石峻峰，陳 克，趙月悅，陶 俊

(1 湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院，湖北 武漢 430068；2 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；3 中鐵大橋局集團第六工程有限公司，湖北 武漢 430050)

隨著我國基建事業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國橋梁建設逐漸走向海外，擴展到全世界。一座座跨江跨海特大橋在逐漸規(guī)劃與建設，超大沉井基礎因其整體結構剛度大、穩(wěn)定性好，承載力大，并能支撐較大荷載、抗?jié)B能力強、耐久性能好、適用的土質范圍廣、施工深度深的特點被廣泛應用于大跨度橋梁的橋墩基礎[1-2]。結構應力是決定沉井基礎能否安全下沉至指定標高的重要控制指標[3]，而位移量的變化是控制沉井姿態(tài)正常下沉的重要因素[4]，目前有不少學者對沉井基礎下沉過程中應力的變化進行了研究。黃迪等[5]通過有限元模擬分析，指出刃腳與分區(qū)隔墻底部應力呈現(xiàn)反復增加與減少的規(guī)律，鄧友生等[6]使用有限元軟件ADINA對某大型圓形沉井進行模擬，提出沉井的正面阻力和側摩阻力隨著下沉深度呈線性增長，朱斌等[7]采用FLAC3D對楊泗港長江大橋主塔沉井下沉進行模擬，研究了沉井下沉至標高時井結構與土體的應力與變形，驗算了沉井施工方案的合理性，何靈巧等[8]通過對泰州長江大橋南錨大型沉井基礎下沉階段的側壁土壓力與受力特性進行研究，根據(jù)摩阻力的計算模型，提出最大側壁摩阻力發(fā)生在2/3H的高度處,馮傳寶[9]采用有限元法對五峰山長江大橋北錨定沉井基礎施工過程進行模擬，提出施工過程中沉井井壁與底板壓力變化規(guī)律與基礎位移的變化相關,潘亞洲等[10]通過現(xiàn)場監(jiān)測對常泰長江大橋5號沉井的下沉阻力進行研究分析，總結了大型沉井基礎下沉阻力的分布特性與變化規(guī)律。

通過上述學者的研究成果，依托常泰長江大橋6號主墩沉井基礎，采用大型有限元分析軟件ABAQUS對沉井基礎首次下沉施工過程進行數(shù)值模擬，針對沉井基礎首次下沉的應力與變形進行分析研究，了解沉井基礎下沉的應力的變化，為類似沉井基礎的下沉提供了參考。

1 工程背景

常泰過江通道主航道斜拉橋采用鋼桁梁方式，主要依靠6個橋墩以及縱向間隔14 m的斜拉索來提供彈性支撐，主橋主塔墩采用沉井基礎，本文依托對象6號橋墩沉井基礎采用了外圈圓環(huán)型、內側矩形布置十字隔墻的結構形式，豎向設置臺階，沉井底面尺寸95.0 m×57.8 m，圓端半徑28.9 m；沉井頂面尺寸77.0 m×39.8 m，沉井為鋼殼內填充混凝土形成，總共有10節(jié)高度為64 m，第一節(jié)為9 m，第二節(jié)到第九節(jié)都為6 m，第10節(jié)為7 m，外壁板頂部擋墻為6-1節(jié)段高4.0 m。第1節(jié)沉井外輪廓尺寸較其他節(jié)段每側增加0.2 m，尺寸為95.4 m×58.2 m。沉井布置有36個井孔。鋼沉井頂高程-1.0 m，底高程-65.0 m。沉井結構如圖1所示。

圖 1 沉井結構圖

鋼沉井下沉施工采用取土下沉，首先在預定的船廠內分塊制造助浮托板，然后在船塢內將沉井第1～7段共45 m的構件拼成整體，最后在船塢內注水，由拖輪拖帶出塢?；A采用不排水下沉施工方法，沉井助沉措施采用高壓射水和空氣幕的方式。下沉施工的步驟為分五次施工井壁混凝土(兩次水下澆筑、三次干澆筑)、分兩次接高鋼沉井與外接圍堰、分四次取土至設計標高。其中，第一次接高第7、8節(jié)12 m鋼沉井與第6-1節(jié)4 m外壁板頂部擋墻，第二次接高第9、10節(jié)13 m鋼沉井; 四次取土下沉的深度分別為13 m、9 m、5 m、8 m，下沉累計深度35 m，設計標高-65 m，墩位處河床預處理后標高-30.0 m。

1.1 計算模型

采用ABAQUS軟件按照實際情況進行地基土層模型的建立，土體模型寬度取300 m×200 m，土層整體厚度向下取140 m，沉井模型由于存在變截面故采用Rhino參數(shù)化進行建模通過SAT格式導入ABAQUS中，沉井基礎下沉穿過的土體如表1所示。整體模型包括土體、鋼沉井、封底混凝土等部件。采用映射網(wǎng)格方法劃分模型，選擇單元為實體單元(C3D8)?？紤]到邊界條件影響，橫向與縱向分別約束土體垂直方向的平動自由度，模型底部同時約束空間各向平動與轉動自由度。沉井變截面位置、各細部構造位置等區(qū)域進行局部加密，節(jié)點總數(shù)206 590，單元總數(shù)17 1961。整體模型與實際結構基本上相符合，三維網(wǎng)格離散圖如圖2所示。

表1 土體參數(shù)

圖 2 整體三維模型圖

1.2 沉井首次下沉模擬

沉井下沉本質上就是刃腳切土的過程，本工程沉井基礎體量巨大，結構復雜，沉井第一節(jié)與第二節(jié)都是變截面，刃腳入土與土體相接觸，刃腳截面與土體的接觸的截面時刻都在發(fā)生變化，在這一過程中接觸的設置尤其重要，但變化的接觸截面不易進行設置，容易在后續(xù)的分析中造成接觸的不收斂而進行多次調試，故為簡化計算，便將沉井模型基礎放置在第一次取土下沉完成時的位置，沉井基礎與周圍土體進行tie綁定約束，以剛度較大的沉井基礎作為主控面，土體作為從屬面，將沉井井壁與周圍土體形成接觸對。在對初始地應力平衡之后，沉井基礎的設定完成就可以進行分析計算。

2 首次下沉完成后沉井應力分析

沉井第一次下沉結束后的整體應力云圖如圖3所示，由圖3a可以看出沉井基礎在下沉結束后，沉井基礎入土部分的大部分是受壓的，上部的小部分是受拉的；沉井井壁應力值由上到下是逐漸增加的，且在靠近刃腳部位底截面達到最大值-9.92 MPa。而從圖3b可以看出，在沉井的內側應力值由上往下增加，在臺階處達到最大應力值-3.15 MPa，而后靠近刃腳根部的應力在減小，呈現(xiàn)為上下小、中間大的分布情況。刃腳下部切土作用導致沉井井孔兩側的土體對刃腳以及隔墻進行擠壓，使隔墻與井壁受到的壓應力大于其它位置，但隔墻與刃腳的應力有所差別。

為了進一步研究沉井基礎在首次下沉結束井壁外側的豎向應力分布情況，取沉井基礎沿長軸的一半模型邊緣為路徑(圖4)，分析在0、2 m、8 m以及13 m不同高度下的路徑應力情況。

圖 3 沉井應力分布云圖

(a)路徑選擇圖

由圖4可知，在首次下沉結束后，沉井整體上截面是受壓的，沿著路徑的應力值在與隔墻連接處產(chǎn)生突變，在底部截面與2 m截面上隔墻連接處應力值大于兩側應力，而在遠離刃腳底部位置的8 m截面與13 m截面隔墻應力值小于兩側應力。由圖還可以看出，沉井基礎的豎向應力越靠近刃腳則應力值越大，且增長速度也在加快，底部截面與2 m截面的應力值隨著路徑的變化規(guī)律相似，底部截面路徑從起始點處-9.65 MPa到路徑中點處的-6.5 MPa，而后又逐漸上升到-9.92 MPa，而在2 m截面上，路徑應力值從-5.48 MPa降低到-3.53MPa，而后又上升為-5.42 MPa。8 m截面與13 m截面的應力變化相似，與底部截面及2 m截面略有不同，應力值先增加后減小，但總體上圓弧中點處的應力值大于短軸向中點處應力值。總結圖4可知在沉井下沉結束后，越靠近底部應力越大，且在井壁與隔墻連接處的應力值會發(fā)生突變，在靠近刃腳的截面上，隔墻連接處井壁的應力大于兩側，但在遠離刃腳截面則相反，整體上沉井路徑上的應力值分布表現(xiàn)為兩端大，中間小的情況，即圓弧段應力值大于直線段應力值。

將ABAQUS模擬值與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，取沉井2 m截面路徑應力值與刃腳根部傳感器應力值在路徑上傳感器數(shù)據(jù)進行對比,如圖5所示。

圖 5 Abaqus模擬值與實測值對比圖

圖5中RGY-5與RGY-1對應路徑的起始點與終點，由圖可知，在沉井下沉結束后，沿著沉井路徑上的實際監(jiān)測值與模擬值變化形式相似，呈現(xiàn)中間小兩端大的形式，且實測值整體上比有限元模擬值大，這是因為在現(xiàn)場施工中存在一些不確定因素導致應力的增大。Abaqus模擬值與實測值分布趨勢一致，兩者差距在1 MPa以內，數(shù)值相差不大，基本符合實際情況。

3 首次下沉完成后沉井變形分析

沉井基礎在下沉過程中，產(chǎn)生的水平位移與豎向位移相比較小，故本文只提取豎直位移進行分析來討論其分布規(guī)律。沉井整體模型位移分布云圖與土體分布云圖如圖6所示。沿長軸方向將沉井分開一半提取不同標高截面的位移沉降量如圖7所示。

圖 6 沉井與土體豎向位移分布云圖

圖 7 不同標高截面位移沉降圖

由圖6可以看出，在首次下沉結束后，沉井與土體都發(fā)生了一定量的沉降，由于超大沉井自身的重量，沉井上部有2.5 cm左右的位移，且位移量由上到下逐漸減小，這是因為沉井基礎在下沉結束后，沉井下部的變形趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，而從沉井的位移云圖可以看出在同一截面上右側位移量要大于左側，這是由于沉井基礎受到偏心荷載導致的不均勻下沉。而從土體的位移云圖可以看出，沉井隔墻位置土體的沉降大于井孔位置土體沉降，隔墻的沉降大致為2.1～2.3 cm，而井孔內土體的沉降為5～6 mm，最大沉降位置出現(xiàn)在沉井刃腳部位，為2.67 cm，在沉井中部井孔的沉降量小于外圈井孔沉降量。由圖7可知，沉井外壁的沉降量在與隔墻連接處產(chǎn)生突變，隔墻連接處的位移量大于兩側，且整體上位移量從上部到底部逐漸降低，且在路徑上從起始點到中點逐漸增加，而后又逐漸下降，呈現(xiàn)為中間大，兩端小的形式。

4 結論

針對常泰長江大橋6號主墩沉井基礎首次下沉施工的仿真模擬，并通過分析沉井下沉結束后的應力與變位，得到了可以為后續(xù)超大沉井施工階段的受力狀況提供參考的結論：

1)沉井基礎下沉結束后，沉井基礎整體上是受壓的，從頂部靠近刃腳位置，受到的壓應力逐漸增大。且沉井外壁在隔墻連接處的應力值會發(fā)生突變，在靠近刃腳底部截面隔墻連接處應力小于兩側，而在遠離刃腳截面上，隔墻連接處應力值大于兩側。在沉井圓弧段應力值大于直線段應力值。所以在施工階段可以著重注意沉井隔墻位置以及刃腳位置應力，加強對隔墻以及刃腳處的配筋。

2)在沉井基礎下沉完成時，沉井位移量由上到下逐漸減小，且井壁沉降量在隔墻連接處會產(chǎn)生突變，隔墻連接處位移量大于兩側，整體上呈現(xiàn)為中間大，兩端小的形式。而沉井受到的偏心荷載則會導致沉井出現(xiàn)不均勻沉降量，而沉井在刃腳處的變形最為明顯，且隔墻位置土體的沉降大于井孔位置土體沉降，最大沉降位置出現(xiàn)在沉井刃腳部位。因此，在沉井分階段下沉施工時應采用先核心后周圍，先井孔后井壁的原則，盡量保證沉井上部的均勻受力。應進行現(xiàn)場實時監(jiān)控并預先準備糾偏方案，防止出現(xiàn)沉井姿態(tài)的大幅度變化。