基于MIDASGTS地下連續墻接頭分析

【摘要】地下連續墻是工程應用較多的一種圍護與承重構件，其在施工過程中的安全性極為重要。因地下連續墻在施工中無法一次性完成需分幅進行，因此存在較多的接頭部位。該部位對于連續墻是一薄弱位置。文中利用MIDASGTS有限元軟件對不設支撐基坑開挖過程中地下連續墻柔性接頭的變形和受力做一定的研究，通過分析發現在無支撐的情況下，位移隨開挖深度的增加顯著增大，在墻頂處位移最大。應力在首層土體開挖（10m深）與第二層（10m深）、第三層（10m深）土體開挖差異較大，首層土體開挖應力波動較大，但總體上看應力較大處集中在墻底處。從中說明基坑開挖過程中設置支撐對接頭部位有很好的保護作用。

【關鍵詞】地下連續墻；柔性接頭；有限元分析

1、引言

隨著我國城市化進程的快速推進，高層建筑、地鐵等重要項目逐漸增多。高層建筑、地鐵等項目的基坑在施工過程離不開地下連續墻這一重要的結構構件。其既可充當圍護結構也可充當承重構件，即“兩墻合一”。但這一結構構件在設計施工中存在的重難點是地下連續墻的接頭部位。該部位是地下連續墻的薄弱位置。目前所應用的接頭型式種類較多，有鎖口管接頭、工字鋼接頭、H型鋼接頭、Ⅱ型接頭等。這些接頭按照受力性質主要分為柔性接頭和剛性接頭兩種。本文選用柔性接頭作為研究對象，利用MIDASGTS有限元軟件模擬軟土地區該接頭的受力和變形特點。

2、建模與計算

2.1 建立模型

研究當中選取的土體模型長36m，寬30m，厚50m；其中地下連續墻長36m，厚1m，深50m，墻體分為6幅，每幅長度為6m；地下連續墻的兩側均有土體，土體簡化為2層，上層為粉質粘土，下層位為粘性土。圖1為土體及連續墻整體模型。

模型中對于地下連續墻取中間位置的墻體，墻體底部采用固定端作為邊界條件，每幅墻體之間的柔性接頭采用鉸接方式作為邊界條件，如圖2所示。

2.2 模型有限元計算

2.2.1 計算基本假定及具體參數

為簡化計算，基本假定如下：土體為理想的彈塑性材料，同一種材料勻質各向同性，不考慮土體的排水固結，考慮土體與連續墻間的摩擦力，不考慮地下水的影響。土體及地下連續墻的具體參數如表1所示。

2.2.2模型計算過程分析

模型主要模擬基坑在開挖階段地下連續墻接頭處的變形及受力情況，基坑開挖主要經歷三個施工階段每個施工階段開挖10m深土體，在計算過程中不設置支撐，僅考慮土壓力作用下地下連續墻柔性接頭處的變形和受力情況。土壓力的施加因模型中地下連續墻墻體厚度選取1m，厚度較大，且在基坑開挖過程中所開挖部分的墻體后方土體呈現主動狀態，故所施加的荷載選取主動土壓力。參照文獻[1]提供的理論計算方法并結合基本假定，主動土壓力可簡化為公式1.1。

在MIDASGTS中基坑的開挖過程通過鈍化的方式進行模擬。第一施工階段將首層開挖土體進行鈍化，第二施工階段將首層和第二層的土體進行鈍化，第三階段將首層、第二層和第三層的土體進行鈍化。如圖3所示。

3、模擬結果及分析

3.1 接頭處變形分析

從有限元計算結果總體看，中間位置的各個連續墻柔性接頭位移變化很協調，模型中各接頭位移一致。在每一個開挖階段，柔性接頭處的變形主要為X方向（向基坑內的方向）和Z方向（沿著地下連續墻的深度方向）。Z方向的位移僅為X方向位移的0.8%，因此主要研究X方向位移的變化規律。

從模型中可以看出在基坑開挖過程中，若不施加水平支撐，地下連續墻柔性接頭處X方向位移在每一開挖階段從墻底至墻頂總體呈現逐漸增大的趨勢，且在墻頂處位移較大。如圖4所示。同時從圖4中不難發現第二層和第三層土體在開挖后地下連續墻柔性接頭處的位移基本一致，說明在第二層土體開挖時其位移已達上限。第二、三階段土層開挖后墻體接頭處位移與第一階段土層開挖后墻體接頭處位移差值亦呈現逐漸增大趨勢，說明在接頭深度越深的位置變形越明顯，最易發生傾覆事故。

3.2接頭處受力分析

在基坑開挖過程中不設置支撐時，中間位置連續墻柔性接頭所受應力一致。每一階段土體開挖所受應力變化規律如圖5所示。從圖中可以看出，柔性接頭處的應力在第二層和第三層土體開挖時基本一致，沒有較大變化，說明在開挖第二層土體時應力已達到上限。首層土體在開挖時接頭處應力變化與其余兩層土體開挖時應力差異較大，首層土體開挖后柔性接頭處在10-20m深度處應力波動較大。總體上看，每一階段土體的開挖亦是對墻底處的接頭影響最大。

結論：

深基坑地下連續墻在開挖過程中若不設置支撐，地下連續墻柔性接頭處位移變化比較明顯，隨著開挖深度的增加位移逐漸增大。在墻頂處的位移最大。而柔性接頭處的應力隨著開挖深度的增加呈現非線性的變化規律。在墻底和1/3墻身處波動比較明顯。從總體上看，不設支撐對基坑開挖時，位移對連續墻接頭處的安全性影響更大。因此施工過程當中必須設置支撐控制接頭處的位移。保證整個墻體施工的安全性。

參考文獻：

[1]徐炳偉. 基于神經網絡的地下連續墻變形預測[D].天津大學，2006.

[2]楊寶珠，丁克勝，邵強，張淑朝，徐長領.基于ABAQUS的超深地下連續墻工字鋼接頭型式分析[J].地下空間與工程學報，2014，10（01）：96-101.

[3]王文廷.基于MIDAS深基坑地下連續墻支護數值模擬分析[J].廣東建材，2017，33（06）：55-58.

[4]劉念武，龔曉南，樓春暉.軟土地基中地下連續墻用作基坑圍護的變形特性分析[J].巖石力學與工程學報，2014，33（S1）：2707-2712.

[5]贠永峰，徐成明，張麗華，陳濤華.基于深基坑地下連續墻變形安全性分析[J].中國安全生產科學技術，2011，7（02）：73-77.

[6]陳有亮，李林，劉井學.某深基坑地下連續墻開挖變形有限元分析[J].地下空間與工程學報，2008（02）：320-324+330.

[7]吳從師，潘隆武.地鐵車站深基坑地下連續墻施工變形的分析研究[J].中外公路，2011，31（05）：189-192.

[8]張輝，熊巨華，曾英俊.長條形基坑地下連續墻側向位移數值模擬及其影響因素分析[J].結構工程師，2010，26（01）：80-86.

[9]劉明虎.圓形地下連續墻支護深基坑結構受力特點及對比分析[J].公路交通科技，2005（11）：100-103+118

[10]唐雨耕.深基坑工程引致地下連續墻變形之可靠度分析[J].巖土工程學報，2010，32（S2）：179-182.

作者簡介：

臧園，碩士，講師，單位：武漢科技大學城市學院，湖北武漢。