基于MIDASGTS地下連續(xù)墻接頭分析

文/臧園 武漢科技大學(xué)城市學(xué)院 湖北武漢 430083

1、引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，高層建筑、地鐵等重要項(xiàng)目逐漸增多。高層建筑、地鐵等項(xiàng)目的基坑在施工過(guò)程離不開(kāi)地下連續(xù)墻這一重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。其既可充當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)也可充當(dāng)承重構(gòu)件，即“兩墻合一”。但這一結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)施工中存在的重難點(diǎn)是地下連續(xù)墻的接頭部位。該部位是地下連續(xù)墻的薄弱位置。目前所應(yīng)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(zhì)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(duì)象，利用MIDASGTS有限元軟件模擬軟土地區(qū)該接頭的受力和變形特點(diǎn)。

2、建模與計(jì)算

2.1 建立模型

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

模型中對(duì)于地下連續(xù)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。

圖1 整體模型

圖2 槽段間的邊界條件

2.2 模型有限元計(jì)算

2.2.1 計(jì)算基本假定及具體參數(shù)

為簡(jiǎn)化計(jì)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(zhì)各向同性，不考慮土體的排水固結(jié)，考慮土體與連續(xù)墻間的摩擦力，不考慮地下水的影響。土體及地下連續(xù)墻的具體參數(shù)如表1所示。

2.2.2 模型計(jì)算過(guò)程分析

模型主要模擬基坑在開(kāi)挖階段地下連續(xù)墻接頭處的變形及受力情況，基坑開(kāi)挖主要經(jīng)歷三個(gè)施工階段每個(gè)施工階段開(kāi)挖10m深土體，在計(jì)算過(guò)程中不設(shè)置支撐，僅考慮土壓力作用下地下連續(xù)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(xù)墻墻體厚度選取1m，厚度較大，且在基坑開(kāi)挖過(guò)程中所開(kāi)挖部分的墻體后方土體呈現(xiàn)主動(dòng)狀態(tài)，故所施加的荷載選取主動(dòng)土壓力。參照文獻(xiàn)[1]提供的理論計(jì)算方法并結(jié)合基本假定，主動(dòng)土壓力可簡(jiǎn)化為公式1.1。

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

圖3 各施工階段基坑開(kāi)挖模擬

3、模擬結(jié)果及分析

3.1 接頭處變形分析

從有限元計(jì)算結(jié)果總體看，中間位置的各個(gè)連續(xù)墻柔性接頭位移變化很協(xié)調(diào)，模型中各接頭位移一致。在每一個(gè)開(kāi)挖階段，柔性接頭處的變形主要為X方向（向基坑內(nèi)的方向）和Z方向（沿著地下連續(xù)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(guī)律。

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

圖4 不同階段土層開(kāi)挖連續(xù)墻柔性接頭處位移

圖5 不同階段土層開(kāi)挖連續(xù)墻柔性接頭處應(yīng)力

（-50m代表墻頂處）

（-50m代表墻底最深處）

3.2 接頭處受力分析

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中不設(shè)置支撐時(shí)，中間位置連續(xù)墻柔性接頭所受應(yīng)力一致。每一階段土體開(kāi)挖所受應(yīng)力變化規(guī)律如圖5所示。從圖中可以看出，柔性接頭處的應(yīng)力在第二層和第三層土體開(kāi)挖時(shí)基本一致，沒(méi)有較大變化，說(shuō)明在開(kāi)挖第二層土體時(shí)應(yīng)力已達(dá)到上限。首層土體在開(kāi)挖時(shí)接頭處應(yīng)力變化與其余兩層土體開(kāi)挖時(shí)應(yīng)力差異較大，首層土體開(kāi)挖后柔性接頭處在10-20m深度處應(yīng)力波動(dòng)較大?？傮w上看，每一階段土體的開(kāi)挖亦是對(duì)墻底處的接頭影響最大。

結(jié)論：

深基坑地下連續(xù)墻在開(kāi)挖過(guò)程中若不設(shè)置支撐，地下連續(xù)墻柔性接頭處位移變化比較明顯，隨著開(kāi)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(yīng)力隨著開(kāi)挖深度的增加呈現(xiàn)非線性的變化規(guī)律。在墻底和1/3墻身處波動(dòng)比較明顯。從總體上看，不設(shè)支撐對(duì)基坑開(kāi)挖時(shí)，位移對(duì)連續(xù)墻接頭處的安全性影響更大。因此施工過(guò)程當(dāng)中必須設(shè)置支撐控制接頭處的位移。保證整個(gè)墻體施工的安全性。