不同壁厚圆形沉井受力分析

４ 使用阶段井壁及底板优化
图 ５ 工况 ２ 下沉井受力分布( 单位:ｋＰａ)
场拼装、挖土下沉、内腔灌注混凝土、封底和设备安
３ 施工阶段井壁优化
在沉井中如何控制钢筋和混凝土的用量ꎬ是控
制沉井经济性的一项关键要素. 因此ꎬ在保证沉井
安全的前提下ꎬ应当使其受力性能尽可能得到充分
发挥
[９]
沉井的施工包括降水、部品预制、构件运输、现
２ 为运营阶段工况ꎬ此时地下水位恢复ꎬ沉井受到
周围水压力、土压力、沉井内部结构自重的作用以
及底板水浮力的作用.
根据土质情况ꎬ计算沉井所受土压力大小ꎬ按
照最不利荷载施加ꎬ刃脚段按照静止土压力大小施
加ꎬ标准段按照主动土压力施加. 其中ꎬ刃脚段高
根据 Ｃ３０ 混凝土定义材料的弹性模量、泊松比、密
１.８ ｍꎬ标准段高 １６. ６ ｍꎬ 沉井按照设计基础埋深
１０

工况 ２ 下底板所受上部荷载为
Ｐ＝
利用有限元软件 Ａｎｓｙｓ 建立了不同井壁厚度下的圆
１４ ０２０
＝ ５１.６ ｋＰａ.
９.３ × ９.３π
形沉井有限元仿真模型ꎬ各模型径向位移、径向应力
和环向应力对比分析如表 ２ 所示.
５７.７１
５１.２５
６２.５７
１３６.００
工况 ２ 水压力
/ ｋＰａ
１２.７４
５１.９４
９８.９８
１３６.２２
１６０.７２
１７５.４２
１７５.４２
１９３.０６
兰 州 工 业 学 院 学 报 第 ２８ 卷
应力 / ＭＰａ
应力 / ＭＰａ
应力 / ＭＰａ
应力 / ＭＰａ
应力 / ＭＰａ
应力 / ＭＰａ
１.７
０.６９３
１.３４４
４.２５
１.１７０
２.４６
１.１７０
３.８５
１.９２
１.８
１.６
０.６９１
０.６９４
１.０８５
１.６５８
３.９０
４.６７
０.９５３
１.４２０
同时ꎬ在井壁厚度小于 １.０ ｍ 的情况下ꎬ底板
１１

环向应力对比分析如图 ６ ~ ７ 和表 ３ 所示.
( ａ) 径向应力
( ａ) 径向位移
( ｂ) 竖向位移
( ｂ) 环向应力
图 ６ 圆形沉井位移云图( 单位:ｍ)
由表 ３ 可知:径向应力最大值出现在底板位
文献标志码:Ａ
随着社会经济的发展ꎬ机动车已经走进千家万
户ꎬ停车难问题愈发严重ꎬ沉井停车库是很好的选
择 [１] .沉井的施工方法是先制作井壁ꎬ然后依靠其
自重ꎬ通过取土下沉的方式达到设计标高后进行底
板施工ꎬ再进行井内结构和顶板的施工 [２] . 如今沉
井施工在我国应用广泛 [３￣７] ꎬ施工技术成熟.通过对
.对于沉井设计而言ꎬ井壁厚是根据沉井下
装 ８ 个施工流程.在使用阶段ꎬ地下水位恢复ꎬ沉井
受到周围水压力、土压力、井内结构自重的作用以
及底板水浮力的作用.
根据沉井实际受力情况ꎬ利用有限元软件 Ａｎ￣
ｓｙｓ 建立了井壁厚度为 １. ０ ｍ 和底板厚度分别为
. 本项目根
１.６、１.７、１.８ ｍ 时的圆形沉井有限元仿真模型ꎬ进
由表 ４ 可知:当井壁厚度为 ０.８ ｍ 时ꎬ径向应
向最大位移、径向最大压应力和环向最大压应力主
要发生在刃脚处. 井壁未产生拉应力ꎬ各向压应力
均满足规范要求. 在施工阶段中ꎬ圆形井壁不受径
向拉应力和环向拉应力ꎻ井壁径向压应力随井壁厚
度的减小而减小ꎻ井壁径向位移和环向压应力均随
井壁厚度的减小而增大ꎻ井壁厚度在 ０.４ ~ １.０ ｍ 范
围内ꎬ位移和压应力均满足规范要求.
１.２ 沉井结构设计
生改变ꎬ沉井的尺寸需要优化. 本项目圆塔停车库
米高标准节 ＋ ０.２ ｍ 高顶板. 单井 １０ 块刃脚ꎬ４０ 块
埋深方面的不同ꎬ沉井所受到的水、土压力都会发
基础埋深在 ２６ ｍꎬ可直接用粗砂层作为基础持力
层ꎬ基础形式建议采用筏板基础. 此处的土质从上
至下依次为素填土、粉质黏土、粉质黏土层夹层细
分界面上
１６.８１
５４.５０
１２７.６８
１１７.４４
１０１.０４
１１８.６１
２４１.２５
２６２.３１
分界面下
—
８０.１３
９３.４４
８８.１６
１０９.９８
２４１.２５
工况 ２ 土压力 / ｋＰａ
分界面上
９.３０
２３.９１
６２.７４
６８.２７
５７.４８
６６.８６
１３６.００
１４６.４７
分界面下
—
４６.０６
砂、细砂层夹层和中砂ꎬ地下水位距离地面 ６.３ ｍꎬ
详细地质剖面如图 １ 所示.
收稿日期: ２０２０￣１０￣１０
作者简介: 郭 华(１９９６￣) ꎬ男ꎬ山西应县人ꎬ硕士生.
沉井分为 ９ 节ꎬ１ 节 １.８ ｍ 高刃脚 ＋ ８ 节 ２.０５ ｍ
标准节ꎬ刃脚单块重约 ３０ ｔꎬ标准节单块重约 １４ ｔ.
置ꎬ竖向应力最大值出现在井壁位置ꎻ当井壁厚度
为 １.０ ｍ 时ꎬ沉井整体结构位移和应力均随底板厚
度减小而增大ꎻ当底板厚度为 １.６ ｍ 时ꎬ其竖向拉
应力为 ２.０７ ＭＰａꎬ主要位于井壁和底板相交处外
侧ꎬ大于 Ｃ３０ 混凝土抗拉强度标准值 ２.０１ ＭＰａꎬ不
满足规范要求ꎻ当底板厚度为 １.７ ｍ 和 １.８ ｍ 时ꎬ其
不同厚度井壁的应力分析ꎬ可以为沉井的优化提供
可靠依据.
１ 沉井模型的建立
１.１ 工程概况
本项目为圆塔停车库ꎬ位于咸宁市嘉鱼县潘湾
武汉新港工业园内.该项目占地面积约为 ５９ ９３６.６
ｍ ２ ꎬ总建筑面积 ７０ ５８２.４６ ｍ ２ . 本项目停车库位于
图 １ 车库地质剖面
地下 １９.４ ｍꎬ建议基础埋深 ２６ ｍ.由于地质条件和
通过 Ｘ、Ｙ 轴对称复制ꎬ形成圆形沉井整体有限元
如表 １ 所示.
度.通过映射方式将几何模型划分成有限元模型ꎬ
２６ ｍ计算.计算方法采用朗肯土压力理论计算 [８] ꎬ
表 １ 各工况土压力
位置
标准段
刃脚段
埋深
/ｍ
７.６
１１.６
１６.４
２０.２
２２.７
２４.２
２４.２
２６.０
工况 １ 土压力 / ｋＰａ
拉应力均满足规范要求ꎬ在厚度优化条件下ꎬ底板
最小厚度为 １.７ ｍ.
( ｃ) 竖向应力
图 ７ 圆形沉井应力云图( 单位:Ｐａ)
表 ３ 井壁厚度为 １.０ ｍ 时圆形沉井位移和应力计算结果
底板厚度
井壁径向
底板竖向
底板径向压
底板径向拉
底板环向压
底板环向拉
井壁竖向压
井壁竖向拉
/ｍ
位移 / ｍｍ
位移 / ｍｍ
厚度在 １.６ ~ １.８ 倍范围内均不满足规范要求.井壁
２.３４
０.９５３
２.７８
１.４２０
３.６４
４.１１
１.７８
２.０７
厚度为 ０.８ ｍ 时ꎬ不同底板厚度的位移和应力计算
结果如表 ４ 所示.
表 ４ 井壁厚度为 ０.８ ｍ 时圆形沉井位移和应力计算结果
底板厚度
井壁径向
底板竖向
底板径向压
底板径向拉
顶板用 Ｃ３０ 自密实混凝土ꎬ设计抗渗等级 Ｐ６ꎬ活载
标准值为 ４.０ ｋＮ / ｍ ２ ꎻ侧壁内腔采用 Ｃ３０ 微膨胀混
凝土ꎬ设计抗渗等级 Ｐ８ꎻ底板采用 Ｃ３０ 混凝土ꎬ设
计抗渗等级 Ｐ８ꎻ侧壁预制块采用 Ｃ３５ 混凝土ꎬ设计
第 １ 期 郭 华等:不同壁厚圆形沉井受力分析
５.２１
６.４２
２.２６
３.０３
３.７３
４.６８
２.２６
３.０３
ห้องสมุดไป่ตู้
６.２２
６.９７
３.３９
３.９４
兰 州 工 业 学 院 学 报 第 ２８ 卷
１２

底板环向压
底板环向拉
井壁竖向压
井壁竖向拉
/ｍ
位移 / ｍｍ
位移 / ｍｍ
应力 / ＭＰａ
应力 / ＭＰａ
应力 / ＭＰａ
应力 / ＭＰａ
应力 / ＭＰａ
应力 / ＭＰａ
１.３６
０.９０８
３.４３２
５.７６
２.６１
４.１７
２.６１
６.５８
３.６５
１.４４
１.２８
０.９０８
０.９０９
２.８７９
４.１１０
不同壁厚圆形沉井受力分析
郭 华ꎬ刘世忠
( 兰州交通大学 土木工程学院ꎬ甘肃 兰州 ７３００７０)
摘要:为了使沉井施工方案更加合理ꎬ对某圆塔停车库进行不同井壁厚和底板厚的受力分析.通
过 Ａｎｓｙｓ 有限元软件建模ꎬ对不同厚度井壁进行多工况的位移和应力分析. 结果表明:圆形井壁
在施工阶段不受径向拉应力和环向拉应力ꎬ井壁径向压应力随井壁厚度的减小而减小ꎻ圆形井壁
位置ꎬ沉井侧壁仅受到土压力且土压力最大ꎻ工况
１.３ 沉井结构模型建立
地下沉井车库采用 Ｓｏｌｉｄ６５ 单元进行有限元建
模.根据图纸分别确定圆形沉井底板半径、厚度、侧
壁斜率及集水槽位置等ꎬ建立底板 １ / ４ 实体模型ꎬ
通过拉伸、实体分割、工作平面分割、减运算等一系
列操作进行几何模型建模.单元属性选择 Ｓｏｌｉｄ６５ꎬ
沉井排开水的体积确定ꎬ沿底板底面竖直向上.
２ 荷载计算
沉井在施工过程中ꎬ因降水施工ꎬ结构仅受到
土压力的作用. 在运营过程中ꎬ结构会受到周围水
压力、土压力、沉井内部结构自重的作用以及底板
水浮力的作用ꎬ所以荷载计算分为 ２ 个工况:工况
１ 为施工阶段最不利工况ꎬ此时沉井刚下沉到设计
图 ２ 沉井竖向剖面( 单位:ｍｍ)
工况 ２ 下底板水浮力为
表 ２ 不同井壁厚度下圆形井壁位移和应力
Ｆ ＝ ｒｈ ＝ ９.８ × １９.７ ＝ １９３.０６ ｋＰａꎬ
式中:ｒ 为水的容重ꎬ９.８ ｋＮ / ｍ ３ ꎻｈ 为底板地下水位
高度差值.
综上ꎬ工况 １ 下ꎬ沉井侧壁所受的土压力如图
厚度
高度
/ｍ
/ｍ
１.０
４ 所示.
０.０７６
９.２
０.５１５
０.１４６
１.８４０
４.６
１８.４
０
４.６
１８.４
０
４.６
９.２
１３.８
１８.４
０
４.６
９.２
图 ４ 工况 １ 下沉井侧壁受力分布( 单位:ｋＰａ)
工况 ２ 下沉井受力分布如图 ５ 所示.
/ ＭＰａ
０.０４４
１３.８
０.４
/ ＭＰａ
环向压应力
０.０９８
９.２
０.６
/ ｍｍ
径向压应力
径向位移和环向压应力均随井壁厚度的减小而增大ꎻ沉井不同壁厚对底板厚度的要求也不同ꎬ当
壁厚一定时ꎬ沉井整体结构位移和应力均随底板厚度减小而增大ꎻ在满足规范要求条件下ꎬ圆形
沉井井壁厚度 １.０ ｍ、井底厚度 １.７ ｍ 为最优厚度.可为沉井的优化提供理论依据.
关键词:圆形沉井ꎻ有限元模拟ꎻ沉井优化
中图分类号:ＴＵ９２６
０.０１４
０.０５２
０.０７１
０.１４９
０.２２６
０.００８
０.０２３
０.０５１
０.１３０
０.１６９
０.６６３
２.４３０
４.７８０
０.０１４
０.１８４
３.１５０
４.６３０
６.１２０
０.０２８
１.３００
４.２４０
５.２２０
８.１６０
０.０７３
２.１００
４.８５０
８.９６０
１１.７００
由表 ２ 可知:在侧壁土压力的作用下ꎬ井壁径
９

抗渗等级 Ｐ８ꎻ内部停车架采用 Ｃ３０ 混凝土.具体尺
寸如图 ２ 所示.
模型ꎬ如图 ３ 所示.
图 ３ 圆形井壁有限元模型
荷载分别为自重和地下水浮力ꎬ自重通过定义
自由加速度施加ꎬ方向竖直向下ꎻ地下水浮力根据
第 ２８ 卷 第 １ 期
兰州工业学院学报
２０２１ 年 ２ 月
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ.２８ Ｎｏ １
Ｆｅｂ.２０２１

文章编号:１００９－２２６９(２０２１)０１－０００８－０４
０.８、１.０ ｍ 时进行了有限元应力及位移比较分析.
厚度.各模型最大径向位移、最大径向应力和最大
沉、抗浮、受力和适用性等要求确定
[１０]
据实际情况ꎬ对圆形沉井井壁厚度分别为 ０.４、０.６、
行有限元应力及位移比较分析ꎬ得出最优化的底板
第 １ 期 郭 华等:不同壁厚圆形沉井受力分析
０
１３.８
０.８
径向位移
１３.８
１８.４
０.１７２
０.８５８
１.５４４
０.０８５
０.２２１
０.６６４
１.１０７
１.９９３
０.１１８
０.３０１
０.９０３
１.８０７
２.７１０
０.３７６
０.８６５
１.２９８
２.５９６
３.８９３
０.１１５
０.１８５
０.２５６
０.００８
０.０１９
０.０９０
０.１６１
０.２３２