施工方法对整体式闸室墙后土压力的影响分析

2013-02-26陶桂兰

水利与建筑工程学报 2013年3期

陶桂兰,袁炼

(河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098)

为改善软基上整体式闸室底板在施工期的工作条件,施工中常采用“墩底分浇,后期封合”的措施[1],以有效地降低闸室墙与中间底板的沉降差及中间底板的负弯矩。施工方法的不同,直接影响结构的变位及墙后土压力的大小及分布。土压力是作用在闸室结构上的主要荷载之一,对结构的内力和变形有着很大的影响,合理的确定整体式闸室墙后土压力,直接影响到船闸建筑物的设计质量。本文以江苏某船闸为例,采用非线性有限元方法,模拟整体式船闸的施工过程,分析施工过程对墙后土压力的影响,并与船闸设计规范[2]推荐的传统方法进行比较,得到一些有益的结论,为类似工程的设计施工提供参考。

1 研究方法

本文以江苏某船闸为例,考虑土体的非线性特性及土体与闸室结构的相互作用,利用ANSYS有限元软件,模拟闸室结构施工过程,对结构进行有限元分析,进而得到闸室墙后土压力的分布。

1.1 有限元计算模型

1.1.1 计算模型

该船闸闸室采用钢筋混凝土整体式结构,闸室净宽23.0 m,长260 m,底板厚2.5m,墙顶宽0.6 m,闸墙底宽2.2 m,闸墙顶面高程为85.0 m,底高程为70.0 m(黄海高程)。由于船闸的纵向长度方向尺寸远大于横断面尺寸,属于平面应变问题,本文建立闸室结构平面二维轴对称模型。模型计算范围如下:以闸室中心线为对称轴,宽度取闸室半宽的4倍(54.8 m),地基深度取闸室高度的3倍(45 m)。在模型底部边界约束竖向位移,在模型左边边界约束水平向位移,在右边边界设置为对称约束。

混凝土视为线弹性各向同性材料,地基土和回填土采用D-P理想弹塑性模型[3]。闸室结构与周围土体均采用PLANE42四节点单元。在闸墙与回填土接触面、闸室底板与地基土接触面,采用targe169与conta171接触对,该接触对为柔体—刚体接触,支持接触面有滑动和摩擦变形[4]。计算结构总计单元5 756个,节点5 866个。船闸闸室二维有限元计算模型见图1。

图1 闸室有限元模型

1.1.2 计算参数

各材料单元计算参数[5]如表1。

表1 计算参数

1.2 施工过程模拟

为分析施工过程对墙后土压力的影响,本文对整体式闸室结构“墩底分浇、后期合缝”的施工方式进行施工过程模拟。具体施工顺序如下:

①浇筑底板前,先在底板下浇筑厚10 cm的C10号混凝土封底,地下水位控制在底板底面以下。底板混凝土沿横向分三块浇筑,先浇筑两侧底板及闸墙;②待边底板混凝土达到设计强度的80%时,回填底板外侧土方至底板顶面;③浇筑墙身混凝土,一次浇筑到顶;④待浇筑混凝土达到设计强度的80%后,墙后土回填到高程78.0 m;⑤待墙身浇筑到顶及回填土高程达78.0 m,底板沉降稳定后浇筑中底板;⑥待中底板混凝土达到设计强度的80%后,焊接钢筋并合缝;⑦中间底板混凝土强度达到设计强度后,墙后回填土回填到顶。施工顺序见图2。

计算的初始状态从地基开挖完成后开始,首先确定加荷前土体初始的应力状态,采用土体的自重应力近似估计土体的初始应力[6],再利用ANSYS的“生死单元”功能[7],通过依次激活单元来模拟混凝土的浇筑、墙后土的回填和合缝过程。

图2 闸室施工顺序

2 计算结果分析

2.1 闸墙的位移分析

为分析施工过程对闸室结构土压力的影响,分析中对考虑施工过程(以下简称计算模型1)和不考虑施工过程,即闸室结构全部浇筑完成,墙后回填土回填到顶(以下简称计算模型2)的闸室结构分别建模进行计算分析。其两种闸室结构计算模型的闸墙位移分别如图3、图4所示。

图3 模型1闸墙位移

由图3可以看出,对于计算模型1,当考虑施工过程时,在墙后回填土高度在底板顶面处、底板尚未合缝时(完成施工步③),闸墙底部在土压力作用下,有较小的指向闸室方向的位移,此时由于中间底板尚未浇筑,中间底板对闸墙没有约束作用,在闸墙较大的自重及回填土作用下,闸墙总体表现为后仰。完成施工步④时,此时墙后回填至闸墙中部,闸墙与底板尚未合缝,此时闸墙底部产生指向闸室方向的位移约2.4 cm,闸墙顶部指向闸室方向的位移约2.8 cm。闸室完建时(施工步⑦),此时底板已合缝,结构整体刚度较大,而墙后回填土高度增加后,土压力也增大,土压力促使闸墙向前轻微转动。此时闸墙顶部变位为4.9 cm,墙底变位较小,需要指出的是,虽然闸室在形成一个整体后,闸墙的水平方向变位很小,但是在底板合缝之前,中底板尚未与两侧底板连成整体,闸墙在侧向土压力作用下,两侧闸墙均产生指向闸室2 cm～3 cm的位移,如不采取措施,将有可能减少闸室的有效宽度,设计施工中应引起注意,采取必要的措施。

图4 模型2闸墙位移

对于计算模型2,由于闸室底板为一次浇成,底板很早就形成了一个整体,其刚度较大,故闸墙变位很小。在完建状态闸墙的最大变位发生在墙顶,大约为1 cm,不到墙高的0.1%。

2.2 墙后土压力分析

(1)墙后土压力的分布特性

图5为计算模型1完成施工步④(墙后回填到8 m高度)和完建状态墙后土压力分布图,从图5可看出不同施工步下的土压力分布规律基本一致,土压力最大值都出现在闸墙墙背倾斜与竖直交界位置(高度4.3 m附近),而在墙背竖直部分土压力分布急剧减小(高度4.3 m以下),在墙底处趋于零。随着施工步的增加,至完建状态,沿闸墙高度,各点土压力强度均增大,在倾斜与竖直墙背交界处,土压力强度达到最大值,新回填部分土压力呈三角形分布。

(2)不同计算模型墙后土压力的比较

图6为不同计算方法墙后土压力分布图。完建状态土压力合力值及作用点位置如表2所示。表2及图6中静止土压力的计算采用船闸设计规范中推荐方法[8],即静止土压力系数取主动土压力系数的1.25倍～1.5倍。文中静止土压力系数分别取主动土压力系数的1.3倍和1.5倍计算。

图5 计算模型1墙后土压力分布

表2 土压力合力值及作用点位置

图6 不同计算方法土压力分布图

由有限元方法计算的两种模型墙后土压力均呈非线性。土压力分布沿闸墙高度呈两端小中间大的分布,上端在裂缝深度内趋于零,在墙背由倾斜到竖直的部分,土压力都有转折,这表明墙体的倾斜程度对土压力的大小有较大影响,接近闸室底部时,土压力逐渐趋近0,土压力最大值两种模型均出现在倾斜墙背与直立墙背交界处;两种模型土压力分布不同点主要在于回填土分层处和闸墙墙背转折处,对于计算模型1,在新老回填土的交界面(高度8 m、2.5 m),由于每次回填后,已回填部分会在自重作用下逐渐压密,土体力学参数发生变化,土压力出现明显的转折点,而计算模型2由于未考虑施工过程,土压力分布更为平缓,土压力沿高度分布未出现转折,两种计算模型在高度8 m以上土压力分布基本一致;在闸墙倾斜墙背与直立墙背交界处,对于计算模型1,受分期回填影响,已回填部分压密产生较大的自重应力,在新老回填土共同作用下,计算模型1在该处的土压力值要大于计算模型2在该处的土压力值。

从完建状态土压力合力值看(表2),本文中由规范法计算的静止土压力系数取1.3倍主动土压力系数较为合理(以下对比皆取系数为1.3倍主动土压力系数时土压力值)。有限元计算的模型1土压力合力值比规范法小9%,有限元计算的模型2土压力比规范法小3%,由此可见,考虑施工过程的土压力值要小于不考虑施工过程的土压力值,并且规范法计算的土压力合力值偏安全。但是合力作用点位置偏差较大,由规范法计算的作用点位置偏下,因而规范法计算的对底板的力矩值比有限元计算的模型1的力矩值小19%,比有限元计算的模型2的力矩值小15%,说明规范法计算的对底板的土压力力矩偏小。