～1.0 m范圍內(nèi),位移和壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求.

4 使用階段井壁及底板優(yōu)化

沉井的施工包括降水、部品預(yù)制、構(gòu)件運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)拼裝、挖土下沉、內(nèi)腔灌注混凝土、封底和設(shè)備安裝8個(gè)施工流程.在使用階段，地下水位恢復(fù)，沉井受到周圍水壓力、土壓力、井內(nèi)結(jié)構(gòu)自重的作用以及底板水浮力的作用.

根據(jù)沉井實(shí)際受力情況，利用有限元軟件Ansys建立了井壁厚度為1.0 m和底板厚度分別為1.6、1.7、1.8 m時(shí)的圓形沉井有限元仿真模型，進(jìn)行有限元應(yīng)力及位移比較分析，得出最優(yōu)化的底板厚度.各模型最大徑向位移、最大徑向應(yīng)力和最大環(huán)向應(yīng)力對(duì)比分析如圖6～7和表3所示.

(a) 徑向位移

由表3可知：徑向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在底板位置，豎向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在井壁位置；當(dāng)井壁厚度為1.0 m時(shí)，沉井整體結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力均隨底板厚度減小而增大；當(dāng)?shù)装搴穸葹?.6 m時(shí)，其豎向拉應(yīng)力為2.07 MPa，主要位于井壁和底板相交處外側(cè)，大于C30混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa，不滿足規(guī)范要求；當(dāng)?shù)装搴穸葹?.7 m和1.8 m時(shí)，其拉應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，在厚度優(yōu)化條件下，底板最小厚度為1.7 m.

(a) 徑向應(yīng)力

表3 井壁厚度為1.0 m時(shí)圓形沉井位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

同時(shí)，在井壁厚度小于1.0 m的情況下，底板厚度在1.6～1.8倍范圍內(nèi)均不滿足規(guī)范要求.井壁厚度為0.8 m時(shí)，不同底板厚度的位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表4所示.

表4 井壁厚度為0.8 m時(shí)圓形沉井位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表4可知：當(dāng)井壁厚度為0.8 m時(shí)，徑向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在底板位置，豎向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在井壁位置，且拉應(yīng)力均不滿足規(guī)范要求.

本文與文獻(xiàn)[10]相比，通過Ansys有限元軟件對(duì)內(nèi)力和位移的分析更加充分，得到的結(jié)論更加合理和準(zhǔn)確.

5 結(jié)論

1) 圓形井壁在施工階段中不受徑向拉應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力，井壁徑向壓應(yīng)力隨井壁厚度的減小而減??；圓形井壁徑向位移和環(huán)向壓應(yīng)力均隨井壁厚度的減小而增大；井壁厚度在0.4～1.0 m范圍內(nèi)，位移和壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求.

2) 在使用階段，沉井井壁最小厚度為1.0 m；當(dāng)井壁厚度小于1.0 m時(shí)，在同等受力條件下，各種厚度沉井均不滿足規(guī)范要求.

3) 在滿足規(guī)范要求條件下，圓形沉井井壁厚度1.0 m、井底厚度1.7 m為最優(yōu)厚度.