地下連續墻成槽施工引起土體位移的三維數值分析

劉 峰

(上海現代建筑設計(集團)有限公司技術中心，上海 200041)

地下連續墻成槽施工引起土體位移的三維數值分析

劉 峰

(上海現代建筑設計(集團)有限公司技術中心，上海 200041)

采用三維有限元法模擬了地下連續墻單個槽段的成槽施工，研究了泥漿比重、成槽寬度、成槽深度、及成槽厚度對槽壁水平位移及地表沉降的影響。結果表明:槽壁的水平位移和地表沉降對泥漿比重和成槽寬度的變化較為敏感;當成槽深度增加到一定程度后，再增加成槽深度，對槽壁最大水平位移和最大地表沉降的影響很小;成槽厚度的變化對槽壁的水平位移和地表沉降的影響較小。

地下連續墻;成槽施工;數值分析;修正劍橋模型

1 引言

在城市建設中，常需在建(構)筑物密集的區域進行基坑開挖，隨著基坑規模的擴大及周邊環境保護要求的提高，基坑工程對周邊環境的影響問題日益突出。由于地下連續墻具有剛度大、整體性好、基坑開挖過程中安全性高、支護結構變形小等［1］優點，在周邊環境復雜、環境保護要求高的基坑工程中得到了廣泛應用。然而，人們在工程實踐中發現，雖然采用地下連續墻的基坑工程在土方開挖階段對周邊環境的影響較小，但在連續墻成槽施工階段會引起不可忽視的土體側移與地表沉降。

地下連續墻成槽挖土會引起土體的應力釋放，破壞天然土體的應力平衡。通常，成槽施工是在泥漿護壁的條件下進行的，由于護壁泥漿作用在槽壁上的力小于靜止土壓力，周圍土體會向槽內產生側移、并引發地表沉降，國內外學者已對該問題做了大量的研究工作。Cowland和Thorley［2］的研究表明，地下連續墻成槽開挖至主體開挖之前的總變形量可達主體開挖總變形量的40% ～50%。Poh和Wong［3］通過現場試驗較系統的研究了泥漿護壁時間、泥漿壓力、混凝土澆筑等因素對槽段周圍土體側移和地表沉降的影響。歐章煜［4］發現臺北捷運工程中單一槽段施工引起的最大地表沉降約為0.05%的成槽深度，沉降影響范圍約為1.0倍的成槽深度，整個連續墻施工完成后引起的地表最大沉降量達到0.13%的成槽深度。丁勇春等［5］利用三維有限差分法，模擬了地下連續墻成槽開挖及混凝土澆筑施工全過程，但其模擬土體時采用了摩爾庫倫模型，該模型壓縮和卸載模量相同，不適用于土體卸載的模擬，有一定局限性。本文嘗試采用有限元軟件Abaqus模擬地下連續墻的成槽施工，分析泥漿比重、成槽寬度、成槽深度、及成槽厚度對槽壁土體水平位移及地表沉降的影響。

2 計算模型的建立

建立數值分析模型時，主要考慮了以下問題:

(a)本構模型的選擇

因地墻成槽與基坑開挖有類似之處，本文參考基坑開挖的研究工作，砂性土的本構關系采用摩爾庫倫模型(MC)，粘性土采用修正劍橋(MCC)模型。

(b)邊界條件

由文獻［2］、［3］可知，在兩倍的成槽深度范圍以外，沉降受成槽施工的影響很小，因此，本文模型的側向邊界和下邊界均延伸至兩倍的成槽深度之外。模型側面約束水平位移，底面固定，表面自由。

(c)網格的劃分

在可能出現應力集中、位移可能變化較大的區域，適當加密網格。同時，網格形狀盡量規則，避免出形狀不好的單元，影響計算的收斂和結果精度。

(d)初始地應力場的模擬。天然土體在重力作用下，已經有初始應力、應變存在，因此，在進行成槽模擬前，先進行初始應力場的模擬。

綜合考慮以上因素，基于上海某地下車庫工程項目，采用通用有限元軟件Abaqus建立了三維模型，如圖1所示。土體單元類型為C3D8。建模時為方便起見將第①層和第②層土合并為一層，土體除第⑦層和第⑨層外其他各層土的本構關系都采用修正劍橋模型，第⑦層和第⑨層土的本構關系采用摩爾庫倫模型。土體參數參考文獻［6］并結合工程實際情況選取，如表1所示。

單個槽段的成槽模擬共分兩個分析步:

step1:平衡地應力場;

step2:泥漿護壁下的成槽開挖;在模型中部開挖槽段，假定每個槽段一次全部挖完，土體開挖后立即在側面和底面施加比重γ=1.05～1.20的泥漿壓力，這點與基坑開挖的模擬有所不同，模擬基坑開挖時加撐與挖土并不是在同一步完成的。泥漿壓力分布如圖2所示，假定泥漿液面與地面齊平。

圖1 三維有限元模型

圖2 泥漿壓力分布

3 結果分析

模擬分析了泥漿比重γ、成槽寬度b、成槽深度d、及成槽厚度a對槽壁土體水平位移及地表沉降的影響。槽段示意見圖3。

圖3 槽段示意圖

表1 土層參數

3.1 泥漿比重對槽壁水平位移與地表沉降的影響

取成槽厚度a=0.8m、成槽寬度b=6m，成槽深度 d=20m，計算了泥漿比重 γ 分別為 1.05、1.10、1.15、1.20時的情況。沿槽深度方向(圖3中虛線CD所示，以下同)槽壁的水平位移計算結果如圖4所示，垂直槽段長邊方向(圖3中虛線AB所示，以下同)的地表沉降計算結果如圖5所示。最大水平位移和最大沉降如表2所示。

表2 不同泥漿比重對應的最大水平位移和最大沉降

由圖4、圖5和表2可知，槽壁的水平位移和地表沉降隨著泥漿比重的增加而減小，當泥漿比重從1.05變為1.20時，槽壁的最大水平位移減小了約57.9%，最大地表沉降減小了約38.4%，槽壁的水平位移和地表沉降對泥漿比重的變化較為敏感。因此實際工程中可通過提高泥漿比重來顯著地降低連續墻成槽施工對周邊環境的影響。另外，最大水平位移的發生位置均在地表以下13m左右，這應該是由于第四層土強度較低的緣故。

3.2 成槽寬度對槽壁水平位移與地表沉降的影響

取成槽厚度a=0.8m、成槽深度 d=20m，泥漿比重 γ=1.20，計算了成槽寬度分別為 4m、6m、8m時的情況。沿槽深度方向槽壁的水平位移計算結果如圖6所示，垂直槽段長邊方向的地表沉降計算結果如圖7所示。最大水平位移和最大沉降如表3所示。

表3 不同成槽寬度對應的最大水平位移和最大沉降

由圖6、圖7可知，槽壁的水平位移和地表沉降均隨著成槽寬度的增加而增加。由表3可知，當成槽寬度由4m變為8m時，槽壁的最大水平位移增加了約73%，最大地表沉降增加了約194%，槽壁的水平位移和地表沉降對成槽寬度的變化較為敏感。因此實際工程中可通過減小成槽寬度來顯著地降低連續墻成槽施工對周邊環境的影響。

3.3 成槽深度對槽壁水平位移與地表沉降的影響

取成槽厚度a=0.8m、成槽寬度b=6m，泥漿比重γ=1.20，計算了成槽深度分別為 10m、15m、20m、30m、40m時的情況。沿槽深度方向槽壁的水平位移計算結果如圖8所示，垂直槽段長邊方向的地表沉降計算結果如圖9所示。最大水平位移和最大沉降如表4所示。

表4 不同成槽深度對應的最大水平位移和最大沉降

由圖8、圖9和表4可知，槽壁的水平位移和地表沉降隨著成槽深度的增加而增加，但當成槽深度增加到一定程度后，最大水平位移和最大地表沉降的增幅很小，如成槽深度從30m增加到40m，最大水平位移僅增加了約0.24%，最大地表沉降增加了0.20%。

3.4 成槽厚度對槽壁水平位移與地表沉降的影響

取成槽寬度b=6m、成槽深度d=20m，泥漿比重 γ =1.20，計算了成槽厚度分別為 0.6m、0.8m、1.0m、1.2m時的情況。沿槽深度方向槽壁的水平位移計算結果如圖10所示，垂直槽段長邊方向的地表沉降計算結果如圖11所示。

由圖10、圖11可知，成槽厚度變化時，槽壁的水平位移和地表沉降變化較小。

4 結論

通過對地下連續墻成槽施工的模擬，主要得到了以下結論:

(1)槽壁的水平位移和地表沉降對泥漿比重的變化較為敏感。實際工程中可通過提高泥漿比重來顯著地降低連續墻成槽施工對周邊環境的影響;槽壁最大水平位移發生在開挖土體深度范圍內強度較低的土層。

(2)槽壁的水平位移和地表沉降對成槽寬度的變化較為敏感。實際工程中可通過減小成槽寬度來顯著地降低連續墻成槽施工對周邊環境的影響。

(3)當成槽深度增加到一定程度后，再增加成槽深度，對槽壁最大水平位移和最大地表沉降的影響很小。

(4)成槽厚度的變化對槽壁的水平位移和地表沉降影響較小。致謝

在本文的寫作過程中，得到了黃紹銘、岳建勇、劉陜南、侯勝男、王笑等同志的指導與幫助，作者在此表示衷心的感謝。

［1］劉國彬，王衛東.基坑工程手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2］ Cowland J.W.，and Thorley C.B.B..Ground and building settlement associated with adjacentslurry trench excavation［C］.Proceedings of the Third International Conference on GroundMovements and Structures，University of Wales Institute of Science and Technology，GeddesJ.D.，ed.，Pentech Press，London，England，1985，pp.723-738.

［3］ POH T.Y.，WONG I.H..Effects of construction of diaphragm wall panels on adjacent ground:field trial［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，1998，124(8):745-756.

［4］歐章煜，深開挖工程分析設計理論與實務［M］.臺北:科技圖書股份有限公司，2004.

［5］丁勇春，王建華，褚衍標，錢玉林.地下連續墻施工力學機理三維數值分析［J］.巖土力學，2007，28(8):1757-1761.

［6］徐中華.上海地區支護結構與主體地下結構相結合的深基坑變形形狀研究［D］.上海:上海交通大學，2007.

Three-dimensional Numerical Analysis of Soil Displacement Caused by a Diaphragm Wall Trenching Construction

Liu Feng

(Shanghai Xiandai Architectural Design(Group)Co.，Ltd.，Shanghai200041，China)

The trenching construction of a single diaphragm wall is simulated using the three-dimensional finite element method.The influences on the soil lateral movements and surface settlements of the factors，including the slurry pressure，the depth，width，and thickness of the wall are studied.It has been found that the soil lateral movements and surface settlements are sensitive to the slurry pressure and the width of the diaphragm wall，while the influence of the thickness of the wall is smaller.The results also show that when the depth of the wall is biger than a certain value，and the variation of the depth of the wall has little effect on the maximum soil lateral movement and surface settlement.

Diaphragm Wall;Trenching Construction;Numerical Analysis;Modified Cam-clay Model

TU476.3

A

1674－7461(2011)01－0001－05

劉峰(1983－)，男，工學碩士，助理工程師。主要從事地基基礎與地下空間工程的設計與研究工作。E-mail:Feng_Liu@xd-ad.com.cn