深厚砂卵砾石覆盖层中大尺寸调压井沉井应力变形数值模拟分析

摘要

把不同断面形状的井筒，按边排土边下沉的方式使其沉入地下，即为沉井。随着钢筋混凝土结构的出现，以及现代施工技术和施工机械的不断革新，沉井已逐步发展成为各类土层内，各种深埋地下构筑物围护结构的一种常用型式。然而岩土工程的复杂性和大型沉井结构施工过程的动态不确定性以及非决定性时变系统特点，使得沉井下沉施工时的结构安全问题备受关注。
　　 本文结合一布置在深厚砂卵砾石覆盖层中的大尺寸调压井沉井开展研究。由于前期勘察对砂卵砾石覆盖层厚度判断有误，在该沉井下沉至原有设计深度36m时发现下部砂卵砾石层还有29m之厚。在这种情况下，对该沉井继续下沉进行科学合理的分析无疑是非常重要的。本文借助ANSYS大型通用有限元软件，建立调压井沉井三维有限元模型，重点对沉井继续下沉施工以及下沉过程中的脱空现象进行了数值模拟分析。最后对调压井下部混凝土滑模施工、阻抗孔开挖以及调压井运行期进行了数值模拟分析。具体工作分为以下几个部分：
　　 (1)建立调压井沉井三维有限元计算模型，通过不断变换沉井井壁和刃脚深度的方法模拟沉井下沉的施工过程。重点对沉井下沉至不同深度时的沉井井壁和刃脚的应力、位移分布以及最大值进行分析。同时以弹性力学厚壁圆筒理论方法，求解沉井下沉至不同深度时的应力、应变解析解。最后由数值解和解析解综合分析得出沉井继续下沉施工能够满足混凝土设计强度。
　　 (2)沉井下沉过程中会存在突沉、难沉等问题。因而针对与井壁四周摩擦力紧密相关的土层摩擦系数进行敏感性分析。以研究土层摩擦系数对沉井下沉施工过程中的应力、变形影响。通过增大、减小土层摩擦系数进行计算发现，该工程中土层摩擦系数对沉井的应力、变形影响较小。
　　 (3)由于条件限制而采用传统自沉工法施工时，下沉垂直度难以控制，易发生脱空，安全控制难度很大。而沉井脱空一般伴生有倾斜现象，产生过大的倾斜，必然导致一侧土压力的急剧增大，甚至需要克服井壁侧面的被动土压力来纠偏，最后导致结构发生破坏。针对这一问题，通过模拟沉井不同方位脱空和不同深度脱空来研究沉井下沉至不同深度时脱空后的应力、变形状态。由计算结果发现，随着施工深度的增加，沉井自重增大，侧壁土压力增大，沉井受力状态愈复杂，脱空对沉井的受力状态、位移变形影响愈明显。特别是施工至第八节以后，脱空效应明显，拉应力最大值趋于混凝土设计强度极限，对沉井安全威胁越大。
　　 (4)沉井下部调压井系统的开挖和衬砌施工对围岩压力有着直接的影响，进而影响沉井的受力状态。故对调压井下部滑模现浇混凝土、阻抗孔、引水隧洞施工期进行数值模拟。研究沉井的受力状态可知，沉井下部调压井洞室系统的开挖和衬砌施工对沉井结构的应力、变形影响有限，整个施工过程中沉井结构安全。并且调压井下部调压井系统的衬砌本身能够满足混凝土设计强度。
　　 (5)通过改变井壁内、外水压力的大小来模拟调压井运行期和检修期不同水头高程下的运行工况。对比分析不同水头下调压井的应力、变形可知，该调压井在运行期和检修期是安全的。
　　 (6)通过对计算模型施加水平方向加速度的方法，对调压井进行拟静力分析。以此来研究调压井系统在地震荷载作用下的稳定性。由计算结果判断，在地震作用下该调压井结构将发生破坏。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 沉井有限元数值模拟的研究现状

1．3 调压并有限元数值模拟的研究现状

1．4 本课题研究的主要内容

2 调压井沉井数值模拟理论基础

2．1 土的弹塑性本构模型

2．1．1 弹塑性本构关系的一般形式

2．1．2 弹塑性本构关系的矩阵化

2．1．3 土体D-P屈服准则

2．2 接触单元类型及接触面本构模型

2．2．1 接触单元的类型

2．2．2 接触面本构模型

2．3 ANSYS软件介绍

3 调压井沉井三维有限元模型的建立及计算工况

3．1 工程概况

3．2 计算区域与坐标的选取

3．3 计算条件与单元网格划分

3．4 计算用材料参数

3．5 计算工况与载荷的施加方法

3．6 初始自重应力场

4 调压井沉井正常施工三维有限元数值模拟结果及其敏感性分析

4．1 沉井施工期三维有限元数值模拟结果

4．2 沉井施工过程不同阶段的应力解析解

4．2．1 弹性力学应力计算解析理论

4．2．2 沉井施工过程中底节沉井的应力解析计算

4．3 沉井施工过程地层摩阻力敏感性分析

4．3．1 地层摩擦系数为0.475时沉井施工三维数值模拟结果

4．3．2 地层摩擦系数为0.575时沉井施工三维数值模拟结果

5 调压井沉井施工期脱空三维有限元数值模拟分析

5．1 施工期上游贯通脱空工况

5．2 施工期右岸贯通脱空工况

5．3 施工期下游贯通脱空工况

5．4 施工期上游1/3脱空工况

5．5 施工期上游2/3脱空工况

5．6 沉井不同脱空工况之间的比较

6 调压井施工期与运行期三维有限元数值模拟分析

6．1 调压井下部施工期三维有限元数值模拟结果

6．2 调压井运行期最高涌波水位1564.24时数值模拟结果

6．3 调压井运行期最低涌波水位1517.07时数值模拟结果

6．4 调压井运行期运行水位1531.42时数值模拟结果

6．5 调压井引水系统检修期数值模拟结果

6．6 调压井运行期三维有限元拟静力数值模拟结果

7 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 不足与展望

致谢

参考文献

附录