沉井施工中井壁—土体接触面力学特性分析

赵鑫 杨雪 宋立伟

摘 要：为了更好了解于沉井下沉施工中井壁与土体间相互作用机理，利用三维拉格朗日有限差分软件—FLAC3D，对沉井下沉施工进行数值模拟，通过在井壁与土体间设定接触面的方法研究井壁与土体的接触状态及其应力应变规律。模拟结果表明：沉井下沉過程中井壁上部受拉下部受压，整体呈现一定的上浮趋势，但结果可以接受;接触面受法向应力影响较大，剪切影响较小，但不影响沉井施工。

关键词：井壁;接触面;FLAC3D;数值模拟

目前，国内外学者对于大型沉井以及岩土特性进行了大量的分析模拟和研究[ 1-4]，但对于在深厚淤泥层这类软土地基上进行工程施工模拟的分析较少。沉井作为许多非开挖项目的重要组成部分，在整过施工过程中对周边环境的保护要求、技术要求、质量要求都很高，如何保证沉井安全施工已成为岩土工程主要问题之一。沉井下沉施工是一个动态过程，需要进行大量的探索研究，其中数值模拟方法作为研究方法之一，具有成本低，灵活性大，数据处理方便等优点。FLAC3D软件是岩土工程中应用较为广泛的数值模拟软件，其含有的接触面单元可以很好的模拟井壁与土体间的相互作用。鉴此，本文运用FLAC3D软件，通过设置接触面的方法来分析井壁与土体间的作用状态及力学特性。

一、建立数值模拟模型

（一）工程背景

本项目场地位于温州市某区，拟建工程主要由电力隧道、顶管工作井和接收井组成。本文以工作井为研究对象。工作井为混凝土现场浇筑。沉井施工时主要涉及的土层为：①2 黏土、②1 淤泥夹砂、②2 夹砂淤泥、②3 淤泥。沉井封底时，刃脚处于②3 淤泥层中，各层土的物理力学参数见表 1。该工作井位于农田内，外井壁西北侧距离庙宇围墙 13.7m（砖砌结构），距离主殿 25m（砖砌结构），井外壁东侧距离临近高压塔 16.87m。

（二）数值模拟模型

FLAC3D数值模拟采用的是混合离散法来模拟材料的屈服或塑形流动特性，这种方法比有限元方法中通常采用的降阶积分更为合理[5]。在构建几何模型时，采用了软件中的Cylinder、Radcylinder、Schell和Brick基本网格模型;在构建本构模型时，土体采用Mohr-Coulomb模型、基坑运用Null模型、沉井采用单Elastic模型，构建出的模型实体如图1所示。

沉井下沉完成后在井壁与土体间设置接触面元（见图2），INRTERFACE单元在FLACED中是一种很特殊的单元，常被物体间的接触面、两种不同性质区域的接触界。

二、井壁与土体间接触面模拟结果分析

对沉井下沉过程进行数值模拟，从图3、图4模拟结果表明，沉井下沉后顶部井壁受拉，底部受压;井底土体出现隆起，整个沉井出现上浮情况。

由图5、图6可知沉井下沉后井壁与土体间发生相互作用，接触面发生了力的传递，致使井壁与土体发生相互滑动与分离，分离部位较少且接近井口处，与之前模拟的顶部井壁受拉结果相符，图九绿色部位显示分离区。

由图7～图8可知，沉井根部的接触面受到了较大的压应力，产生了一定的法向位移;虽然接触面受到剪切应力的作用，但仅在井壁底部少数位置产生剪切变形，井壁整体受剪切影响较小。

三、 结语

运用FLAC3D软件对沉井下沉施工进行模拟，可以更加深入的分析井壁与土体之间的相互作用，创建的INTERFAC接触面单元可以更加直观的了解井壁与土体间的滑移与分离，其操作也更为便捷。本次模拟结果表明：沉井下沉过程中井壁上部受拉下部受压，整体呈现一定的上浮趋势，但结果可以接受;接触面受法向应力影响较大，剪切影响较小，但不影响沉井施工。

参考文献：

[1] 刘鹏. 瓯江北支盾构穿越沉井施工数值模拟研究[J]. 科技信息， 2014（06）： 212-213.

[2] 刘波， 韩彦辉. FLAC原理、实例与应用指南[M]. 北京： 人民交通出版社， 2005.