雙排地下連續墻多因素敏感性分析中的應用研究

永 新

(華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510640)

引言

在撰寫本文時，關于國內外在船閘附近的深基坑工程中雙排隔板墻支撐結構應用的報道很少。在實際的工程實踐中，您只能參考類似的工程項目和以前的工程經驗進行設計。基于清遠樞紐二線船閘的深基坑工程，數值模擬是研究雙排地下連續墻支撐結構變形，受力特性和內應力的主要研究方法。

交實驗法(OAT)是一種使用正交數組創建測試用例的測試技術，當要測試的系統具有多組變量時，此方法最為有效。根據文獻，OAT通常與有限元建模(FEM)結合使用來分析基坑支護結構。建立了有限元模型來分析具有雙排橫墻和相鄰船閘結構的二線船閘基坑的性能(盛海林,2018)[1]。它可以用來確定每個變量的影響因素以及基于所需結果的更有利的設置參數。盡管所需資源有所不同，但OAT優化能夠獲得與基于可靠性的優化類似的結果(盛海林,2000)[2]。

研究了設計參數對雙排連續墻支撐結構變形的影響。結構參數包括：前連續墻的厚度(FWT)，開挖初期基坑變形的影響因素為基坑深度，支護結構剛度等(Finno R.J.,1981)[3]。前與后墻之間的距離(WS)和前墻進入基巖的深度(FWDB)。通過正交實驗法，要控制的關鍵參數是支撐結構的變形和相鄰船閘室的位移。采用正交試驗法將變形，支撐結構的內應力和相鄰船閘的沉降作為評價指標(田海亮,2013)[4]。通過對多組參數變化的分析，得出了相應的影響規律，并探索了參數優化的方向，為以后的類似工程實踐提供了更為全面的參考。希望該課題的研究為雙排連續墻支護結構的設計和施工實踐提供參考。

一、工程概況

(一)基坑支護方案

清遠二線船閘擴建工程的考慮條件為：地質條件復雜，基坑深度大,基坑周圍的設計洪水位很高,覆蓋層很深，部分由堅固的可滲透砂卵石層制成,需要垂直支撐結構以滿足基坑位移控制要求,靠近一線船閘室結構，一線船閘與二線船閘中心軸之間的距離僅為90m。之前介紹的條件讓設計部門選擇為二線船閘上閘段的基坑由半重力結構支撐，該半重力結構具有側向支撐和雙排地下連續墻。

(二)支護結構設計

上閘首段基坑寬度65m，深約15.5m，支護形式采用地下連續墻+坑內2道鋼筋砼支撐系統的方案(見圖1)。

圖1 上閘首段基坑剖面圖

最靠近一線船閘的二線船閘基坑側采用雙排隔膜支撐結構。地面連接壁前后壁的凈間距為7.8m，隔板壁的頂部高度為6.50m，前隔板壁的厚度為1200mm，后隔板壁的厚度為1000mm。墻朝向基坑的一側與中風化巖石相距3m，外墻沒有隔水要求。

二、船閘基坑開挖有限元建模

為準確地模擬帶撐雙排地下連續墻及鄰近一線船閘閘室的受力及變形狀況，以MIDAS GTS有限元軟件進行數值模擬分析，巖土體本構采用硬化土(HS)模型，根據實際情況建立二維平面有限元模型(見圖2)。

(一)模型及參數選取

為了提高計算效率并提高有限元計算的收斂性，建立了三維應變模型。項目基坑寬度為65m，深度為15m。為了盡可能消除模型邊界條件對基坑的影響，模型尺寸為280m×95m×50m(寬×長×高)，而實際案例邊界條件為160m×56m×40。由于項目的規模，分析的重點是橫截面的寬度和高度。水平約束應用于模型的左右兩端，水平約束和垂直約束應用于底部。利用三維平面應變單元對巖體和船閘結構進行了模擬。與實際情況相反，由于重力或存在的物體已經存在約束。

考慮到工程項目的復雜性和規模，僅考慮了土體，支撐結構和相鄰的現有船閘室的自重載荷。在DRDW和土壤之間布置了一個界面單元，以模擬支撐結構與巖石和土壤體之間的滑動接觸行為。界面強度降低系數R統一為0.8，虛擬厚度系數tv為0.1。對于DRDW筏支撐和柱，通過梁單元進行模擬，

三、正交實驗法分析多因素敏感性分析

(一)正交實驗法

在許多多因素實驗中都需要進行。在因素多的情況下，如果測試方法比較全面，測試數量過多，可操作性較低，那么“正交測試方法”可以減少測試數量并獲得更好的結果，這是科學的研究和處理多因素實驗的有效方法。

在這種設計下，因素主要影響的估計彼此獨立，方差分析簡單直觀。OAT設計的一般定義：一個包含“m”，每個因子的設計，并且“n”試驗如果構成對任意兩個因子的完整，相等，重復的測試，則稱為正交試驗。具體地說，正交檢驗滿足以下兩個條件：

1.每個因素的不同水平在實驗中出現的次數相同(平衡)。

2.任何兩個因素的不同水平在實驗中出現的次數相同(正交)。

(二)雙排地下連續墻正交實驗

本文研究的DRDW支撐結構受到壓力，彎矩，變形等的影響。我們選擇三個因素，即前壁厚度，壁間距和基巖前壁深度(FWDB)。測試期間測試因素的狀態和條件的變化可能會導致測試指標發生變化。我們稱因素的各種狀態和條件改變了因素的水平。對于定量因素，如果僅考慮線性效應，則三個級別就足夠了。對于非線性效果，需要四個或更多級別。

在本文中，我們需要建立變形，彎曲力矩和設計之間關系的優化模型，即進行定性分析。因此，對于支撐結構的三個測試因素，我們選擇每種水平的三個因素。測試因子及其水平示于表1。從表2和圖2可以看出，對于影響系數，前壁厚度的極端差異最大，即影響最大。隨著前壁厚度的增加，整體變形顯著減小。進入基巖的深度隨之而來，與后壁厚度相比，壁間距為第三。比相差大，因此對變形的影響在客觀上較小。

表1 因素與等級正交設計

表2 正交實驗系數表格

圖2 評價指標和實驗因素影響趨勢圖

根據這些信息可以清楚地看出，后壁的主要作用是減輕前壁的內部應力，而前壁在相鄰船閘的變形和基坑的支撐結構中起著更為積極的作用。最大變形與其重要因素之間存在顯著差異，顯示出線性關系。

四、結論

本文以清遠樞紐樞紐新二線船閘擴建工程中的雙排隔板墻支護方案為工程案例。應用研究方法是數值分析。深入研究了基坑開挖模型中的有限元方法和土的本構模型。

使用正交陣列測試方法，確定了多種可能的改進。改進的影響極小，但進一步支持以下結論：影響最大的因素是進入基巖的前壁厚度和前壁深度。它還證實了后壁在很大程度上有助于降低前壁的內部應力的說法。分析為從壁空間和前壁深度增加到基巖的內部應力的急劇變化提供了詳細的參考，并提出了一套建議的最佳設計參數，以略微改善支撐結構的變形和相鄰船閘室的位移。作為一種簡單經濟的多因素優化方法，給出了實現優化目標的步驟。本文提出的優化設計方法為實際工程應用提供了參考，為復雜非線性問題的優化分析提供了一種新的方法。