高水位區地下連續墻穿越粉砂層槽壁穩定性數值分析*

嚴朝鋒，張孟喜，周忠群

(1.中鐵二十局集團第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215151； 2.上海大學力學與工程科學學院，上海 200444)

0 引言

地下連續墻具有整體性好、結構剛度大、抗滲抗裂性能好等一系列優點，因此，在地下結構深基坑圍護中得到廣泛運用。但在復雜地質成槽施工中，槽壁經常發生失穩破壞，尤其是在湖中高水位區進行施工，槽壁失穩現象更加明顯，成槽開挖后會造成土體的卸載效應，槽壁周邊土體會出現應力重分布[1]，依靠成槽后泥漿的護壁壓力來維持槽壁的穩定，當泥漿的護壁壓力不足以平衡土體的主動土壓力和水壓力的合力時，槽壁穩定狀態被打破，從而發生失穩破壞，因此，研究湖中高水位地層成槽施工中槽壁失穩機理及變形規律就顯得十分必要。

目前，針對各種復雜地質槽壁失穩問題已經開展了很多研究，Oblozinsky等[2]通過槽壁的二維和三維彈塑性有限元對比分析發現:在平面應變條件下，深層土體的穩定性最差；在三維條件下；接近地表面位置土體的穩定性最差。George等[3]對泥皮形成前槽壁局部穩定性進行了研究，認為增大泥漿密度對槽壁穩定性具有3方面的有益作用。丁勇春等[4]采用 FLAC3D對地下連續墻成槽施工及墻體硬化全過程進行模擬，分析了槽壁加固、混凝土導墻、剛性地坪及側邊已有墻體等施工因素對槽壁側向位移和地面沉降的影響。秦會來等[5]采用ABAQUS軟件，土體本構模型選用修正劍橋模型，分析研究正常固結黏性土中超深下連續墻槽段施工所誘發的地層變形特點。Zhuo等[6]借助離心模型試驗研究了不同類型泥漿對軟土地層地下連續墻成槽施工槽壁穩定性的影響特征。姜濤[7]針對單一土層進行成槽施工模擬，探究了成槽施工中土體的水平應力、水平側向位移及地面沉降的變化規律。李曉海[8]通過現場試驗和數值模擬，探究了減壓降水對粉砂層槽壁穩定性的影響。李慕涵[9]采用數值分析軟件對緊鄰3幅地下連續墻成槽全過程進行模擬，重點分析了槽壁土體受力與變形規律。朱寧等[10]采用FLAC3D對地下連續墻施工進行模擬，分析蘇州地區粉土地層中地下連續墻施工對土體擾動及周邊建筑物的影響。邱明明等[11]以深厚富水砂層地下連續墻成槽施工為研究背景，通過現場試驗和數值模擬研究深厚富水砂層地下連續墻泥漿槽壁穩定性特征及其影響因素。

目前，多數學者在對地下連續墻的數值模擬中忽略了泥皮作用，這明顯與實際不符，而本文以蘇州春申湖路快速化改造工程為背景，選取三工區湖中圍堰施工段的部分地下連續墻進行研究，考慮了泥皮的作用，采用有限元軟件ABAQUS對地下連續墻成槽施工過程進行數值模擬，揭示高水位區地下連續墻成槽施工中槽壁變形規律，并對主要失穩影響因素進行參數分析，從而對施工參數進行優化，以提高槽壁穩定性，為后續湖中高水位區地下連續墻施工提供一些參考。

1 工程概況

蘇州春申湖路快速化改造工程以隧道形式由西向東穿越陽澄西湖，湖中段基坑施工長度為2 685m， 深度10.54～18.17m，隧道采用圍堰明挖法，圍堰采用拉森鋼板樁進行隔水施工，湖中圍堰平面布置如圖1所示。湖中段基坑圍護結構采用地下連續墻，槽段長度為6m，厚度為1m，深度為42m,導墻兩側采用倒L形鋼筋混凝土結構，地下連續墻混凝土設計強度等級為水下C30及水下C35兩種，墻體之間的接頭采用H型鋼連接。

圖1 湖中圍堰平面布置

根據勘探結果，沿線場地地表下90.300m深度范圍內地基土構成除填土外，其余為第四系濱海、第四系河泛、河床相沉積物，一般由黏性土、粉(砂)土組成。場地淺層地下水中孔隙潛水主要賦存于淺部填土及黏性土中，水位埋深0.700～4.100m，標高-0.530～1.630m，穩定水位埋深0.300～4.300m，標高0.480～2.090m。地下潛水受大氣降水、地表水入滲補給，通過地面蒸發及側向徑流排泄。水位隨季節、氣候變化而波動，在雨水季節補給量大于排水量，潛水面相對上升，含水層厚度加大。旱季排泄量大于補給量，潛水面下降，含水層變薄，夏秋季節為高水位，冬春季節為低水位。地下連續墻成槽施工需要穿越承壓水層，微承壓水主要賦存于③3粉土及④2粉土夾粉砂中，其富水性一般，透水性較好。承壓水主要賦存于⑥3粉土夾粉砂及⑦2粉土層中，富水性中等。

2 數值模擬

2.1 計算模型

結合現場湖區段地下連續墻施工的實際情況，采用ABAQUS對湖區地下連續墻進行有限元模擬，選取湖區段部分地下連續墻進行分析，基于對稱原理，模型采用實際地下連續墻的一半進行分析，沿著厚度的中垂面進行切割，取一半進行建模，則模型中地下連續墻的尺寸變為：長度6m，深度42m，厚度0.5m，模型中沿著槽段長度方向為x方向，沿著槽段厚度方向為y方向，沿著槽段深度方向為z方向。土體采用實體單元C3D8P，土體采用莫爾-庫侖模型為破壞的屈服準則，導墻采用線彈性單元，泥皮采用彈塑性單元，由于泥皮是依附在槽壁上的薄層，且剛度較小，建模用薄殼單元進行模擬，地下連續墻成槽施工模擬的三維模型如圖2所示，計算模型共計18 360個實體單元，20 615個結點。計算模型尺寸為120m×60m×80m。邊界條件設置：其中對稱面為y=0，采用對稱約束，y=60m平面約束y方向位移，x=0和x=120m兩個平面約束x方向位移，底面約束3個方向位移，地面為自由面，保證模型的豎向變形不受邊界條件約束。孔壓邊界設置：地下水位所處平面孔壓設置為0，底面孔壓設置為P=γwZ(γw為水的重度；Z為計算點到地面距離)，其他邊界默認為不透水層。

圖2 有限元三維模型

2.2 土層計算參數

湖區槽段地層由黏性土、粉土、砂性土交互沉積而成，按土層結構、成因及性狀特性將其劃分為6層，如圖3所示，土體和構筑物的物理力學參數如表1所示。由于湖區地下水位過高，在地下連續墻成槽施工中，地下水滲流作用明顯，因此，數值模型考慮地下水的滲流作用，ABAQUS中通過設置土層中的孔隙壓力來模擬地下水的靜水孔隙水壓力作用，從而對成槽施工中槽壁穩定性進行流固耦合分析[12]。

表1 土體及構筑物物理力學參數

圖3 槽段橫剖面

2.3 計算步驟

地下連續墻塌槽絕大多數情況下發生在成槽開挖和泥漿護壁的過程中，由于土體開挖后，槽壁處于懸空狀態，容易發生坍塌，而在混凝土澆筑和凝結硬化階段，槽段內的混凝土會向槽壁外側擠壓土體，減小槽壁的側向變形，槽壁的穩定性會得到提高。本文重點研究槽壁塌槽規律，因此，數值建模中不考慮成槽后混凝土澆筑和凝結硬化成墻兩個階段，主要研究土體開挖和泥漿護壁過程中槽壁側向變形規律，模擬步驟如下。

1)地應力平衡 首先進行力學計算得到地層應力場，模型中考慮了導墻來計算土體的初始自重應力場。并清除自重應力所產生的位移及塑性區保留應力場，在此基礎上進行地下連續墻施工模擬。

2)成槽開挖和泥漿護壁 ABAQUS采用單元生死法來進行土體開挖的模擬，3步開挖成槽，成槽開挖后立即在槽壁泥皮上和槽底施加靜水泥漿壓力Fs(見圖4)，通過在槽壁四周區域單元表面賦予壓強模擬泥漿護壁壓力，泥漿壓力分布規律為：

圖4 泥漿護壁壓力分布

Fs=γbZ

(1)

式中：γb為泥漿重度，取11kN/m3；Z為泥漿深度(m)。

3 數值結果分析

3.1 承壓水作用對槽壁側向位移影響分析

不考慮承壓水和考慮承壓水兩種情況下的槽壁側向位移對比如圖5所示。考慮到承壓水對粉土夾砂層抗剪強度的削弱影響，從而對粉土夾砂層的強度參數進行一定程度的折減[13]。由圖5所知，不考慮承壓水對土體的作用時，槽壁呈現單峰狀，槽壁側向位移沿深度呈現隨深度增大而增大，之后接近槽段底部時側向位移達到最大值然后迅速減小至零，側向位移最大值約在0.9倍槽深處。而考慮承壓水作用時，槽壁呈現雙峰狀，在粉砂層側向位移呈現局部增大的情形，之后在槽段底部0.9倍槽深處呈現最大值。

圖5 承壓水作用對槽壁側向位移的影響

經計算，考慮承壓水時，槽壁在底端粉砂層存在明顯的塑性破壞區。湖區地下連續墻超聲波檢測結果如圖6所示。由圖6可知，湖區地下連續墻施工在底部⑥3粉土夾砂層出現滑塌，而數值模擬結果顯示，槽壁最大側向位移在槽段底端35m處，槽壁側向位移顯著影響區域為30～40m，且該區域存在明顯的塑性破壞區，這和現場槽段超聲波實測滑塌區域基本一致。因此，承壓水對地下連續墻成槽施工影響很大，在實際施工中，承壓水的影響不能忽視，實踐表明。地層存在高承壓水頭時，應當采用槽壁外側減壓降水措施，從而確保地下連續墻成槽的穩定。

圖6 湖區槽段超聲波檢測結果

3.2 泥皮作用對槽壁側向位移影響分析

不考慮泥皮和考慮泥皮兩種不同情況下的槽壁側向位移對比如圖7所示，兩種情況均考慮承壓水，由圖7可知，兩種情況的曲線趨勢大致相同，考慮泥皮時槽壁側向位移適當減小，泥皮一定程度上是能起到保護槽壁的作用，但在粉砂層和粉土層的影響較黏性土大。

圖7 泥皮作用對槽壁側向位移的影響

兩種情況下槽壁塑性應變對比如圖8所示。由圖8可知，考慮泥皮時，槽壁塑性應變明顯比不考慮泥皮時小很多，說明從塑性應變的角度去考慮槽壁穩定性，則泥皮作用對槽壁起到明顯的保護作用，因此，在實際地下連續墻施工中，粉土夾砂層的間隙較大，不利于泥皮的形成[14]，而泥皮對槽壁穩定性的影響也不可忽略，可通過控制泥漿配合比改善泥皮性能。

圖8 泥皮作用對槽壁塑性變形的影響

3.3 槽壁側向位移在空間上的分布規律

由確定的槽壁提取路徑(見圖9)，在考慮承壓水的情況下，分別提取距槽壁中垂面距離0，1，2，3m處槽壁側向位移值，繪制槽壁側向位移沿深度的變化曲線(負值表示向槽段內側變形)，如圖10所示。由圖10可知，距槽段中垂面不同距離處槽壁側向位移沿深度的變化規律一致，均為雙峰狀，在粉土夾砂層和接近槽段底部處出現最大側向位移，而靠近地面的槽壁側向位移很小，說明導墻的存在很大程度上約束了地表處槽壁的側向變形，距離槽段中垂面越近，槽壁的側向位移越大，槽段兩側和底部側向位移較小。由此說明三維的土拱效應在槽段兩側及底部作用明顯。

圖9 槽段提取路徑示意

圖10 槽壁側向位移沿深度的變化曲線

4 槽壁穩定性影響因素分析

4.1 地下水位對槽壁穩定性的影響

地下水位對槽壁側向位移的影響如圖11所示，由圖11可知，地下水位對槽壁側向位移的影響大，尤其是粉砂層的側向位移變化量明顯比其他土層影響大，粉砂層的滲透系數遠遠大于其他土層，滲透系數大的土層對地下水位的變化較為敏感。另外，地下水位在地下1.5m時側向位移最大，且隨著地下水位變為地下3.0m時，粉砂層槽壁最大側向位移從32mm下降到24mm，下降了8mm，而當水位從地下4.5m再次降到6.0m時，槽壁最大側向位移僅變化2mm，由此可見，地下水位過高對槽壁穩定性影響較大，因此，需要對地下水位過高的地區采取降水措施，保持地下水位在一個相對穩定的狀態，從而提高槽壁的穩定性，防止槽壁發生塌槽。

圖11 地下水位對槽壁側向位移的影響

4.2 內摩擦角對槽壁穩定性的影響

內摩擦角對槽壁側向位移的影響如圖12所示，可以看出，改變粉砂層的內摩擦角只對鄰近土層側向位移產生影響，對較遠的土層側向位移幾乎不產生影響，當粉砂層內摩擦角達到16.6°時，粉砂層槽壁側向位移最大，達到36mm，隨著內摩擦角的不斷增大，槽壁側向位移逐漸減小，起初最大側向位移變化大，當內摩擦角達到一定程度，側向位移變化就較小。由此說明，內摩擦角對槽壁穩定性的影響很大，當粉砂層中存在承壓水時，承壓水會加速土粒流動，會對土的抗剪強度產生削弱作用，從而一定程度上降低了土層的內摩擦角，從而使槽壁穩定性降低。除此之外，當遇到軟弱土層時，可以采用局部加固措施，如局部凍結，可提高土體的強度，進而提高槽壁穩定性。

圖12 內摩擦角對槽壁側向位移的影響

4.3 黏聚力對槽壁穩定性的影響

黏聚力對槽壁側向位移的影響如圖13所示。由圖13可知，改變黏聚力也會對鄰近土層側向位移產生影響，而對較遠土層側向位移幾乎不產生影響。黏聚力越小，槽壁最大側向位移越大，當黏聚力為5kPa時，粉砂層槽壁側向位移最大，最大值為16mm，隨著黏聚力的增大，槽壁最大側向位移穩步減小，但變化幅度均相對較小。由此說明，黏聚力對槽壁穩定性也發揮著重要的作用，當土層中含有承壓水時，承壓水的作用可能對內摩擦角和黏聚力均產生削弱作用，因此，不可忽視承壓水的作用，當承壓水頭過高時，要采取措施降低承壓水頭，降低承壓水的影響，從而提高槽壁穩定性。

圖13 黏聚力對槽壁側向位移的影響

5 結語

1)當考慮承壓水時，槽壁沿深度變化的側向位移曲線為雙峰狀，不考慮承壓水時，曲線為單峰狀。通過數值模擬和湖區槽段現場超聲波實測對比，結果基本吻合，因此，當考慮承壓水時，粉砂層槽壁側向位移明顯增大，槽壁容易出現失穩破壞。

2)泥皮作用對槽壁側向位移產生一定影響，但影響不大，若從土層塑性應變的角度來看，泥皮對粉砂層的塑性應變的影響較為明顯，因此，實際地下連續墻施工中不可忽視泥皮對槽壁穩定性的影響，一般可通過調整泥漿的配合比來改善泥皮的性能，從而提高槽壁穩定性。

3)通過對地下水位、內摩擦角以及黏聚力的影響參數分析，地下水位對槽壁側向位移影響較大，粉砂層的內摩擦角和黏聚力對槽壁的側向位移影響也較大，相比之下，內摩擦角對槽壁側向位移影響較黏聚力大。因此，在高水位區成槽施工中，應該結合降水措施以及對粉砂層等軟弱土層進行土體加固處理，從而能有效提高槽壁的穩定性。