深基坑格形地連墻支護結(jié)構(gòu)變形與土壓力研究

王　飛，劉亞文，蘇靜波，馮　斌，賈　順，梁進軍

(1.解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京　210007；2．河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京　210098；3.南京重大路橋建設指揮部，江蘇 南京　210000)

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深基坑格形地連墻支護結(jié)構(gòu)變形與土壓力研究

王飛1，劉亞文1，蘇靜波2，馮斌3，賈順3，梁進軍1

(1.解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京210007；2．河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京210098；3.南京重大路橋建設指揮部，江蘇 南京210000)

摘要：為了對格形地連墻的受力和變形特征進行系統(tǒng)研究，針對南京某基坑工程的格形地連墻支護結(jié)構(gòu)，建立有限元分析模型，其中巖土材料采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型；通過數(shù)值模擬研究分步開挖時此類基坑的變形和土壓力分布規(guī)律，并與實測數(shù)據(jù)和朗肯土壓力進行對比；最后分析后墻及隔墻深度、后墻寬度、前墻厚度和內(nèi)坑加固等因素的影響。分析表明：格形地連墻的側(cè)向變形類似于懸臂梁變形，最大側(cè)向變形位于墻頂，這一變形形態(tài)與常見多道支撐支護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律存在差異，且前墻厚度和內(nèi)坑被動區(qū)加固對此類支護結(jié)構(gòu)性狀的影響比較顯著。

關(guān)鍵詞：深基坑；格形地連墻；有限元分析；變形；土壓力

0引言

隨著對地下結(jié)構(gòu)功能要求越來越高，常用的支護結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足這些基坑工程的要求，近些年格形地連墻作為一種新型支護結(jié)構(gòu)開始應用到基坑工程中。格形地下連續(xù)墻，簡稱格形地連墻，由前墻、后墻和隔墻組成，隔墻連接前、后墻構(gòu)成的格形結(jié)構(gòu)，和其區(qū)間土體形成半重力式結(jié)構(gòu)，作為基坑支護結(jié)構(gòu)時集擋土、止水和承重三效合一，同時其兼有地下連續(xù)墻剛度大、抗?jié)B性能好、可以更好地限制基坑的變形，以及可以作為永久支護結(jié)構(gòu)承擔上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載等優(yōu)點。

格形地連墻是一種自立式支護結(jié)構(gòu)，起初被應用于大型船塢的永久性塢墻，隨著技術(shù)的日臻成熟，逐漸被運用到建筑物地下結(jié)構(gòu)、地鐵、隧道、碼頭、護岸的擋土墻和防滲墻等領(lǐng)域[1]。然而在我國現(xiàn)行的國家規(guī)范JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[2]中，均采用針對常規(guī)基坑支護結(jié)構(gòu)的板式支護體系的彈性地基梁法，由于格形基坑本身的幾何特性，該方法無法運用到以格形地連墻為支護結(jié)構(gòu)的基坑工程的計算和設計中；同時，相對于格形地連墻應用于實際工程的時間來講，其理論形成和研究仍處于起步階段。仇建春等[3]以具體基坑工程為背景，建立有限元數(shù)值模型，模擬基坑施工過程，分析研究雙排格形地連墻的空間變形特性，并得出地連墻的變形隨著基坑開挖深度的增大而增大；周廣柱等[4]通過離心模型試驗模擬了分步開挖基坑時格形地連墻和軟土的相互作用，并把測定結(jié)果與朗肯土壓力進行比較，總結(jié)出格形地連墻墻體每個側(cè)面的土壓力基本上都呈線性分布，且隨深度增加而增大的規(guī)律；梅英寶[5]對部分采用格形地連墻圍護的某船塢基坑格形地連墻的實測水平變形進行了較為詳細地分析，總結(jié)了格形地連墻圍護結(jié)構(gòu)水平變形的一些規(guī)律，指出了自立式格形地連墻變形計算存在的不足，提出了格形地連墻圍護設計中仍需進一步研究的問題；夏建國[6]對格形地連墻結(jié)構(gòu)的設計與施工方案進行驗證，得出格形地連墻技術(shù)可行，使用前景廣闊；時愛祥等[7]應用ABAQUS有限元軟件，通過三維有限單元法模擬某基坑開挖過程，研究得出格形地連墻與一般地連墻的位移分布特征不同，墻頂位移較小，墻底位移最大；梁穡稼等[8]結(jié)合實際工程，采用離心模型試驗和現(xiàn)場監(jiān)測方法對格形地連墻側(cè)向變形規(guī)律、設計參數(shù)對墻體位移的影響以及圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移與開挖深度的關(guān)系進行了分析，結(jié)果表明，墻頂水平位移較大，墻體發(fā)生重力式位移，前、后墻的變形規(guī)律相似。這些成果對于后續(xù)研究具有重要的參考和借鑒價值，然而在采用格形地連墻的工程中，其受力和變形特征還未得到系統(tǒng)的研究。本文以南京某基坑工程為背景，建立空間有限元分析模型并模擬實際分步開挖，通過數(shù)值模擬研究分步開挖時以格形地連墻為支護結(jié)構(gòu)的基坑的變形和土壓力分布規(guī)律，并與實測數(shù)據(jù)以及朗肯土壓力進行對比，最后分析后墻及隔墻深度、后墻寬度、前墻厚度和內(nèi)坑加固等因素的影響。

1工程實例

南京青奧軸線地下交通系統(tǒng)J匝道基坑長約110 m，寬約10.55 m，開挖深度為14.55～17.15 m，施工方法為明挖順作法，施工現(xiàn)場位于長江夾江東南岸，屬長江古河道漫灘地貌區(qū)，地層以灰褐色粉質(zhì)黏土、粉土及淤泥質(zhì)土為主。本次計算所取地質(zhì)資料數(shù)據(jù)，根據(jù)勘察單位提供的地質(zhì)報告如表1所示。基坑開挖采用大放坡加懸臂直立開挖的形式，先放坡開挖至-0.5 m(地面標高為7.5 m)，再進行直立開挖至坑底。基坑左側(cè)采用格形地連墻支護結(jié)構(gòu)，格形地連墻的具體尺寸如圖1所示，右側(cè)采用800@1 000鉆孔灌注樁支護結(jié)構(gòu)。基于工程典型斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)建立動態(tài)反演系統(tǒng)獲得土體彈性模量。基坑開挖時坑內(nèi)采用了深井降水，施工過程中待格形地連墻達到設計強度后再開始基坑開挖，地面超載10 kPa。

表1　土層、支撐物理力學性能指標

圖1　格形地連墻詳圖(單位：m)

2有限元模型

鑒于以格形地連墻為支護結(jié)構(gòu)的基坑在開挖過程中的受力和變形情況，現(xiàn)有的解析方法很難得出比較準確的解，本文采用MIDAS/GTS軟件建立三維數(shù)值模型并綜合考慮各種施工措施進行數(shù)值研究。

2.1基本假設

1)初始地應力場不考慮格形地連墻槽段施工所引起的地應力釋放[1]。

2)假定在同一土層中，土是均勻的、連續(xù)的、各向同性的。格形地連墻等支護結(jié)構(gòu)均按各向同性彈性材料考慮，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，格形地連墻以及各土層采用三維實體單元模擬。

3)基坑開挖期間不考慮降水、滲流和固結(jié)的影響[9]。

2.2模型建立

格形地連墻作為基坑的支護結(jié)構(gòu)，自身具有明顯的三維幾何特征，平面應變有限元方法無法反映其前墻、后墻和隔墻組成的格形結(jié)構(gòu)的空間效應。本文在綜合考慮格形地連墻自身幾何特征和工程影響范圍的基礎(chǔ)上建立空間三維模型。模型自前墻向后延伸35 m，自坑底向下延伸32 m，共劃分37 626個單元(見圖2)。模型邊界條件為：左、右邊界X方向位移為0；下邊界X、Y、Z方向位移均為0；前、后邊界Y方向位移為0；其他邊界位移自由。

圖2　三維有限元模型

2.3工況模擬

深基坑開挖需進行分步開挖以求得基坑工程在不同開挖深度下的變形效應，為此將整個基坑開挖過程分為4個計算工況。各工況定義如下：1)放坡開挖至3.9 m(地面標高為7.5 m)，即開挖深度為3.6 m；2)放坡開挖至外坑坑底-0.5 m處，即開挖深度為8.0 m，同時施作混凝土支撐；3)直立開挖至-5.1 m處，即開挖深度為12.6 m，同時架設第1道鋼支撐；4)直立開挖至內(nèi)坑坑底-8.5 m處，即開挖深度為16 m。在MIDAS/GTS軟件中通過“激活”和“鈍化”單元組的形式模擬各工況。

3有限元計算結(jié)果分析

3.1格形地連墻的變形性狀分析

不同工況下格形地連墻的變形情況見圖3。由圖3(a)、(b)可知，在放坡開挖階段，僅依靠格形地連墻承擔坑外土壓力；因此，格形地連墻的側(cè)向變形類似于懸臂梁變形，最大側(cè)向變形位于墻頂，這一變形形態(tài)與常見多道支撐支護結(jié)構(gòu)呈“兩頭小、中間大”式的“大肚”狀的變形規(guī)律[10]存在差異，在整個開挖過程中前、后墻沿著深度產(chǎn)生相對水平變形，但由于格形地連墻整體性較好，其相對變形較小。前墻在墻頂以下1/5墻體深度內(nèi)的位移基本上接近墻頂最大位移,往下逐步減小；而后墻的側(cè)向變形略小于前墻,且在墻頂即開始往下減小。隨著開挖深度加大,前、后墻的水平位移變化規(guī)律和幅度基本一致。

(a) 前墻水平位移

(b) 后墻水平位移

(c) 格形地連墻最大側(cè)向變形與開挖深度的關(guān)系

(d) 坑后15 m處土體水平位移

圖3(c)表示格形地連墻的最大側(cè)向變形δ與基坑開挖深度H的關(guān)系。工況1(H=3.6 m)時，格形地連墻最大側(cè)向變形為9.5 mm，δ/H≈0.26%；工況2(H=8 m)時，格形地連墻最大側(cè)向變形為20 mm，δ/H=0.25%；工況3(H=12.6 m)時，格形地連墻最大側(cè)向變形為24.7 mm，δ/H≈0.2%；工況4(H=16 m)時，格形地連墻最大側(cè)向變形為25.4 mm，δ/H≈0.16%。可見隨著開挖深度的增大，格形地連墻最大側(cè)向變形亦不斷增大，但最大側(cè)向變形與開挖深度的比值卻不斷減小。將各工況下格形地連墻最大側(cè)向變形的實測值與計算值作線性擬合，得到模型計算的最大側(cè)向變形與開挖深度呈δ=0.183 9%H，而實測的最大側(cè)向變形與開挖深度呈 δ=0.154%H，產(chǎn)生這種差異的主要原因是實際施工過程中充分考慮土體“時空效應”影響，采用分區(qū)開挖，及時架設支撐、澆筑各分區(qū)的基坑底板等，從而有效地減小了格形地連墻的最大側(cè)向變形。

圖3(d)為各工況下坑后15 m處土體水平位移沿深度變化情況，隨著離基坑的距離增大，坑后土體的水平位移在減小，此時土體變形與常見多道支撐支護結(jié)構(gòu)呈“兩頭小、中間大”式變形規(guī)律類似，究其原因可能是：距離格形地連墻較遠，受其空間效應的影響較小，此時格形地連墻的作用類似于常規(guī)“一”字型地連墻。

3.2格形地連墻的受力性狀分析

圖4為不同工況下前、后墻的主動和被動土壓力分布情況。隨著工程的展開，坑外土體不斷向坑內(nèi)產(chǎn)生水平位移，主動區(qū)土體水平應力不斷釋放，致使前、后墻主動土壓力隨著開挖深度的增加而不斷減小，其數(shù)值均小于靜止土壓力；但前、后墻的被動區(qū)土體隨著開挖深度的增加而不斷增大，且均大于靜止土壓力。由于前、后墻的相對變形較小導致格形結(jié)構(gòu)內(nèi)部的墻芯土體基本呈整體平動狀態(tài)，受擠壓作用較小，因此隨著開挖深度的增加，后墻被動土壓力、前墻主動土壓力變化相對較小，這與侯永茂[1]的研究規(guī)律一致。此外前、后墻交界處由于應力集中導致前墻兩側(cè)的土壓力均產(chǎn)生了突變。

3.3與實測數(shù)據(jù)的比較

在基坑開挖過程中，地連墻的變形與基坑、周邊建筑物、地下管線的穩(wěn)定和安全息息相關(guān)，必須使其最大位移不超過最大安全容許值。因此施工過程中在支護結(jié)構(gòu)周邊設置了測斜管，以監(jiān)測支護墻和地基土體在各深度的水平位移。現(xiàn)將工況2、4的計算值與實測值作對比(見圖5)，由圖5可知各工況下各測點處側(cè)向變形均呈懸臂狀態(tài)，最大側(cè)向變形位于墻頂，這與前述分析結(jié)果吻合；但實測結(jié)果較計算結(jié)果略小,主要原因可能是基坑中已作基底加固、攪拌樁止水帷幕及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)樁等，而計算中未考慮這些因素的影響。

由于我國文化、經(jīng)濟、政治在不同時期的發(fā)展都呈現(xiàn)出了不同的趨勢，因此機關(guān)事業(yè)單位在展開工作時，其也應該重視會計理論體系的建設，也只有這樣才能滿足社會發(fā)展的需要。通常情況下，在實際工作中機關(guān)事業(yè)單位領(lǐng)導可以從單位的實際運行情況入手，然后結(jié)合社會發(fā)展現(xiàn)狀來展開調(diào)整，可以在原有的基礎(chǔ)上進行適當改革，目的是為了制定出一份滿足單位實際發(fā)展需求的理論體系，并把其落實到每一個崗位上，為管理會計的應用提供一定的理論支持。

(a) 前墻兩側(cè)土壓力

(b) 后墻兩側(cè)土壓力

圖5　計算值與實測值對比

Fig.5Comparison between calculated horizontal deformation and measured horizontal deformation

4參數(shù)敏感性分析

以前述參數(shù)建立的源模型為參考，進一步分析后墻及隔墻深度、后墻寬度、前墻厚度和內(nèi)坑土體加固等因素對格形地連墻性狀的影響。下述討論中選用工況4計算結(jié)果作為比較。

4.1后墻及隔墻深度h的影響

假設其他因素保持不變，分別考慮后墻及隔墻的深度h為17.5、12.5、7、0 m(常規(guī)地連墻)4種情況，計算結(jié)果與源模型結(jié)果對比如圖6所示。基坑開挖過程中h取不同值時格形地連墻變形特性相同，基本呈懸臂側(cè)移，最大側(cè)向變形均位于墻頂。隨著h的減小在墻頂下1/6墻體深度內(nèi)墻體的水平位移略有增大，而1/6～1/2墻深范圍內(nèi)墻體水平位移變化較大。說明增大后墻及隔墻的深度h對減小基坑土體位移有一定作用。由圖6(b)可知，h=0時最大水平位移顯著增加，說明相對于常規(guī)地連墻，格形地連墻空間整體性的優(yōu)勢更加明顯。減小h后，作用在后墻上部區(qū)域的主動土壓力不斷減小，但在后墻的下部區(qū)域土壓力卻不斷增大，恰似組成了抵抗格形地連墻翻轉(zhuǎn)的力矩；因此，可以認為后墻發(fā)揮著向后拉拽前墻的作用，以減小前墻向基坑方向的傾斜，這與周廣柱等[4]基于離心試驗所得結(jié)論相同。

(a) 前墻水平位移的變化規(guī)律

(b) 最大水平位移隨h的變化規(guī)律

(c) 后墻主動側(cè)土壓力變化規(guī)律

Fig.6Effects of depth of backwall and separating wall on deformation of underground diaphragm wall

4.2后墻寬度b的影響

后墻寬度b分別取6、4、0 m(當b=0時，格形地連墻僅由隔墻和前墻組成，此時應視為T型地連墻[11-12])，將計算結(jié)果與源模型結(jié)果作對比(見圖7)。由圖7(a)可知，增加后墻寬度，墻體水平位移略微減小。現(xiàn)定義ξ=Δδ/Δb(Δδ為最大水平位移的增量；Δb為后墻寬度的增量)，以b=0為參考，計算可得ξ分別為 0.185%(b=2 m)、0.133%(b=4 m)和0.108%(b=6 m)。結(jié)合圖7(b)可知，后墻寬度的增加，可以減小支護結(jié)構(gòu)水平變形，但其作用效果卻在不斷降低。在實際工程中為減小支護結(jié)構(gòu)水平變形，可以適當增加后墻的寬度，但需結(jié)合工程造價優(yōu)化設計采用最優(yōu)后墻寬度。增加后墻寬度，作用在后墻的土壓力隨之略有增大。

(a) 前墻水平位移的變化規(guī)律

(b) 最大水平位移隨b的變化規(guī)律

(c) 后墻主動土壓力變化規(guī)律

Fig.7Effects of width of backwall on deformation of underground diaphragm wall

4.3前墻厚度t的影響

南京地區(qū)常用的地連墻厚度為0.6、0.8、1.0 m，在參數(shù)敏感性分析中再加入厚度0.9 m。計算過程中僅前墻厚度t改變，其他因素保持不變，計算結(jié)果見圖8。隨著t的增大，墻體剛度變大，墻體水平位移呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，最大水平位移由t=0.6 m時的36.5 mm減小到t=1 m的25.4 mm，減小30.4%。可見前墻厚度對支護結(jié)構(gòu)水平變形的影響十分明顯，在設計中合理地選擇前墻厚度、在施工中重視施工質(zhì)量可以明顯改善基坑支護效果。隨著前墻厚度的減小，作用在后墻的主動土壓力明顯減小。

(a) 前墻水平位移的變化規(guī)律

(b) 最大水平位移隨t的變化規(guī)律

(c) 后墻主動土壓力變化規(guī)律

Fig.8Effects of width of frontwall on deformation of underground diaphragm wall

4.4內(nèi)坑被動區(qū)加固的影響

在內(nèi)坑被動區(qū)用水泥攪拌樁加固能夠改善被動區(qū)的土體性質(zhì)，被動區(qū)加固體按彈性體考慮，加固區(qū)土體彈性模量E分別取40、60、80、100 MPa。圖9表示內(nèi)坑被動區(qū)5.5 m深度范圍內(nèi)土體用水泥攪拌樁加固后支護結(jié)構(gòu)的變形和土壓力變化情況，由圖9可以看出，內(nèi)坑加固對墻體水平變形產(chǎn)生較大影響，隨著加固土體的彈性模量增大，墻體水平位移不斷減小，最大水平位移由E=20 MPa時的25.4 mm減小到E=100 MPa時的19.9 mm。由圖9(b)可知，隨著被動區(qū)土體彈性模量的增大，墻身側(cè)向變形進一步減小，但幅度趨向緩和，因此在實際工程中為達到較高的性價比，宜通過計算來選擇確定加固區(qū)深度和程度[13-15]。隨著內(nèi)坑的加固，作用在后墻下部區(qū)域的主動土壓力明顯增大，說明后墻下部土體對后墻嵌固作用的加強，有助于開挖時保持整個支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，這與文獻[3]研究所得規(guī)律吻合，且土體彈性模量E取不同值時相互之間的土壓力變化較小。

(a) 前墻水平位移的變化規(guī)律

(b) 最大水平位移隨彈性模量E的變化規(guī)律

(c) 后墻主動土壓力變化規(guī)律

Fig.9Effects of width of reinforcement of foundation pit on deformation of underground diaphragm wall

5結(jié)論與討論

本文以南京某基坑工程的格形地連墻支護結(jié)構(gòu)為背景，利用有限元方法建立三維模型，研究此類支護結(jié)構(gòu)基坑工程的變形和受力特征，并對格形地連墻的幾何尺寸(后墻和隔墻深度、后墻寬度、前墻厚度)、內(nèi)坑加固等因素進行分析探討，研究表明：

2)隨著工況的展開，前、后墻主動土壓力隨著開挖深度的增加而不斷減小，其數(shù)值均小于靜止土壓力，但前、后墻的被動土壓力隨著開挖深度的增加而不斷增大，且均大于靜止土壓力。

3)減小后墻和隔墻深度h在墻頂下1/6墻體深度內(nèi)墻體水平位移略有增大，1/6～1/2墻深范圍內(nèi)墻體水平位移變化較大，說明增大h對減小基坑土體位移有一定作用。

4)減小前墻厚度對支護結(jié)構(gòu)水平變形的影響十分明顯，且作用在后墻的主動土壓力明顯減小。

5)后墻寬度的增加，可以減小支護結(jié)構(gòu)水平變形，但其作用效果卻在不斷降低。

6)隨著被動區(qū)土體彈性模量的增大，墻身側(cè)向變形明顯減小，作用在后墻下部區(qū)域的主動土壓力明顯增大，且不同土體彈性模量E之間的土壓力變化不大。

本文在研究過程中未能考慮時間因素的影響，特別是對于格型地連墻這種自立式支護結(jié)構(gòu)，開挖過程中暴露的時間對基坑變形影響較大，后續(xù)研究可以考慮時間因素對以格型地連墻為支護結(jié)構(gòu)的深基坑受力變形的影響。

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Study of Soil Stress and Deformation of Support Structure of Gridding Underground Diaphragm Wall of Deep Foundation Pits

WANG Fei1,LIU Yawen1,SU Jingbo2,FENG Bin3,JIA Shun3,LIANG Jinjun1

(1.School of Field Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,Jiangsu,China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,Jiangsu,China;3.Nanjing Major Road and Bridge Construction Headquarters,Nanjing 210000,Jiangsu,China)

Abstract:The finite element model of support structure gridding underground diaphragm wall of a deep foundation pit in Nanjing is established;and Mohr-Coulomb elastoplastic constitutive model is adopted for rocks and soils.The finite element method is used to analyze the deformation of the deep foundation pit and the distribution rules of soil stress;and the results are compared with measured data and Rankine soil stress.The influencing factors,i.e.depth of backwall and separating wall,width of backwall,thickness of frontwall and foundation reinforcement,are analyzed.The analytical results show that:1) The lateral deformation of gridding underground diaphragm wall is similar to that of cantilever beam.2) The lateral deformation of wall roof is the largest,which shows that the deformation rules of the above-mentioned underground diaphragm wall are different from that of conventional multiple-supported structure.3) The influencing factors of thickness of frontwall and reinforcement of foundation pit are obvious.

Keywords:deep foundation pit;gridding underground diaphragm wall;finite element analysis;deformation;soil stress

收稿日期：2015-12-15;修回日期:2016-02-03

基金項目：南京重大路橋建設指揮部科學研究項目(編號20140212)

第一作者簡介：王飛(1991—)，男，安徽合肥人，解放軍理工大學橋梁與隧道工程專業(yè)在讀碩士，研究方向為基坑工程。E-mail：wfeihome@126.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.011

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)06-0721-07