弱側限條件下沉井糾偏及撓度控制研究

聶 鵬 孫春輝 耿志華 馬 勇 盧國營

（中電建路橋集團有限公司,北京 100048）

在各大構筑物施工中沉井施工法受到較多關注，但沉井涉及地下半地下作業，對地下空間的物理性質的描述是制約沉井技術的一個難題。這一問題，暴露出工程領域對于沉井作業前，土體本身的性質研究嚴重不足。因此，從土體的側限條件分析，把沉井下沉的偏位和撓度問題放在土體性質受力的范疇內研究；從而為沉井工程做好理論分析基礎和技術支撐。

1 沉井概況

沉井施工中最怕遭遇淤泥質土體，因其側限條件差，沉井在下沉就位中，其側向控制不足，極有可能產生橫向位移，導致沉井整體偏位以及發生側向撓度[1]。如不及時糾正，沉井將會失敗或對沉井結構面造成失效。沉井下沉要求是在下沉過程中既不過快也不能過慢，保持勻速破土下沉，及時到達下沉指定位置。

弱側限控制下，沉井對土體的壓力近似構成土體的三向運動，即土體處于三軸受力狀態之下。在這種狀態下，沉井會受到微弱側向壓力影響，對于沉井軸線帶來一定偏位，稱其為弱側限。通常沉井均在完全側限條件下進行，而在弱側限條件下的沉井技術要求高，難度相對大，需要更精確的沉井力和土體狀態的準確把握，方能在實際工程中取得相應效果。

2 沉井下沉破壞機理分析

2.1 沉井破壞形式及過程

沉井發生破壞其主要是由土體運動，發生管涌，其機理為土體滲流[2]。圖1 為沉井下沉過程中土體運動變化導致沉井破壞。圖中為沉井受力方向。

圖1 沉井下沉土體運動破壞過程

在沉井工作開始后，傳力機制是透過沉井井壁向下傳遞荷載，而后由井壁下端傳遞給土層。土體在受到荷載后，將改變原有的土體秩序，發生擾動，這種擾動不斷積蓄，會帶來沉井底部隆起；同時隆起側底端形成塑性區。塑性區部分不會參與土體與沉井之間的相對傳力和相對運動[3]；而當沉井接長，繼續下沉，土體進一步受到向下的壓力，沉井內一側由于隆起超過限度發生管涌，即大面積散狀土體開始呈規律性流動；繼續發展，土體大量管涌，而要維持相對平衡，則原有位置土層開始向下沉陷，管涌此時達到最大規模。

2.2 土體弱側限條件狀態分析

土體側限條件是沉井工程需要了解的一項工程參數。對于實驗室常規環刀法進行有側限的土體強度分析并不能適用在工程實際環境中的土體情況。真實三維空間中，土體受到三向壓力，處在弱側限的環境中[4]。因此對于沉井的側限條件的分析，直接影響沉井糾偏與撓度控制。

取某工程現場施工土體，取土位置為所在沉井向下4-5m 的土體芯樣，其基本土性參數值如表1 所示。

表1 土體芯樣基本參數

在此芯樣上進行土體弱側限試驗。由于現場沉井分為四次接高進行，因此將現場每節井壁的實際荷載值進行平均化處理，分別模擬測試4 次下沉狀態下，土體芯樣的抗剪強度。根據簡化計算，從起沉開始，共分為4 次下沉，沉井井壁接高3 次，將土體4 次沉井結果進行分析整體，得到圖2 芯樣抗剪強度分布值。

圖2 土體芯樣在井壁壓力作用下的抗剪強度分布

由圖2 可知：所有4 節井壁都呈現一個變化規律，在沉井初期，由于受荷載較小，其抗剪強度值也相應較小；隨著壓力值不斷加大，抗剪強度也隨之變大。此外，由于井壁是一節一節不斷接高下沉，因此首節井壁的抗剪強度表現為最小，其后井節呈遞增趨勢。

3 土體固結度分析

3.1 沉井附加應力

沉井工程對于土體的擾動很大，在處于靜止狀態的土體中進行沉井。會帶來沉井的附加應力，附加應力的研究在工程界及學術研究中論斷很多，至今仍沿用的計算基礎為法國數學家J. Boussinesq[5]于1885 年提出的半無限均質彈性體在一個集中力P 作用下，彈性體內部產生的應力分布理論。其解法為彈性理論解，也稱布辛內斯克理論解。該解法給出了任意彈性體內部六個應力值和3 個方向的位移值。針對本文所要研究沉井的附加應力，可以近似假定為滿足布辛內斯克理論解，則有：

式中，σz為所求附加應力；R 為所求點距離原點的距離；對于R 的求解，對沉井與土體接觸點幾何中心建立向下的空間直角坐標系（如圖3 所示），從而由坐標系內距離公式可以解出沉井下任一位置處的R 值大小，公式如下：

式中，x、y、z 為土體中任意點M 在沉井開始下沉的任意時刻的空間坐標值；r 為任意點M 在平面的投影距離。圖2 給出了沉井模型，根據布辛內斯克彈性理論，可以將土體中質點M 進行微元體應力狀態分析，所求沉井的附加應力即是 σz，由公式(1)求得。

在實際沉井工程中，土體所產生的附加應力不可忽略。圖3 可以明顯看出，其附加應力根據不同土體深度會呈現不同變化，這是土體應力擴散效應。考慮到應力擴散效應，在不同位置其應力體現并非均布，因此對于沉井工程，公式(1)的布辛內斯克理論解并不能直接運用，需要引入應力分布系數，它是r 與z 的函數[6]。定義如下：

圖3 沉井地基附加應力解析坐標系及簡化力學模型

代入公式(1)，則改寫成可以用于沉井附加應力計算的應力求解公式：

公式(4)可以直接用來求得沉井附加應力的大小，計算附加應力為土體固結度的分析奠定基礎。在研究中發現，對沉井附加應力的計算的精確程度影響沉井對土的固結度的測算。測算的越準確，將越能控制住土體的變形，從而使得沉井下沉在可控之下，減少沉井撓度和偏移。

3.2 土體固結度分析

以上分析了沉井的附加應力分布，由此便可展開對沉井土體固結度的分析。分析固結度是為了能夠準確把握沉井起沉力，以使沉井下沉到位。既不超沉，也不少沉。表征固結度首先從一點應力出發，由上述內容可知，沉井下沉時，土體中任意點M 所受的壓力值，可根據公式(4)求得。為全面客觀分析沉井對土體影響，認為土體是各向同性、均質、飽和的土；土層之間不發生滲流，土中所含水的滲流服從達西定律。則可以得出土體固結度表征：

其中，u 為土體受力變形的表征，t 表示土體作用時間，cv為土體固結系數，z 為土體沿z 向的變化分布情況。

通過公式(5)的計算式表明：土體固結度與土壓在豎向的分布有關，在正常的沉井下沉土體分析中，需要及時明晰土體在豎向的分布態勢，才能有效完成沉井。而實際工程中最關鍵的是要把握住固結系數，固結系數Cv的獲取方法很多。可對土體進行試驗測量，也可進行直接計算或平方根法等求得。

4 糾偏及撓度控制

沉井工程是一個持續不中斷的施工過程，下沉的受力情形與簡支梁受均布荷載體系類似[7]。故選擇簡支梁受均布荷載q 作用的力學響應為簡化受力模型（如圖4）。A、B 分別為簡化后的支座。跨中為C 點，井壁開始下沉，則受到均布荷載q 作用。

圖4 沉井下沉受力簡圖

因此給出5 種跨度不同的簡支梁，跨度分別為10m、20m、30m、40m、50m，將5 種情況帶入進行計算。分析結果帶入撓度與受力變化中。圖5 計算得出撓度值與最大彎曲應力之間的關系曲線，通過這個曲線圖分析結果。

圖5 撓曲變形與跨中最大彎曲應力關系曲線

圖5 結果顯示，隨著跨中撓度值的增大，最大彎曲應力值也持續增大。這個結果說明沉井直徑越大，其下沉難度越大，越需要精準刻畫沉井的位置，否則將產生較大撓曲變形，影響沉井井壁質量。基于前述分析，沉井的動態控制是建立在圖里盈利狀態的分析基礎之上的。大量沉井工程實踐已經表明：在正常沉井的過程中，土體發生相對運動，沉井發生管涌的風險極高，表征為沉井發生不均勻性偏位，偏移后的井壁會有失效的可能，而為防止其偏移，應該勻速緩慢下沉，同時做好平面控制和下沉過程中控制。

5 結論

本文從沉井破壞的機理出發，通過對沉井的土體附加應力效應、土體固結等方面進行分析，得出沉井的偏位和撓度原因與豎向壓力分布有關，并從布辛內斯克理論解分析入手，對真實沉井環境下的土體受力情況重點分析，得出在真實條件下，土體在受到下沉井壁作用下，土體擾動形成土層相對運動，這種土體流動構成沉井下沉作業的弱側限條件。并結合分析結果，得到在弱側限條件下的沉井糾偏和撓度控制措施。