圆形沉井隔墙对井壁应力影响分析

胡冬 张健

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司合肥分公司，安徽合肥 230031）

沉井技术是指将各种形状的井筒边排土边沉入地下，最后固定于地下形成地下建筑物的施工技术[1]。目前沉井设计计算主要采用的理论仍为库伦土压力[2]等经典理论，但存在着局限性；郝志强[3]经过实测发现，沉井土压力介于主动土压力和静止土压力之间；梁穑稼等[4]则基本假定推导出单一非黏性土沉井土压力和侧壁摩阻力的计算公式；施文龙[5]则采用有限元法对沉井基础进行了数值分析，发现刃脚区域内的隔墙及井壁出现了压应力的最大值。针对沉井井壁应力分布及隔墙作用进行理论分析计算，对沉井计算及工程实践有重要借鉴意义。

1 井壁应力分析

沉井结构进行设计时，首要在于对井壁受力条件进行分析，从而考虑沉井的下沉需求、稳定需求和抗浮要求。沉井使用时，主要考虑环向受力、纵向受力和底板受力，其中环向受力为核心分析、设计对象。对环向应力进行工程分析时，一般假定闭合环向受力均匀，井壁抵抗外力的能力相同。

1.1 土压力计算

沉井下沉稳定后，主要受到外侧土压力和水压力的作用，对沉井井壁土压力的认识主要基于对挡土墙土压力分布认识的经典朗肯土压力理论和库伦土压力理论。工程设计计算多采用朗肯主动土压力进行计算，假定底板为固定嵌固，取最不利环向按平面闭合框架进行计算。

中小型沉井一般设置支承点进行计算，取土时在刃脚区域保留部分土体作为支撑点，实现对跨中、支座的力矩平衡，从而计算井壁的应力分布，对于大型沉井这种计算方式有所欠缺，无论是无隔墙的中部大开挖还是有隔墙的分区小开挖，受力条件均有变化，需依据施工情况具体分析或采用数值模拟计算整体分析。

1.2 数值模拟计算

数值模拟计算是指替换掉原来的连续体结构而使用有限个单元体所构成的离散化结构来分析应力变形的一种分析方法。在模拟非线性、非均质和边界条件复杂的土体问题上应用广泛。对沉井井壁应力进行简化计算，可以满足工程设计要求，但对井壁应力分布情况却难以体现。采用三维有限元软件则可以很好的解决这个问题，通过midas 数值模拟计算，假定沉井底部为固定嵌固，对井壁周围施加土压力和水压力，控制单一变量为沉井隔墙，可以得出沉井井壁应力分布情况和沉井隔墙对应力分布产生的积极影响，为工程设计提供设计依据。

2 工程实例

沉井主要应用于市政工程，其隔墙的采用可以有效提升沉井刚度。本文以合肥市店埠河小流域综合治理工程的某泵房沉井设计为基础，采用midas 数值模拟软件对比计算分析了外直径31.0m、壁厚1.5m、隔墙厚度1.0/0.8m、深度27.6m 的圆形沉井井壁应力分布。该沉井采用排水下沉方案，且兼做顶管接收井。

拟建场地揭露地层自上而下依次为：①层杂填土-②层粉质黏土-③层粉质黏土与粉土互层-④粉质黏土夹粉土，现将各层地基岩土的岩性结构特征分别叙述如下：

第①层杂填土（Q42ml），灰褐色，松散～松软，湿，压缩性高。该层土以黏性土为主，表层含多量植物根茎，整层土含少量建筑垃圾及碎石。该层土物理力学性质较差。

第②层粉质黏土（Q42al），灰黄色，可塑，局部软塑，中等压缩性。干强度中等，韧性中等，摇震反应缓慢，切面稍有光泽。含少量铁锰结核，夹少量黏土。该层土物理力学性质较好。

第③层粉质黏土和粉土互层（Q41al），灰黄色～灰白色，可塑，局部软塑，湿，稍密～中密，中等压缩性。干强度低～中等，韧性低～中等，摇震反应较快，切面较粗糙，稍有光泽，含少量铁锰结核，云母碎屑。该层土粉质黏土和粉土在横向和竖向交替分布，粉质黏土偏多。该层土总体物理力学性质较好。

第④层粉质黏土夹粉土（Q41al），灰黄色，可塑，中密～密实，中等压缩性，含少量铁锰结核及云母碎屑。干强度及韧性中等，摇震反应较快，切面较粗糙，光泽差。该层土粉粒颗粒含量大，物理力学性质较好。

具体参数如下表1 所示。

表1 沉井土层信息

对比分析计算时依据设计成果，对隔墙和井壁以板单元进行模拟，将沉井底部进行嵌固处理，得出计算结果如图1、图2所示。由图中可以看出，井壁应力的分布符合工程特点，靠近底部区域由于土压力最大而承受弯矩最大，转角或隔墙所在位置由于支承作用而出现小区域的负向弯矩。具体分析，隔墙的增加导致沉井最大弯矩不断下降，且沉井井壁弯矩分布呈现均匀化趋势，表明隔墙对井壁应力分布改善作用明显，支撑有效。

总而言之：（一）圆形沉井最大弯矩位于沉井底部偏上位置，与设计有细微出入；（二）隔墙能有效改善沉井应力分布，以贯穿隔墙作用最为明显；（三）圆形沉井M-xx 与M-yy 弯矩分布与大小相当，在工程设计时可简化为圆环采用平面闭合框架计算，但结果偏保守。

图1 沉井井壁M-XX 弯矩随隔墙变化图

图2 沉井井壁M-YY 弯矩随隔墙变化图

3 隔墙对施工影响

沉井下沉助沉方法包括泥浆润滑套、空气幕沉井以及液压助力等，原理在于增加下沉力或降低摩擦力。但均需要取土作业，而大型沉井下沉为控制下沉形态，一般会对刃脚区域内侧的土体预留3-4 米以进行保护，导致靠近底部区域的井壁为受力薄弱点。

隔墙的采用一方面可以改善井壁应力分布，另一方面可以降低施工难度，尤其是在大型沉井中。若沉井无隔墙设置，土体开挖会是放射性的由内向外开挖，沉井中部出现“大圆坑”，靠近底部的井壁没有土体保护，承受的弯矩大，需要进行大厚度、大配筋操作；若沉井设置有隔墙，开挖过程会依据隔墙形成的舱室分仓进行，沉井中会形成一个个“小圆坑”，深度减小且施工更为方便，井壁由于隔墙的水平支承作用，计算跨度小，不会出现弯矩过大导致的破坏现象，而隔墙则由于临空现象成为了受力薄弱点。

4 结论

井壁受力分析计算时，传统方法具有普遍性和工程适用性，但过于简化，无法反映井壁应力变化情况；数值计算更为直观和清晰，可以看出沉井井壁应力的分布情况，为工程设计提供参考依据；对于沉井跨度大、侧向压力大的情况，增加隔墙既可以满足施工工艺要求，又可以有效改善沉井应力分布情况，为沉井的安全使用提供保障。