基础沉降对钢型井架承载力及稳定性的影响规律研究

王明俊，王 朋，柯树炜

（1.广州市中心区交通项目管理中心，广东 广州 510030；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；3.东莞理工学院生态环境与建筑工程学院，广东 东莞 523808）

1 工程概况

如意坊放射线系统工程位于广州市荔湾区，东起内环路如意坊立交，向西南下穿珠江后与芳村大道相通。隧道总长1 511m，其中岸上段893m，沉管段618m，设计为双向六车道断面。凿井井架是立井施工中的重要装置，是连接地面和井下的桥梁。井架可用于将井下矸石提升至地面，同时担负材料设备和施工人员的运输功能[1]，考虑到井筒施工与生产之间的关系，国内外在进行立井井筒施工时，既可采用专用凿井井架，也可利用生产井架。本文在介绍凿井井架支座沉降原因的基础上，研究井架支座分别在双支座和单独支座沉降时杆件内力和天轮平台位移的变化规律。

2 有限元计算模型的建立

采用SAP2000开展有限元模拟计算，Ⅴ形井架的恒荷载主要是井架自重及悬挂在其上的设备自重。井架是由天轮平台、主体架、斜杆平台和基础等部分组成的空间结构[2]，如图1所示，最顶层是天轮平台，用以放置、提升和悬吊天轮，设备荷载通过天轮传递给天轮平台。天轮平台是由5根梁构成的“日”字形框架结构[3]。

图1 井架有限元计算模型

3 基础沉降对井架的影响

基于井架对称结构，可将基础沉降分为双支座沉降和单独支座沉降2种情形，进而分析井架4个支座沉降量不同时的规律。井架支座是关于2个对称轴对称布置，双支座沉降是对称的2个支座发生沉降。分析沉降对井架内力和变形的作用，可为井架设计提供参考。

导致建筑物产生不均匀沉降的原因很多，如地基土体不均匀、建筑物结构复杂、地下工程开挖扰动等[4-5]，不同工程中引起地基沉降的原因也千差万别，主要有以下3个方面[6]。

1）土体性质 土体由固体、液体和气体等组成，材料占比不同会引起土体性质的差异[7]，考虑到成分的多样性和不均匀性，很难对其进行准确的数学描述，因此，地基沉降的分析和计算仍是地基基础工程中的一大难题。

2）施工方法 在冻结法施工过程中，土壤中的水遇冷形成冰，体积膨胀，当冰的体积足够大时，会推着土壤颗粒移动[8]。井架基础很容易因冻胀作用力而产生位移，再加上土壤的不均匀性及冻结程度的差异性，地基各处土壤产生的变形不同，进而引起基础产生不均匀沉降[9-10]。

3）偏心荷载 天轮平台是日字形布置，承载中心位置和井架中心位置不同，各基础受到的荷载也有差异。由图2可看出，井架在主提升侧的荷载要显著高于非主提升侧，支座受力的不同也导致沉降差异的出现，因此在进行井架设计时，要提前分析偏心荷载的作用。

图2 天轮平台施加给井架主体的荷载（单位：kN）

4 井架沉降方式

相邻井架基础如图3，4所示。井架采用独立基础，基础之间的沉降彼此独立，互不影响。由于均匀沉降对井架稳定性影响较小，本文重点分析不均匀沉降。

图3和图4直观反映了井架主体和井架支座的结构对称性，结合对地基变形的相关规定，以下主要研究井架支座分别沉降20，40，60，80，90mm时杆件内力的变化规律和变形特征。

图3 井架和基础关系

图4 井架基础分布

4.1 双支座沉降

双支座沉降情况下，相邻2个支座同时发生沉降，另外2个支座位置则保持不变，沉降数值如表1所示。

表1 双支座沉降数值

基础沉降会导致井架内力重新分布，但不同杆件内力变化规律不尽相同，某些杆件内力方向不变，只是在数值上发生改变，而另外一些杆件受力方向发生变化，如压力转为拉力。考虑到井架杆件数量庞大，故只选取部分内力较大且变化幅度较大的杆件展开分析。

4.1.1 对称轴1

支座C，D基础沉降时杆件轴力变化趋势如图5所示。

图5 支座C，D基础沉降杆件轴力变化曲线

对图5中的杆件轴力进行分析，可将所研究杆件分为2组，第1组为位于非沉降侧的杆件142，153，155，另外一组为位于沉降侧的杆件263，274，276，均表现出不同的变化规律。当不发生沉降时，结构杆件承受压力作用，但随着支座沉降值的增大，杆件轴力大小和方向会发生变化。随着沉降量增大，沉降侧杆263，274和276的轴力逐渐由受压转换为受拉，拉力值也越来越大，非沉降侧杆142，153和155的轴力方向保持不变，轴力值呈增大趋势。当沉降量增大时，非沉降侧杆件的应力比也不断增大，当沉降量达到90mm时，已临近破坏。

4.1.2 对称轴2

支座B，C基础沉降时杆件轴力变化曲线如图6所示。

图6 支座B，C基础沉降杆件轴力变化曲线

由图6可看出，关于对称轴2对称的支座B，C沉降时，未出现沉降侧和非沉降侧杆件分组变化的差别，且沉降量对杆件的轴力影响较小，杆件的应力水平并未明显提高。

从以上分析可看出，关于对称轴1对称的支座沉降引起的杆件轴变化规律和关于对称轴2对称的支座沉降引起的杆件轴变化规律完全不同，而引起这种差异的原因是荷载偏心。天轮平台中心和井筒中心位置并不一致，凿井设备也非环绕井架中心所布设，这些因素引起偏心荷载的形成。关于对称轴1对称的支座C，D沉降侧是主提升侧，该侧的荷载值远大于另一侧，当该侧沉降时，天轮平台上的荷载主要由非沉降侧的支座A，B承担，导致非沉降侧井架杆件轴力一直增大；而对于关于对称轴2对称的支座B，C，由于其沉降侧和非沉降侧天轮平台上荷载差异很小，沉降产生的影响并不显著。偏心荷载不仅会造成井架支座不均匀沉降，而且会显著影响井架杆件的内力分布，所以在设计井架时，要避免出现荷载偏心，若无法回避，则要设法对荷载较大一侧的地基或支座进行特殊处理。

4.2 单独支座沉降

单独支座沉降是指井架的1个支座发生沉降，而另外3个支座位置保持不变。考虑到井架结构和荷载的对称性，分析支座B，C，D分别发生沉降时的特征（沉降值分别是20，40，60，80，90mm），如表 2 所示。

表2 单独沉降数值

支座B的沉降影响杆件轴力，随着沉降量增大，受压斜杆轴力方向发生改变，由受压变为受拉，这在两角柱间长度较大的斜杆上表现尤为明显。从图7可看出，随着支座B沉降量的增大，杆144和杆355的受力状态由受压变成受拉，轴力绝对值先减小后增大，而位于另一对角线上的杆311和265的轴力绝对值一直在增大。当支座B沉降量在60mm以下时，杆件受力状态和正常工作时保持一致，但当沉降量大于60mm后，支座B上的杆件不再支撑井架上的工作荷载，而是承受支座沉降引起的拉力，当沉降量超过某一特定值后，其对角线上的杆件也开始受拉。支座B和D上的杆件应力水平历经由高到低的变化阶段，支座A和C上的杆件应力水平不断增大，到一定程度后会引起杆件破坏。由此可见，支座沉降会导致井架变形失稳。

图7 支座B沉降杆件轴力曲线

支座C沉降时，对角线上的杆件应力历经由高到低的变化阶段，但是转折点不再是60mm，而是80mm，应力水平最高的杆件也不是无支座沉降对角线上的杆件，而是与沉降支座相连的斜杆。

D支座沉降时，其沉降规律和B支座基本相同。

4.3 天轮平台位移分析

井架支座沉降会引起天轮平台位置变化，进而引起吊盘随之移动，可能导致吊盘和井筒的接触，影响施工。基于对相关规定的分析，吊盘水平方向的移动距离应小于100mm。

天轮平台中心处x，y方向的位移如图8，9所示，图中的数据是天轮平台中梁和边梁相交两点位移的平均值，图中BC表示的则是支座B，C沉降时的位移。

图8 天轮平台中心x方向上的位移

图9 天轮平台中心y方向上的位移

从图8，9中可看出，支座B和支座C单独沉降时，x，y方向的位移变化规律相同，位移曲线重合，而随着沉降量的增加，双支座沉降情况下，吊盘会接触到井壁。

5 结语

通过分析井架支座沉降原因，研究双支座沉降和单独支座沉降时杆件的内力和天轮平台的位移，并总结其变化规律，得到以下结论。

1）当井架的1个支座发生沉降时，与其连接杆件的轴力将减小，临近支座杆件的轴力会增大，对角线支座杆件的内力先减小后增大。当发生单独支座沉降时，距离较近支座会受到较大影响；而当双支座沉降发生时，主提升侧支座沉降对井架稳定性影响较大。

2）单独支座沉降和双支座沉降对井架杆件内力的影响显著不同。单独支座沉降会提高杆件的应力水平，但留有较大的安全裕度；双支座沉降发生时，杆件会受到较大影响，尤其是主提升侧支座C，D的沉降。

3）井架天轮平台水平位移受单独支座沉降的影响较小，而对于双支座沉降，当沉降量在80mm以上时，天轮平台水平位移将超过100mm，导致吊盘和井壁接触，影响凿井工作正常进行。