某大型調(diào)蓄池外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析簡化計算方法

羅 俊

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東 深圳 518008)

1 概述

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，項目建設(shè)速度加快，設(shè)計人員可利用的設(shè)計工期縮短。市場上大量有限元軟件分析耗費時間長，不適應(yīng)方案階段設(shè)計。采用簡化省時的計算方法，通過反復(fù)試算，可以快速判斷方案合理性、初步確定構(gòu)件截面尺寸。用簡化計算的構(gòu)件截面，建立有限元模型，可以保證有限元收斂性較好、計算耗時少，可以減少有限元模型反復(fù)試算、調(diào)整次數(shù)。簡化計算對有限元軟件分析結(jié)果的正確性還可以給出定量判斷。結(jié)合深圳市龍崗區(qū)某大型調(diào)蓄池，給出調(diào)蓄池外墻的簡化計算方法。

2 計算條件

2.1 結(jié)構(gòu)方案布置

調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)頂板覆土2.0m，覆土地坪標(biāo)高+33.5m；頂板厚300mm，板頂標(biāo)高+31.5m；中間層僅設(shè)置500mm×1000mm的鋼筋混凝土無板撐梁(如圖1所示)，梁頂標(biāo)高+25.35m；底板厚1200mm，板頂標(biāo)高+18.25m。外墻厚1200mm；支護(hù)樁φ1200@1500，L=31.0m，采用樁間旋噴樁止水，錨桿按臨時錨桿設(shè)計；支護(hù)樁和調(diào)蓄池外墻之間的肥槽采用中粗砂回填。調(diào)蓄池外墻典型斷面如圖2所示。

圖1 中間撐梁-無板(竣工圖)

2.2 地層分布及參數(shù)

支護(hù)樁樁后土層分布依次為素填土、淤泥質(zhì)土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖(下段)、強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)砂巖(上段)、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖(上段)、強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)砂巖(下段)。地層參數(shù)見表1。

3 調(diào)蓄池外墻土壓力

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用

懸臂式雙排樁、單排柱及地下連續(xù)墻，在基坑開挖期間，承受基坑外的水土壓力。典型斷面如圖3所示。由于施工至竣工期間支護(hù)結(jié)構(gòu)受力體系未破壞，基坑外側(cè)土壓力可由支護(hù)結(jié)構(gòu)抵擋；臨時止水措施由于耐久性差，后期存在破壞可能性，故基坑外側(cè)地下水滲透至基坑內(nèi)，作用于調(diào)蓄池外墻。

圖2 調(diào)蓄池外墻典型斷面圖

表1 土層參數(shù)

圖3 懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)(雙排樁)

基坑支護(hù)錨索屬于臨時錨索，耐久性差、后期可能失效；內(nèi)支撐在主體結(jié)構(gòu)施工期，隨著主體結(jié)構(gòu)的施工，主體結(jié)構(gòu)逐漸替換掉內(nèi)支撐，原內(nèi)支撐承受的荷載轉(zhuǎn)移至調(diào)蓄池外墻。錨索典型斷面如圖4所示。由于錨索、內(nèi)撐的失效，支護(hù)結(jié)構(gòu)由豎向連續(xù)梁，變成嵌固不足的懸臂結(jié)構(gòu)。支護(hù)結(jié)構(gòu)擋土、擋水作用微乎其微。

圖4 懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)(錨索)

綜上所述,對于懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)，可考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，調(diào)蓄池外墻僅考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與調(diào)蓄池外墻之間的水土壓力；對于錨索、特別是內(nèi)支撐，調(diào)蓄池外墻應(yīng)忽略支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。

3.2 懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)外墻土壓力折減

對于懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)，忽略基坑外土壓力，僅考慮基坑內(nèi)土壓力。主動土壓力破裂角增大，土條面積縮小，如圖5所示。支護(hù)樁與調(diào)蓄池外墻之間的巖土參數(shù)取回填料的有效黏聚力、有效內(nèi)摩擦角。外墻土壓力折減可以按有限土塊面積/半空間無限土塊面積(土塊面積等于破裂線、地面線、外墻線圍成的區(qū)域)。折減系數(shù)小于0.7時取0.7[10]。

圖5 土壓力破裂角

對于懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)，不能阻止基坑外水壓力向內(nèi)滲透。高層建筑回填砂土?xí)r，由于水壓力各向大小相等，有限范圍土塊水壓力不隨破裂角改變，即水壓力不折減。純地下結(jié)構(gòu)由于抗浮設(shè)計需求而回填弱透水材料時，弱透水材料考慮滲透作用導(dǎo)致的水頭損失，常規(guī)設(shè)計采用水土合算，但由于實際有限范圍土塊的水壓力不隨破裂角改變，水土合算折減時水壓力比實際值偏小。

綜上所述，對于懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)，調(diào)蓄池外墻可考慮土壓力折減，但應(yīng)采取水土分算方式(土壓力折減，水壓力不折減)；

3.3 錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)外墻土壓力

(1)雙排樁模型：考慮支護(hù)樁作用。前排樁采用1.0m×1.2m、間距1.0m矩形樁，模擬1.2m厚外墻；后排樁采用直徑1.2m、間距1.5m樁，反映實際支護(hù)結(jié)構(gòu)；模型忽略支護(hù)樁錨索作用；連梁采用0.1×0.1m虛梁模擬；第一道撐采用0.3m×1.0m、間距1.0m梁，模擬頂板；第二道撐按設(shè)計截面0.5m×1.0m，間距6.0m梁布置；第三道撐采用1.2m×1.0m、間距1.0m的梁，模擬1.2m厚底板；土層按基坑外側(cè)土層輸入。

(2)單排樁模型：忽略支護(hù)樁作用。內(nèi)支撐布置同雙排樁模型；土層按基坑內(nèi)回填料考慮，不考慮有限范圍土壓力折減。

(3)分析結(jié)果：雙排樁、單排柱模型側(cè)墻土壓力在底板位置分別為66.98、66.39kN/m，計算結(jié)果見圖6。計算分析可知，考慮支護(hù)樁作用時，作用于調(diào)蓄池外墻上的土壓力與不考慮支護(hù)樁作用時基本一致。

圖6 土壓力分布

綜上所述,對于內(nèi)撐、錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)，調(diào)蓄池外墻土壓力計算應(yīng)按基坑外側(cè)土層、基坑內(nèi)側(cè)回填土層分別計算取包絡(luò)值，不應(yīng)采用懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)的分析簡圖。軟土地區(qū)，基坑外側(cè)土壓力起控制作用；土巖地區(qū)，基坑內(nèi)側(cè)回填土層土壓力起控制作用。

4 外墻簡化計算方法

4.1 計算單元

調(diào)蓄池外墻受水土壓力及頂部重力荷載作用，實際構(gòu)件受力狀態(tài)為壓彎。由于調(diào)蓄池層高大，水土壓力屬主要荷載，外墻單元屬于大偏心受壓構(gòu)件。大偏心受壓時，壓力起有利作用。簡化計算時可忽略重力荷載作用產(chǎn)生的壓力，受力方式按地下連續(xù)墻單元模擬。由于調(diào)蓄池外墻嵌固于底板，地下連續(xù)墻單元模擬時嵌固深度可取最下層層高的一半。

頂部、底板可以采用理正深基坑剛性鉸單元或者內(nèi)支撐單元模擬。采用內(nèi)支撐單元模擬時輸入截面尺寸為每延米的截面尺寸，內(nèi)支撐間距按1.0m輸入。內(nèi)支撐剛度計算時，計算長度參數(shù)按板跨長度輸入。

計算m值時，坑底位移估算值可取0.001m，用來考慮調(diào)蓄池底板的嵌固作用。

4.2 軟件模塊選用

簡化計算采用非有限元軟件，實現(xiàn)快速建模、快速計算功能。可選用理正深基坑、MIDAS XD、同濟(jì)啟明星等軟件，利用地下連續(xù)墻模單元模擬調(diào)蓄池外墻。

采用理正深基坑時宜選擇全量法計算，不考慮基坑開挖過程影響；采用MIDAS XD時宜選擇彈塑性地基梁法。由于作用于調(diào)蓄池外墻的土壓力屬于回填工序，彈塑性地基梁法能較好的模擬此施工工序。

5 簡化計算結(jié)果使用

5.1 調(diào)蓄池外墻

(1)內(nèi)力調(diào)整：對于懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)，土壓力可進(jìn)行折減，調(diào)整內(nèi)力見式(1)。

M=M0(1+1+Ks×K1)/(1+Ks)

(1)

式中,M—有限土壓力作用的內(nèi)力；M0—無限土壓力作用的內(nèi)力；Ks—回填料主動土壓力系數(shù)；K1—土壓力折減系數(shù)。

對于錨桿、內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，按基坑外側(cè)土層、基坑回填土層分布計算分析，取包絡(luò)值。

(2)內(nèi)力修正：地下連續(xù)墻單元按豎向連續(xù)單向板設(shè)計，符合調(diào)蓄池外墻僅設(shè)置腰梁的受力情況。對于設(shè)置扶壁柱和腰梁的調(diào)蓄池外墻以及不設(shè)扶壁柱和腰梁的調(diào)蓄池外墻，實際計算單元雙向受力，內(nèi)力調(diào)整系數(shù)可取0.7～0.8，水平、豎向分布筋等配；底部外墻外側(cè)豎向分布筋計算時，考慮底板嵌固剛度大、受水土壓力大，內(nèi)力調(diào)整系數(shù)可取1.05。

(3)調(diào)整及修正后的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力，按荷載規(guī)范進(jìn)行內(nèi)力組合，計算配筋；裂縫驗算時，墻底內(nèi)力較大，可通過增大截面厚度滿足裂縫要求。

5.2 撐梁

(1)內(nèi)力計算：水土壓力作用下產(chǎn)生的軸力標(biāo)準(zhǔn)值可以取地下連續(xù)墻在撐梁位置處的剪力標(biāo)準(zhǔn)值差值乘以撐梁間距。

(2)截面驗算：方案設(shè)計階段，僅考慮水土壓力作用，未計入豎向荷載及地震作用，截面驗算按抗震規(guī)范軸壓比限值設(shè)計。

6 結(jié)語

通過巖土常用軟件，對調(diào)蓄池外墻進(jìn)行粗略簡化計算，既可以滿足方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計精度、節(jié)省設(shè)計時間，還可以減少有限元模型不合理性單元數(shù)量、節(jié)省有限元分析時間，同時簡化計算結(jié)果還可以作為有限元分析結(jié)果正確性的判別依據(jù)。

力學(xué)模型的適度簡化既可以節(jié)省分析時間，也可以對計算結(jié)果直觀的判別。模型簡化的原則是單元模擬盡量符合構(gòu)件主要受力情況，抓大放小，忽略次要因素，力求計算分析簡單、解耦，分析結(jié)果可靠、可用。