黃土地區泄水洞沉井力學性能研究及應用

摘 要：本文通過ABAQUS軟件對黃土地區沉井工程進行有限元分析，探討沉井的變形特點，并將有限元結果與工程實際相結合，以驗證有限元模型的有效性。基于有限元數值模擬，對不同沉井結構進行分析，研究井壁混凝土強度、鋼筋截面尺寸、撐桿尺寸對沉井結構整體受力性能的影響規律。結果表明：在沉井內部設置撐桿能夠明顯提高沉井的整體剛度，降低其側向變形，并提高其安全性；在一定范圍內增大井壁混凝土強度和鋼筋截面尺寸，同樣能夠提高沉井的側向剛度。研究結果可為黃土地區沉井工程施工提供理論參考。

關鍵詞：黃土；沉井工程；數值模擬；力學性能文章編號：2095-4085（2025）02-0247-06

0 引言

沉井施工工藝成熟，廣泛應用于開挖深度較深的基坑，因其具有整體性強、穩定性好、節材效果佳、場地適用條件廣等優點而在橋梁及市政工程中得到了廣泛應用［1-4］。但沉井下沉時對周邊環境有影響，需通過多種措施確保施工的可靠性，以減小其對周邊環境的影響。

目前，針對沉井施工對周邊環境的影響已取得不少研究成果。羅實瀚等［5］通過分析地錨式沉井施工過程中的現場監測數據，探討了地錨式沉井施工對周邊環境的影響。鄧友生等［6-7］通過對比分析現場沉降監測數據與有限元計算結果，研究了武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇沉井下沉對鄰近高層建筑與構筑物的影響。米長江等［8］監測并分析了馬鞍山長江公路大橋南錨碇沉井下沉過程，發現采取對稱開挖、啟動空氣幕助沉措施有助于沉井平穩安全下沉。朱建民等［9］、穆保崗等［10］根據有限元分析結果和現場檢測準確、及時地調整開挖方案，有助于保證沉井安全下沉。王海林等［11］分析了采用自動化氣壓沉箱方法施工的隧道風井監測數據，包括地表沉降和深層土體水平位移。鐘永新［12］認為采用預留核心土滯后開挖和空氣幕助沉有利于控制井體底部拉應力，確保沉井安全下沉。

綜上所述，以往關于沉井對周邊環境的影響研究，沉井地質條件多為細砂、粗砂與粉質黏土，缺少沉井在黃土地區的實例研究。本文依托延安市西延鐵路排水隧道沉井工程，針對黃土地區沉井結構特點與地質條件，結合現場位移監測數據，對沉井整體受力特點進行有限元模擬，總結不同參數下沉井施工的受力和變形特點，為黃土地區沉井施工提供理論參考。

1 工程概況

本工程為延安市西延鐵路排水隧洞工程中的沉井工程。沉井材料采用鋼筋混凝土，位于西延鐵路洛川隧道出口右側，工作沉井東位于護坡處，開挖深度大約6.33m。

工程區主要為第四系上更新統風積黏質黃土、殘積古土壤，中更新統風積黏質黃土、殘積古土壤。黏質黃土（Q3）：層狀分布于地表，單層厚6.7～9.4m，黃褐色，成份以粉粒為主，土質較均勻，結構較疏松，可見少量白色鈣質菌絲條痕，黏性一般，硬塑為主，Ⅱ級普通土，硬塑。古土壤（Q3）：常分布上更新統風積黏質黃土下部，厚2.2～2.8m，棕紅色，黏粒為主，土質較均勻，結構較致密，土體常呈團粒狀，夾含姜石顆粒，少量白色鈣質菌絲，硬塑為主，Ⅱ級普通土。黃土工程地質復雜，主要表現為強度低、對工程擾動的反應靈敏和變形持續時間長等，這不僅給沉井修建帶來了極大的困難，而且其力學特性的變化對后期穩定性也是巨大的挑戰。

本沉井為現澆混凝土結構，上部1.5m擋土墻采用壁厚250mm鋼筋混凝結構施工，下部7.8m擋土墻采用壁厚750mm鋼筋混凝結構施工，等級為C30，鋼筋采用HRB400。根據設計圖紙的要求以及施工現場的地質情況和周圍環境條件，確定采取一次制作、一次下沉和排水挖干施工方案，沉井基坑開挖斷面（見圖1），沉井截面尺寸和配筋（見圖2）。

2 有限元模型的驗證

利用有限元軟件ABAQUS構建沉井的三維有限元模型，對其進行水土壓力作用下的有限元分析，并將分析結果和工程監測結果進行對比，以驗證有限元模型分析的準確性和有效性。

2.1 材料本構關系

在ABAQUS分析時，鋼材常用的本構模型有理想彈塑性模型、彈性強化模型、彈塑性強化模型［13］。本文選用鋼材的理想彈塑性模型，該模型由彈性階段和水平階段組成，在材料本構中需要輸入的參數有彈性模量2.1×105MPa、泊松比0.3、屈服強度為400MPa，塑性應變為0。

普通混凝土的受壓應力應變關系采用《混凝土結構設計規范（2015版）》（GB50010-2010）中建議的公式：

2.2 模型的建立

混凝土采用實體單元（C3D8R）。該單元具有在彎曲荷載下不易發生剪切自鎖現象、位移求解結果比較精確的優點，鋼筋構件都采用桁架單元（T3D2）。對于鋼筋與混凝土之間的約束關系都采用了Tie約束，該約束是將兩個面束縛在一起，從屬面上的節點與距離主控面上最近的節點具有相同的運動。采用Tie約束可以使得計算時間縮短，模型容易收斂，可以更快的得到計算結果。

2.3 邊界條件與載荷設置

在模型建立過程中應根據實際邊界情況選取合適的邊界條件。考慮到當沉井下沉到位未封底板時，沉井在外荷載作用下處于平衡狀態，但在模型分析中，需要設置邊界條件以防止沉井出現整體位移。通過對多個不同邊界條件的沉井模型進行對比分析，結果表明：約束沉井頂部截面x軸除U3方向和z軸除U1方向所有節點的線位移，所對應有限元分析結果與試驗結果最為接近。

為模擬由上至下線性變化的土壓力，按朗肯土壓力理論，計算沉井所受土壓力沿沉井高度分為3層，上部1.5m擋土墻一層，下部7.8m擋土墻分為2層，每層3.9m。為了保證準確模擬水土壓力，采用分層加載的方式。

2.4 沉井應變分布比較

沉井位移有限元云圖（見圖3）中，U3和U1分別為垂直于沉井井壁的長邊和短邊方向。由圖3可知，井壁變形沿沉井長度方向由跨中向兩側逐漸減小，角部變形接近于0；沿高度方向自下而上逐漸減小，最大變形發生在井壁底部跨中，沉井長壁U3位移為6.64mm，沉井短壁U1位移為1.57mm。與試驗結果對比可知，沿井壁長向的變形和短邊方向變形分別為8.4mm和2.3mm。由此可見，有限元分析得到的變形規律和井壁最大位移與工程測量結果吻合度較好。

由圖4可知，有限元模型與試驗的應變分布規律相同，有限元模型的位移變形峰值比試驗值略小，兩者相差不大（見圖4）。

綜上所述，有限元分析得到的沉井井壁變形與試驗結果吻合度較好。以此為基礎，下文對黃土地區鋼筋混凝土沉井結構進行受力性能分析。

3 沉井結構整體受力性能影響因素分析

基于驗證的有限元模型，對不同參數的鋼筋混凝土沉井進行有限元分析，探討井壁混凝土強度、鋼筋截面尺寸、內部撐桿對黃土地區沉井整體受力性能的影響，以彌補工程研究參數較少的缺陷，旨在為黃土地區沉井工程提供相應理論依據。

3.1 混凝土強度的影響

為了研究黃土地區沉井井壁混凝土強度對沉井受力性能的影響，基于原尺寸模型，混凝土強度分別為C30、C40和C50，其中C30強度等級混凝土沉井井壁變形云圖（見圖3），C40和C50強度等級混凝土（見圖5、圖6）。

由上圖可知，隨著混凝土強度由C30增加到C40、C50，沉井的變形分布規律基本不變，長邊井壁的最大變形由6.64mm減小到6.02mm、5.40mm，短邊井壁的最大變形由1.57mm減小到1.39mm、1.22mm。

綜上所述，增加沉井內部的混凝土強度在一定程度上可以降低沉井的整體變形峰值，但降低幅度很小，這主要是因為沉井的混凝土單元受彎時，混凝土對其承載力貢獻較少。混凝土提供的受彎承載力約占整體承載力的14%，因此提高沉井混凝土強度對沉井承載力和剛度影響不明顯。

3.2 鋼筋截面尺寸的影響

為了研究黃土地區沉井井壁鋼筋截面尺寸對沉井受力性能的影響，基于原尺寸模型統一鋼筋截面尺寸，鋼筋直徑分別為16mm、22mm和25mm，得到不同鋼筋截面尺寸沉井井壁變形云圖（見圖7、圖8、圖9）。

由圖7、圖8、圖9可知，鋼筋直徑由16mm增加到22mm、25mm，長邊井壁的最大變形由7.5mm減小到6.89mm、6.57mm，短邊井壁的最大變形由1.80mm減小到1.60mm、1.51mm。

綜上所述，井壁鋼筋截面尺寸（直徑）對沉井的變形有一定影響，在工程實踐中，可以在滿足經濟合理的條件下適當的增加鋼筋截面尺寸。

3.3 沉井設支撐桿的影響

為提高沉井長邊井壁的側向剛度，在沉井底部設置支撐桿。第一類撐桿設置在沉井底部，鋼管尺寸為800mm×400mm，壁厚為6mm；第二類撐桿尺寸為800mm×800mm，壁厚為6mm。并建立了不同支撐桿層數的有限元模型，以考察撐桿尺寸對于黃土地區沉井整體受力性能的影響。基于原尺寸模型，得到不同支撐桿尺寸的沉井井壁變形云圖（見圖10、圖11）。

由圖10、圖11可知，長邊井壁的最大變形由7.5mm減小到6.89mm、6.57mm；短邊井壁的最大變形由6.64mm減小到4.8mm、3.1mm。

在沉井施工過程中，沉井井口也極易出現垮塌現象，為提高沉井長邊井壁的側向剛度，在沉井頂部設置第三類撐桿，鋼管尺寸為800mm×400mm，壁厚為6mm，并與頂部不設置支撐桿進行對比分析，從而進一步研究撐桿對于黃土地區沉井整體受力性能的影響，基于原尺寸模型，得到頂部設支撐桿的沉井井壁變形云圖（見圖12）。

由圖12與圖3對比可知，長邊井壁上部增加支撐，其最大變形由3.8mm減小到0.77mm。綜上所述，井壁設支撐桿對沉井的變形有顯著影響，在工程實踐中，可以在滿足經濟合理和施工便捷的條件下適當的增加鋼支撐。

4 結語

本文基于有限元分析軟件ABAQUS建立了試驗沉井的三維有限元模型，分析其在水土壓力作用下的變形，并將有限元分析結果與試驗結果進行對比，以驗證有限元模型的有效性。重點研究了不同井壁混凝土強度、鋼筋截面尺寸、撐桿尺寸對沉井結構整體受力性能的影響規律。得到以下結論。

（1）在沉井內部設置支撐桿，可以為沉井提供較大的抗側剛度，減少沉井的側向變形，降低井壁的應力峰值，使井壁應力分布更加合理，且隨著撐桿尺寸的增加，沉井剛度提高更明顯。但考慮到施工的便利性和經濟性以及內部空間的利用率，在設計中應選取合適的撐桿尺寸。

（2）在一定范圍內增大井壁混凝土強度能夠提高沉井的側向剛度，在設計中增加沉井的混凝土強度在一定程度上可以降低沉井的整體變形峰值。

（3）井壁鋼筋截面尺寸對沉井的變形有一定影響，在工程實踐中，可以在滿足經濟合理的條件下適當的增加鋼筋截面尺寸。

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