陈三桥污水处理厂沉井施工有限元模拟★

宋学强 侯振山 窦国涛

(1.盛世生态环境股份有限公司，河南 郑州 450000; 2.河南五建建设集团有限公司，河南 郑州 450000； 3.郑州航空工业管理学院土木建筑学院，河南 郑州 450000)

1 概述

沉井基础由于埋置深度大、整体性强、稳定性好，能够承受较大的垂直荷载和水平荷载，被广泛的应用于市政、码头、桥梁、采矿、水利、水电等工程中[1-4]。沉井是用于深基础和地下构筑物施工的一种工艺技术，其原理是：在地面上或地坑内，先制作开口的钢筋混凝土井身，待井身混凝土达到设计强度100%后，在井内挖土使土体逐渐降低，井身依靠自重克服其与土壁之间的摩阻力，不断下沉直至设计标高，经就位校正后再进行封底处理。胡军[5]依托深圳地铁某停车场上桥梁工程，从其沉井基础近接下部两座既有铁路隧道的特殊点出发，建立大型三维有限元模型，以数值模拟的手段分析沉井基础承载后的变形规律，并进一步研究其对周围邻近既有隧道的变形影响。罗志雄[6]采用三维有限元软件ABAQUS模拟沉井基础闸室各构件之间的相互作用，地基、基础和底板之间的约束，混凝土和土体材料的弹塑性等，对该水闸的整体沉降以及闸室结构的应力应变情况进行了分析研究。王正振等[7]以即将开工的某大桥南锚碇沉井为研究对象，利用Plaxis 3D有限元软件对其进行施工和使用过程中的应力、位移模拟分析，为该沉井的设计提供参考。目前沉井应用与污水处理厂的工程案例比较少见，本文针对郑州市陈三桥污水处理厂大型沉井分层制作施工进行了有限元模拟研究，为后续类似工程提供借鉴。

2 工程概况

郑州市陈三桥污水处理厂二期工程场地位于京港澳高速东、姚桥路南、魏河北区域。

沉井直径31.6 m，呈圆形，高16.95 m(-16.55 m～0.4 m)，沉井刃脚总长110.3 m。沉井为钢筋混凝土结构，沉井施工的一般方法为：一次制作、一次下沉；分节制作、一次下沉；多节制作、分节下沉(制作与下沉交替进行)。本工程采用分节制作、一次下沉；沉井分节制作的高度，应保证其稳定性并能使其顺利下沉。根据本工程的特点与设计要求，对沉井应采用分三节制作、一次下沉的施工方法。

为确保沉井下沉稳定，在沉井底部及中上部位置安装两道十字交叉钢支撑直径800 mm，本工程粗格栅井及进水泵房沉井混凝土拟分三节浇筑成型，分节制作要求是：

第一节：制作高度4 m，即标高-16.55 m～-12.55 m，浇筑混凝土378.4 m3；

第二节：制作高度5.85 m，即标高-12.55 m～-6.70 m，浇筑混凝土516.3 m3；

第三节：制作高度5.8 m，即标高-6.70 m～-0.90 m，浇筑混凝土511.9 m3。

三次浇筑的自重分别为：946 t，1 290.75 t,1 279.75 t。

结合本工程设计，沉井下沉采用一次下沉，沉井混凝土自重为3 517 t。井身分三次浇筑，共设置两道施工缝。

3 沉井制作过程有限元模拟

3.1 有限元参数

本文采用有限元软件ANSYS进行模拟，沉井采用实体单元Solid45进行模拟[8]，Solid45单元用于构造三维实体结构，单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着XYZ方向平移的自由度。单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力，有用于沙漏控制的缩减积分选项。网格划分采用自由网格划分，沉井采用C30混凝土制作，其弹性模量[9]为Ec取3.0×104MPa，泊松比取0.2，密度取2 600 kg/m3。边界条件为约束沉井底面X,Y,Z向的平动自由度。

3.2 有限元模拟方案

实际施工时，沉井分三层浇筑而成，在模拟沉井制作施工过程时，采用两种方案进行模拟。

方案一沉井分3节制作，有限元模拟时，通常情况下计算三次，第一阶段施工建立第一节模型，然后进行计算，提取结果；第二阶段施工建立第一节和第二节模型，然后进行计算，提取结果；第三阶段施工建立第一节、第二节以及第三节模型，然后进行计算，提取结果，三次计算各自相互独立，互不影响，此方法程序麻烦，计算时分三次计算。

方案二有限元模拟时，第一阶段施工时建立沉井整体有限元模型，将沉井第二节和第三节杀死(ekill)，然后进行计算；第二阶段施工将沉井第二节进行激活(ealive)，然后进行计算；第三阶段施工将沉井第三节进行激活，然后进行计算。方案二考虑到了施工的先后次序及相互影响，此方法可采用一次建模，分段杀死，分段激活进行计算，相对简便。

4 结果对比

如图1所示，为沉井第一节施工完成之后，两种方案沉井应力对比，其中X向指的是水平方向，Y向指的是竖直方向，从图中可以看出，两种方案下沉井应力云图分布一致，但数值大小有所差异。比较X向应力可知，随着坐标值的改变，应力变化规律不明显，比较Y向应力可知，随着Y向高度值增大，应力随之增大，表1统计的是应力的最大值和最小值，分析表中数据可知，方案二应力极值要大于方案一，其比值位于1.039 8～1.041 9区间。

表1 施工第一阶段两方案沉井应力对比

方案X向应力/PaY向应力/Pa最小值最大值最小值最大值方案一-0.424×10-40.628×10-5-0.191×10-3-0.24×10-5方案二-0.441×10-40.653×10-5-0.199×10-3-0.25×10-5比值1.040 11.039 81.041 91.041 7

如图2所示，为沉井第二节施工完成之后，两种方案沉井应力对比，其中X向指的是水平方向，Y向指的是竖直方向，从图中可以看出，两种方案下沉井应力云图分布一致，但是数值大小有所差异。比较X向应力可知，随着坐标值的改变，应力变化规律不明显，比较Y向应力可知，随着Y向高度值增大，应力随之增大，表2统计的是第二节沉井应力的最大值和最小值，由于方案一是整体建立的模型，未考虑到施工先后顺序的影响，而方案二是分阶段计算，是先计算第一节沉井在自重作用下的应力分布，然后在此基础上再计算第二节沉井，分析表中的数据可知，方案二应力极值要大于方案一，其比值位于1.030 8～1.052 2区间。

表2 施工第二阶段两方案沉井应力对比

方案X向应力/PaY向应力/Pa最小值最大值最小值最大值方案一-0.939×10-40.159×10-4-0.429×10-3-0.292×10-5方案二-0.988×10-40.167×10-4-0.451×10-3-0.301×10-5比值1.052 21.050 31.049 81.030 8

如图3所示，为沉井第三节施工完成之后，两种方案沉井应力对比，从图中可以看出，两种方案下沉井应力云图分布一致，但数值大小有所差异。其中X向指的是水平方向，Y向指的是竖直方向，从图中可以看出，两种方案下沉井应力云图分布一致，但数值大小有所差异。比较X向应力可知，随着坐标值的改变，应力变化规律不明显，比较Y向应力可知，随着Y向高度值增大，应力随之增大，由于方案一是整体建立的模型，未考虑到施工先后顺序的影响，而方案二是分阶段计算，是先计算第一节沉井在自重作用下的应力分布，在此基础上再计算第二节沉井，然后在此基础上再计算第三节沉井，表3统计的是应力的最大值和最小值，分析表中数据可知，方案二应力极值要大于方案一，其比值位于1.045 3～1.049 5区间。

表3 施工第三阶段两方案沉井应力对比

方案X向应力/PaY向应力/Pa最小值最大值最小值最大值方案一-0.145×10-30.287×10-4-0.665×10-3-0.283×10-5方案二-0.152×10-30.300×10-4-0.696×10-3-0.297×10-5比值1.048 31.045 31.046 61.049 5

5 结语

本文针对郑州市陈三桥大型沉井实际施工时，沉井分三层浇筑而成，进行了有限元模拟，利用ANSYS采用两种方案进行模拟：方案一通常情况下沉井有限元模拟时，计算三次，第一阶段施工建立第一节模型，然后进行计算，提取结果；第二阶段施工建立第一节和第二节模型，然后进行计算，提取结果；第三阶段施工建立第一节、第二节以及第三节模型，然后进行计算，提取结果，三次计算各自相互独立，互不影响。方案二有限元模拟时，第一阶段施工时建立沉井整体有限元模型，将沉井第二节和第三节杀死，然后进行计算；第二阶段施工将沉井第二节进行激活，然后进行计算；第三阶段施工将沉井第三节进行激活，然后进行计算。方案二考虑到了施工的先后次序及相互影响。并将两种方案进行了对比分析，由于方案一有限元模拟时，忽略了施工先后顺序的影响作用，方案二有限元模拟时，考虑了施工先后顺序的影响作用，并得到如下结论：

1)沉井第一节施工完成后，方案二应力极值要大于方案一，其比值位于1.039 8～1.041 9区间。

2)沉井第二节施工完成后，方案二应力极值要大于方案一，其比值位于1.030 8～1.052 2区间。

3)沉井第二节施工完成后，方案二应力极值要大于方案一，其比值位于1.045 3～1.049 5区间。

两种有限元模拟方案结果非常接近，因此在有限元模拟时可采用更为简便的方案二进行模拟计算，尤其当工程比较复杂的情况下，方案二有限元模拟方案的优越性更为明显。