變幾何剛度格柵式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)承載特性分析*

孫海霞， 張 超， 于 穎， 徐立軍

(1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870； 2. 中冶沈勘工程技術(shù)有限公司 總工辦， 沈陽(yáng) 110004)

地下連續(xù)墻基礎(chǔ)起源于歐洲，發(fā)展于日本.所謂地下連續(xù)墻，就是利用各種挖槽機(jī)械，向地下開(kāi)挖出一條既窄又深的溝槽，在泥漿護(hù)壁的作用下成型，并在溝槽之內(nèi)澆筑適當(dāng)?shù)慕ㄖ牧?，形成兼具防滲、擋土和承重功能的一道墻體[1].近年來(lái)，一種新型的自立式復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)——格形地下連續(xù)墻在國(guó)內(nèi)的一些船塢基坑和水電工程已得到了應(yīng)用，例如桐子林水電站導(dǎo)流明渠地基基礎(chǔ)原設(shè)計(jì)為“十”字形格式地下連續(xù)墻，但其存在槽壁不穩(wěn)定的情況，通過(guò)分析研究決定優(yōu)化為單室格柵墻樁組合式地下連續(xù)墻，開(kāi)創(chuàng)了單室格柵式地下連續(xù)墻成功應(yīng)用的先例.廣東某過(guò)江隧道由于在施工階段原有護(hù)岸不能保證穩(wěn)定性要求，對(duì)護(hù)岸進(jìn)行的支護(hù)設(shè)計(jì)方案就是格柵式地下連續(xù)墻支護(hù).南京青奧軸線J匝道區(qū)段深基坑施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)亦采用格柵式地下連續(xù)墻，分析表明其可有效降低基坑坑底變形[2-7].格柵形地下連續(xù)墻不僅可以作為擋土墻和防滲結(jié)構(gòu)使用，亦可作為豎向承載結(jié)構(gòu).在日本，格形地下連續(xù)墻是一種新型的橋梁基礎(chǔ)，被稱為“格柵式地下連續(xù)墻”(lattice-shaped diaphragm wall，LSDW).日本新干線飯坂徹高架橋工程中采用了單室閉合地連墻基礎(chǔ)取代傳統(tǒng)的沉井式基礎(chǔ)；日本青森大橋主墩P9、P10亦采用了單室閉合型地連墻基礎(chǔ)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[8].雖然格形地下連續(xù)墻已經(jīng)在實(shí)際工程中被設(shè)計(jì)為豎向承載結(jié)構(gòu)使用，但目前國(guó)內(nèi)關(guān)于格形地下連續(xù)墻豎向承載特性的研究尚處于起步階段.數(shù)值模擬近年來(lái)在基礎(chǔ)工程中應(yīng)用廣泛，可借助數(shù)值模型代替原位試驗(yàn)[9].本文基于ABAQUS有限元分析軟件[10]，設(shè)定工況為格柵式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)應(yīng)用在工民建基礎(chǔ)中，墻頂不設(shè)承臺(tái)蓋板，地下室底板作為蓋板，墻體頂端鋼筋錨固于地下室底板內(nèi)，這對(duì)于工民建基礎(chǔ)形式的創(chuàng)新具有一定意義.

1 數(shù)值計(jì)算及模型

受施工技術(shù)和成槽設(shè)備的限制，目前地下連續(xù)墻成槽的厚度為50～120 cm，最大厚度為320 cm，入土深度一般為10～50 m，最大深度為170 m[4].為了研究格柵式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)承載特性，比較不同幾何尺寸的格柵式地下連續(xù)墻承載性狀，需要建立數(shù)值模型進(jìn)行模擬，位于模型外側(cè)的豎向邊界約束其水平向位移，模型底部約束所有方向的位移，基于場(chǎng)地土邊界效應(yīng)的考慮，本文設(shè)置格柵式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的水平向計(jì)算邊界為6D(D為格柵式地下連續(xù)墻的埋深)，且大于3倍的地下連續(xù)墻的最長(zhǎng)邊，豎向計(jì)算區(qū)取為2D.為方便模擬簡(jiǎn)化計(jì)算又符合實(shí)際工程應(yīng)用，外圍墻體埋深取為10 m，墻厚為0.5 m，分別建立三組格柵式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)模型：第一類模型的內(nèi)墻體埋深為8 m，墻間距為2 m，如圖1所示；第二類模型的內(nèi)墻體埋深為10 m，墻間距為4 m，如圖2所示；第三類模型的內(nèi)墻體埋深為12 m，墻間距為6 m，如圖3所示.

假定格柵式地下連續(xù)墻為彈塑性材料，為了分析基礎(chǔ)模型間的差異，墻體材料均采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土，由于以往靜載試驗(yàn)中地連墻內(nèi)部應(yīng)力并未超出鋼筋混凝土的屈服極限，因此，該假定是合理的[9].

圖1 第一類地連墻Fig.1 First type of diaphragm walls

圖2 第二類地連墻Fig.2 Second type of diaphragm walls

圖3 第三類地連墻Fig.3 Third type of diaphragm walls

土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，根據(jù)文獻(xiàn)[11]，為了達(dá)到簡(jiǎn)化計(jì)算的目的，土體采用單層土體，具體參數(shù)如表1所示.

表1 數(shù)值分析中墻體及地層參數(shù)Tab.1 Parameters for numerical analysis of walls and strata

地應(yīng)力平衡分析結(jié)果[10]如圖4所示.平衡結(jié)果符合要求，ABAQUS提供了多種加載方式，其中均布荷載加載是最接近實(shí)際情況的加載形式.為了比較三個(gè)模型在同等承載條件下的承載力特性，本文在三個(gè)模型墻頂施加單位均布荷載1 000 kPa.

圖4 地應(yīng)力平衡Fig.4 Equilibrium of in-situ stress

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

為了更加清晰地對(duì)比3個(gè)不同模型承載性狀，3個(gè)模型選取截面相同位置延深度方向進(jìn)行比較，分析點(diǎn)位置選取如圖5、6所示.

圖5 沉降與側(cè)摩阻力分析點(diǎn)位置Fig.5 Point locations for analysis of settlement and lateral friction resistance

2.1 沉降深度曲線分析

圖6 墻端阻力分析點(diǎn)位置Fig.6 Point locations for analysis of toe resistance

圖7 1點(diǎn)處沉降深度曲線Fig.7 Settlement-depth curves of point 1

2.2 側(cè)摩阻力深度曲線分析

圖8 2點(diǎn)處沉降深度曲線Fig.8 Settlement-depth curves of point 2

圖9 3點(diǎn)處沉降深度曲線Fig.9 Settlement-depth curves of point 3

圖10 4點(diǎn)處沉降深度曲線Fig.10 Settlement-depth curves of point 4

圖11 5點(diǎn)處沉降深度曲線Fig.11 Settlement-depth curves of point 5

圖12 6點(diǎn)處沉降深度曲線Fig.12 Settlement-depth curves of point 6

圖13 1點(diǎn)處側(cè)摩阻力深度曲線Fig.13 Lateral friction resistance-depth curves of point 1

圖14 2點(diǎn)處側(cè)摩阻力深度曲線Fig.14 Lateral friction resistance-depth curves of point 2

圖15 3點(diǎn)處側(cè)摩阻力深度曲線Fig.15 Lateral friction resistance-depth curves of point 3

圖16 4點(diǎn)處側(cè)摩阻力深度曲線Fig.16 Lateral friction resistance-depth curves of point 4

圖17 5點(diǎn)處側(cè)摩阻力深度曲線Fig.17 Lateral friction resistance-depth curves of point 5

圖18 6點(diǎn)處側(cè)摩阻力深度曲線Fig.18 Lateral friction resistance-depth curves of point 6

表2 拐點(diǎn)位置與單位側(cè)摩阻力最大值Tab.2 Inflexion positions and maximum values of unit lateral friction resistance

2.3 墻端阻力曲線分析

相同單位均布荷載下三類地連墻在A、B、C、D、E、F、G七個(gè)點(diǎn)處墻端阻力的位置曲線如圖19所示(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示第一、二、三類格柵式地下連續(xù)墻)，第三類地連墻各點(diǎn)曲線值最小，這說(shuō)明在相同單位均布荷載作用下墻端承受的單位端阻力最小，在同等荷載條件下，第三類地連墻墻端不宜破壞更有優(yōu)勢(shì)，施工設(shè)計(jì)過(guò)程中墻端部可適當(dāng)降低混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)與鋼筋用量，節(jié)約施工成本.第一類與第二類地連墻各點(diǎn)所受單位端阻力相當(dāng)，在施工工況受限的條件下可優(yōu)先考慮第一類地連墻；三類地連墻基礎(chǔ)中心內(nèi)墻所受單位端阻力大于外墻單位端阻力.三類地連墻同時(shí)在E點(diǎn)處墻端阻力達(dá)到最大，角部單位端阻力大于墻中單位端阻力，在施工過(guò)程中要注意掌控.

圖19 A～G點(diǎn)墻端阻力曲線Fig.19 Toe resistance curves of A to G points

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)三類不同幾何形式九室格柵式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的豎向荷載模型進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了格柵式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的承載特性，得出在相同單位均布荷載作用下，內(nèi)墻間距大，內(nèi)外墻有埋深深度差的格柵式地連墻基礎(chǔ)沉降量小.

三類格柵式地下連續(xù)墻側(cè)摩阻力發(fā)展趨勢(shì)大體為沿深度先增大后減小.內(nèi)墻間距大，內(nèi)外墻存在深度差，在承受相同單位側(cè)摩阻力作用時(shí)，地連墻承載能力更大.分析三類不同格柵式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)七個(gè)點(diǎn)，內(nèi)外墻存在深度差，內(nèi)墻深度大，間距大的格柵式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)承受的單位墻端阻力最小.