沉管隧道干塢基坑格形連續墻支護方案評價及其影響因素

林永貴, 楊春山

(廣州市市政工程設計研究總院有限公司, 廣東 廣州 510060)

0 引言

格形地下連續墻作為自立式新型復合支護結構[1-2],在各類基坑工程中得到了愈來愈多的應用,尤其在無法做內撐且對變形要求嚴格的沉管干塢基坑工程中。較常規連續墻,格形連續墻表征出的力學行為不盡相同,其應用過程中的受力特性及影響因素值得研究。

當前已有學者[3-5]對格形連續墻的應用力學響應特征進行了研究,然而為數不多的研究均借助數值法,不考慮格形連續墻的實際拉剪接頭情況,建立單幅或多幅的連續介質模型,分析格形連續墻的受力變形,存在明顯的局限性;同時,格形連續墻為組合式結構,其承載機制尚不明確,影響因素也鮮見報道,對于其完全理解和應用是遠遠不夠的。

基于此,以廣州如意坊放射線沉管隧道干塢基坑格形連續墻為例,建立干塢基坑開挖支護過程的三維精細計算模型,揭示格形連續墻受力變形特征,從而開展方案評價及優化,并分析格形連續墻力學特性對不同影響因素的敏感性。

1 工程概況

如意坊放射線系統工程位于廣州市荔灣區,是貫穿如意坊和芳村片區南北向交通的大動脈,穿越珠江段采用了沉管法。沉管隧道縱向分6個管節,設計2批預制,采用旁建干塢,位于如意坊立交匝道范圍內。干塢基坑底部面積約2.14萬m2,坑深14.1 m(見圖1)。支護結構在非臨江側采用1.2 m厚地下連續墻+5道可回收錨索,臨江側采用寬9 m、厚1 m的格形連續墻,相鄰墻段、幅段間由十字鋼板穿孔剛性接頭連接。本文旨在研究格形連續墻的應用特性,充分考慮計算規模和可行性,三維計算模型取臨江側的格形連續墻。根據現場勘察資料,干塢基坑場地土層物理力學參數如表1所示,臨江側干塢地質剖面圖如圖2所示。

圖1 干塢基坑支護平面Fig. 1 Support plane for dry dock foundation pit

表1 土層結構物理力學參數Table 1 Physico-mechanical parameters of foundation structure

圖2 臨江側干塢地質剖面圖(單位: m)Fig. 2 Geologic section of the riverside dry-dock (unit: m)

2 格形連續墻方案評價

2.1 評價模型與工況

模型中土體、蓋板、連續墻及攪拌樁采用三維實體單元。模型中土體采用理想彈塑性本構模型,遵循Mohr-Coulomb屈服準則,相關結構采用彈性模量。三維整體計算模型如圖3所示。模型先生成二維單元,后擴展生成三維模型,計算模型含248 688個單元、167 144個節點。

圖3 三維整體計算模型Fig. 3 3D calculation model

為了模擬基坑圍護結構與土層之間的相對滑移與脫離現象,在兩者界面間設置無厚度的Goodman接觸單元[6-7],其三維空間的面接觸單元在確定外荷載作用下滿足式(1)關系。單元的參數: 法向剛度kn、切向剛度ks及轉動剛度kθ;N、Q、M表示軸力、剪力及彎矩;Δu為軸向位移,Δv為剪切應變,Δθ為相對轉角。

接觸單元設置于實體土層與實體維護結構之間,由于實體單元僅存在線位移,因此接觸單元位移可以抽象概括為水平與豎向位移,在出現滑移破壞前主要受法向剛度kn和切向剛度ks影響。可通過文獻[8]建議的式(2),計算法向與切向剛度:

式中:K、G為接觸面兩側材料的體積模量和剪切模量;Δnmin為接觸面法向厚度最小的網格寬度。

接觸面參數與土體參數、網格尺寸有關,本例kn數量級為(108～1010) Pa/m,ks數量級為(106～107) Pa/m。此次分析包括5個計算工況,具體如表2所示。

2.2 計算結果及分析

格形連續墻位移云圖如圖4所示。可以看出: 1)受基坑開挖卸載的作用,格形連續墻兩側產生了不平衡的壓力,促使墻體產生指向基坑內的位移; 2)墻體呈現出典型的懸臂變形特性,最大側移為18.85 mm,出現在墻體的頂部,符合一般的變形認識。

表2 計算工況Table 2 Calculation conditions

圖4 格形連續墻位移云圖(單位: mm)Fig. 4 Displacement of cellular diaphragm wall (unit: mm)

在該項目干塢基坑支護方案設計過程中,為了保證計算結果的可靠性,合理指導設計實踐,開展了格形連續墻支護的平行計算。與另一高校平行計算結果進行對比分析(見圖5),以驗證本文計算模型的合理性。由圖5可知,兩者位移總體趨勢較為吻合,說明本文所用計算模型具備一定的可靠性,平行計算位移值總體更大,因為平行計算結果采用了二維模型,空間剛度更小。

由圖4和圖5還可以看出: 1)基坑格形墻體最大位移小于規范[9]要求的一級基坑的位移限值,說明基坑支護體系能夠滿足穩定性要求; 2)基坑2種支護形式銜接部位(見圖1)位移存在較明顯的突變,有必要對原有支護方案格形連續墻支護、T形墻+錨索支護銜接位置局部加強。

圖5 本文與平行計算結果對比Fig. 5 Comparison between the result of this paper and parallel calculation result

格形連續墻應力云圖如圖6所示。可以看出: 1)因格形連續墻陽角兩側均向坑內移動,導致蓋板轉角位置出現了應力集中,產生了較大的拉應力,最大應力為14.25 MPa,超出了蓋板混凝土的抗拉強度,局部開裂并由此可能引發蓋板向兩側延伸,發生漸進破壞; 2)針對應力集中的局部區域,在原有設計方案的基礎上,增加預埋受拉鋼筋,以此抑制裂縫的形成和發展。

圖6 格形連續墻應力(單位: kPa)Fig. 6 Stress of cellular diaphragm wall (unit: kPa)

2.3 格形連續墻支護特性影響因素

格形連續墻支護特性內因影響因素包括墻體嵌入深度、蓋板尺寸、接頭剛度及攪拌樁加固等,外因影響因素包括土層剛度和外部擾動程度等。考慮到土層剛度相對固定,且連續墻嵌入深度較常規連續墻方案類似,故著重探討土層剛度與墻體嵌入深度以外的其他因素對格形連續墻支護特性的影響。以基本模型為基礎,保證其他參數不變,改變單個參數以考察其影響程度。

2.3.1 混凝土蓋板的影響

不同格形連續墻蓋板厚度對應的墻體位移結果如圖7所示。為了分析蓋板厚度對格形連續墻墻體位移的影響,取0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 m 5種厚度蓋板進行計算。由圖7可以看出: 1)蓋板厚度對格形連續墻位移有較明顯的影響,尤其對坑底以上懸臂端地下墻位移影響較為顯著; 2)蓋板厚度影響格形連續墻的整體剛度,蓋板越厚,地下墻的整體剛度越大,墻體的位移越小; 3)5種不同蓋板厚度下計算得到地下墻頂端位移為16.5～20 mm,從工程實施的角度上均處在允許的位移變形范圍內,而且隨著蓋板厚度逐漸加大,對格形連續墻位移的影響逐漸減弱。工程實施過程中應結合實際需求,綜合安全性和經濟性選取設置合理的蓋板厚度。

圖7 不同蓋板厚度對應的位移Fig. 7 The displacements to different plate thickness

2.3.2 攪拌樁加固的影響

為了考察格形連續墻前、后墻體間攪拌樁加固對基坑開挖變形的影響,設置不同攪拌樁加固范圍,包括初始設計方案(17 m加固)、坑底上下3 m和6 m及不加固4種方案,計算得到圖8所示不同攪拌樁加固范圍對應的墻體位移結果。可以看出: 1)基坑開挖格形連續墻位移受前、后墻間(內格)攪拌樁加固范圍影響很細微,究其原因是該項目連續墻主要表現為底部嵌入巖層的懸臂支擋結構,墻體位移取決于側向水土壓力、嵌巖深度及支擋結構的空間剛度; 2)在水土壓力和嵌巖深度一定的情況下,提高支擋結構的空間剛度是至關重要的,而前、后墻間攪拌樁加固在一定程度上提高了墻間土層的強度與剛度,但相對于格形連續墻支護體系來說,貢獻是非常細微的,因此墻體變形受到的影響甚微。

圖8 不同攪拌樁加固范圍對應的位移Fig. 8 The displacements to different range of cement mixing pile reinforcement

2.3.3 接頭剛度的影響

實際施工過程中,格形連續墻接頭質量往往難以保證,導致連續墻整體剛度不足,影響整體支護。為模擬上述工況,設置不同的連接墻段、幅段連接接頭剛度,分析接頭剛度折減對連續墻整體承載的影響。不同格形連續墻接頭剛度對應的墻體位移結果如圖9所示。可以看出: 隨著墻間連接接頭剛度的折減,格形連續墻圍護結構整體性變差,空間剛度減小,位移逐漸增大,當剛度折減到一定程度時趨于穩定,因為此時格形連續墻結構變為疊合結構,各組成部分近乎單獨承載。

圖9 不同接頭剛度對應的位移Fig. 9 The displacement to different joint stiffness

3 結論與建議

1)實例基坑2種支護形式銜接部位位移存在較明顯的突變,有必要對原有支護方案格形連續墻支護、T形墻+錨索支護銜接位置進行局部加強。

2)格形連續墻陽角兩側均向坑內移動,導致蓋板轉角處出現了應力集中,誘發結構局部開裂并有向蓋板兩側延伸的趨勢,會發生漸進破壞。針對應力集中的區域,提出在原有設計方案的基礎上,增加預埋受拉鋼筋,從而抑制裂縫的形成與發展。

3)蓋板厚度對格形連續墻位移有較為明顯的影響,但受墻內攪拌樁加固范圍影響很細微。隨著連接接頭剛度的減小,格形連續墻圍護結構整體性變差,空間剛度減小,位移逐漸增大,當剛度折減到一定程度時趨于穩定。

建議減小格形連續墻內攪拌樁加固的范圍,甚至不加固,可沿著連續墻槽段周邊設置攪拌樁以助成槽。對于復雜條件下基坑支護結構的設計,不能單純從位移判定,需充分考慮支擋結構的受力變形特性及可能破壞的形態、機制,以此為基礎,設定相對合理的方案。