马鞍山长江公路大桥北锚碇沉井基础计算报告

马鞍山长江公路大桥北锚碇沉井基础不对称封底对沉井几何姿态影响

分析报告

2010年9月

目录

一封底概述 (1)

二空间有限元计算模型 (3)

（1）模型说明 (3)

（2）材料参数取值 (4)

（3）计算说明 (5)

三计算结果 (6)

（1）第一次封底混凝土浇筑完成 (6)

（2）第二次封底混凝土浇筑完成 (7)

（3）第三次封底混凝土浇筑完成 (9)

（4）第四次封底混凝土浇筑完成 (11)

（5）第五次封底混凝土浇筑完成 (13)

四结论 (15)

一封底概述

马鞍山长江公路大桥北锚沉井封底共分五次进行，先沿部分分区隔墙回填砂，使沉井内部形成封闭的五个个区域，封底浇筑顺序为：①-④-②-③-⑤。首先对区域①进行封底施工，然后对区域④进行封底施工，再对区域②进行吸砂清基浇筑封底混凝土，然后对③区域吸砂清基后进行混凝土浇筑。最后再施工⑤区域，封底混凝土浇筑到封底顶标高-28.5m。

图1-1分区封底混凝土施工顺序图

二空间有限元计算模型

（1）模型说明

采用Midas-GTS有限元软件，建立空间有限元模型对考虑结构-土体相互作用下的结构及土地受力和变形进行非线性仿真分析。

为尽可能真实地模拟该沉井结构及周围土体，采用全模型建模。如图2-1所示。模型总高度120m，长300m，宽260m，底部至中分化岩层。

模型中土体采用摩尔库仑本构模型，混凝土及钢材采用弹性材料，按规范赋予相应参数。对于地下水，根据实际情况，考虑施工过程中井内外水压的调整。

图2-1 北锚碇沉井基础整体有限元计算模型

图2-2 北锚碇沉井结构模型

（2）材料参数取值

模型中需要考虑混凝土、钢材及岩土三类材料，需考虑混凝土、钢材材料参数和锚碇所在区域岩土层的材料参数取值对结构分析结果的影响。混凝土按弹性计算，其中混凝土井壁以及水下混凝土均按C30混凝土赋予材料的弹性模量和泊松比等特性。钢壳沉井以及钢壳间横撑按照Q235钢材进行赋值。岩土层的参数取值主要依据设计方提供的详勘资料，对于详勘资料中没有提供的参数，结合本工程的实际情况，根据规范及经验取值。

北锚碇周围土层计算时采用的厚度按照详勘资料中提供的各土层层顶标高，取其平均值确定，各物理参数依据地勘资料进行了相应修正。具体数据见表2-1。

表2-1 北锚碇地基各土层厚度及参数取值

（*沉井顶面标高+4.5m）

（3）计算说明

本模拟计算主要目的是掌握沉井结构在不对称封底情况下的几何姿态以及结构应力状况，为了更加准确的把握因不对称封底而造成的沉井结构几何姿态变化规律，在本次模拟分析中，在沉井下沉到位后、第一次封底混凝土之前添加一个工况，即将整个模型的位移清零，保留结构应力，继而可以较为清晰地得出后续的五个阶段水下封底混凝土施工对沉井的几何空间姿态的影响。

三计算结果

本模拟计算主要分析不对称封底而造成的沉井结构几何姿态变化规律，在第一次及第三次水下混凝土浇筑完成后，由于沉井结构的不对称性，沉井会出现偏位及不均匀下沉现象，但是当第二次、第四次以及第五次水下封底混凝土浇筑后，伴随着结构的对称，沉井的偏位及不均匀下沉现象也随即消除，最终达到一个平衡状态，沉井几何姿态也恢复到较为理想的状态。如下为水下封底混凝土浇筑完成后沉井结构的几何姿态情况。

（1）第一次封底混凝土浇筑完成

从计算结果来看，沉井结构的x方向（模型坐标系中，x方向与桥中轴线平行，y方向与桥轴向垂直，z为重力方向坐标轴，下同）顶部偏位最大为-3.2mm，底部偏位最大约1mm，顶底部偏位方向相反，即相对偏位约为

4.2mm。受浇筑区域的影响，y方向的偏位比x方向略大，其顶部为4.6mm，

底部为-1.3mm，相对偏位最大为5.9mm。z方向会引起沉井的不均匀下沉，其水下混凝土浇筑区域下沉约10mm，其对角线区域上抬约1.2mm。

图3-1 第一次封底混凝土浇筑后沉井沿x方向的变形

图3-2 第一次封底混凝土浇筑后沉井沿y方向的变形

图3-3 第一次封底混凝土浇筑后沉井沿z方向的变形

（2）第二次封底混凝土浇筑完成

从计算结果分析可知，在平面位置（x、y方向）沉井结构会因为一、四区封底混凝土浇筑产生些许变形，但是其值很小，约1mm。在竖直方向，由于二、

三区域的封底混凝土尚未浇筑，故整个结构的沉降量有所差异，其中一、四区域

沉降量略大，约9mm，二、三区域约6mm。

图3-4 第二次封底混凝土浇筑后沉井沿x方向的变形

图3-5 第二次封底混凝土浇筑后沉井沿y方向的变形

图3-6 第二次封底混凝土浇筑后沉井沿z方向的变形

（3）第三次封底混凝土浇筑完成

从计算结果来看，沉井结构的x方向顶部偏位最大为4.4mm，底部偏位最大约-1.4mm，顶底部偏位方向相反，即相对偏位约为5.8mm。受浇筑区域的影响，此工况下y方向的偏位比x方向略小，其顶部为3mm，底部为-1mm，相对偏位最大为4mm。z方向会引起沉井的不均匀下沉，其水下混凝土浇筑区域下沉约

16mm，其对角线区域下沉约4.4mm。

图3-7 第三次封底混凝土浇筑后沉井沿x方向的变形

图3-8 第三次封底混凝土浇筑后沉井沿y方向的变形

图3-9 第三次封底混凝土浇筑后沉井沿z方向的变形

（4）第四次封底混凝土浇筑完成

从计算结果分析可知，当第三区封底混凝土建筑完成之后，整个沉井结构完全对称，无论是在平面偏位还是竖直向的沉降差异量都基本消除。平面偏位很小，竖

向沉降值约15mm。

图3-11 第四次封底混凝土浇筑后沉井沿y方向的变形