曹　峰，張東東

(中交第二公路工程局有限公司，陜西　西安　710065)

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某圓形地下連續(xù)墻基礎(chǔ)施工階段數(shù)值模擬分析研究

曹峰，張東東

(中交第二公路工程局有限公司，陜西西安710065)

文章通過使用Midas/GTS有限元軟件對某錨碇圓形地下連續(xù)墻基礎(chǔ)在不同開挖方式下的應(yīng)力、應(yīng)變及地下連續(xù)墻應(yīng)力、應(yīng)變對結(jié)構(gòu)幾何尺寸的敏感性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析地下連續(xù)墻橋梁工程施工階段的特點(diǎn)。結(jié)果表明，采用平挖方案和不對稱開挖方案時(shí)，地下連續(xù)墻的變形及應(yīng)力均能滿足施工監(jiān)測預(yù)警值要求，不會(huì)使得支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形。

錨碇；圓形地下連續(xù)墻；開挖方式；數(shù)值模擬

0　引言

地下連續(xù)墻已發(fā)展60多年，隨著新材料、新機(jī)械、新技術(shù)的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各種地下構(gòu)筑工程、水利工程、市政工程等。使用該類型基礎(chǔ)可以加快施工速度、降低工程費(fèi)用，還能在施工中降低噪音、減少振動(dòng)，并能在接近已有建筑物的附近施工[1-2]。其之所以能加速施工和降低成本，主要是簡化了施工。本文主要通過對某錨碇圓形地下連續(xù)墻基礎(chǔ)施工方案的數(shù)值分析，闡述地下連續(xù)墻橋梁工程施工階段的特點(diǎn)。

1　工程概況

某錨碇基礎(chǔ)采用地連墻方案作為基坑開挖的支護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)地質(zhì)情況及錨體設(shè)計(jì)需要，地連墻采用外徑為82.0 m，壁厚為1.5 m的圓形結(jié)構(gòu)，底標(biāo)高-35.00～-43.00 m，底部嵌入中風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖層；地連墻分Ⅰ期、Ⅱ期兩種槽段施工，槽段共54個(gè)，設(shè)計(jì)最大槽深46.0 m。

地連墻施工完成后，采用逆作法分層開挖土體，分層施工內(nèi)襯。土體開挖深度為27 m，土體開挖主要采取平挖方案，內(nèi)襯及土體分層高度控制在3 m以內(nèi)?？紤]到施工組織的要求，對局部采取超挖3 m、不對稱開挖等方案。

2　錨碇基礎(chǔ)三維數(shù)值模型的建立

本文使用MIDAS/GTS 4.0版本對基坑進(jìn)行三維數(shù)值模擬并分析該基坑在各工況下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。為了滿足計(jì)算精度的要求，選擇Midas.GTS中土體的摩爾-庫倫本構(gòu)模型能夠很好地反映出土體的彈塑性特征，在計(jì)算區(qū)域上需要考慮足夠的計(jì)算范圍。由工程概況確定建立計(jì)算模型為：長240 m，寬240 m，深80 m。模型共劃分單元36 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為110 000個(gè)。

地下連續(xù)墻基坑整體網(wǎng)格模型如圖1～3所示。

圖1　基坑模型網(wǎng)格圖

圖2　地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

圖3　異型土層局部網(wǎng)格圖

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，基坑開挖巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)值見表1。

3　施工工況模擬

3.1平挖施工方式

坑內(nèi)開挖土體及內(nèi)襯共分9層，每次開挖土體及施工內(nèi)襯高3 m，土體開挖與內(nèi)襯同時(shí)施工。具體施工順序如圖4所示，對施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖4　基坑縱向施工過程順序圖(圖中藍(lán)色部分為內(nèi)襯)

基坑在開挖過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受水、土應(yīng)力影響，產(chǎn)生變形。圖5給出基坑在開挖完成后圍護(hù)體系的應(yīng)力應(yīng)變云圖。

(a)開挖完成后地連墻水平位移

(b)開挖完成后地連墻正應(yīng)力

經(jīng)數(shù)值分析，基坑在開挖過程中產(chǎn)生了不同程度的變形，基坑在各工況狀態(tài)下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變水平[3]見表2。

從表2可知，隨著基坑開挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和其對應(yīng)的水平位移逐漸增大，當(dāng)基坑開挖完成后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大累計(jì)位移為6.18 mm(小于規(guī)范要求30 mm預(yù)警值)。

表2　基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀況表

3.2不對稱開挖施工方式

不對稱開挖方案是將島式開挖方案分為若干部分并分別對預(yù)設(shè)區(qū)段進(jìn)行依次開挖。對該方案的數(shù)值分析采用先開挖每層1～7部位，再開挖8～14部位，最后將中心60 m圓形區(qū)域開挖，當(dāng)一層開挖完畢后按照相同順序?qū)ο聦油馏w進(jìn)行開挖[4]。

該方案的單層開挖順序如圖6所示，各區(qū)段施工按照數(shù)字由大到小依次進(jìn)行開挖，且圖中陰影部分為已開挖部位。

(a)

(b)

(c)

按照圖6開挖方案對每工況的開挖進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果顯示：在不對稱開挖方案條件下，最不利工況(工況9)下地連墻X方向最大水平位移為6.084 mm，Y方向最大水平位移為3.426 mm，地連墻最大壓應(yīng)力為2.74 MPa。相對于平挖開挖方案，其地連墻X方向最大位移降低0.312 mm；地連墻Y方向最大位移降低0.361 mm；最大壓應(yīng)力降低0.22 MPa。采用不對稱開挖使地連墻水平位移及最大壓應(yīng)力有較小幅度的降低，應(yīng)力水平滿足材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，根據(jù)計(jì)算值在實(shí)際中不會(huì)引起支護(hù)體系的破壞。

3.3地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)敏感性分析

為考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工變形效應(yīng)，該方案將支護(hù)體系平面形式由半徑為82 m的圓形轉(zhuǎn)換為橢圓形，橢圓長軸為r(1+5%)，短軸為r(1-5%)，即長軸長84 m，短軸長76 m。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖如圖7所示。

圖7　圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面示意圖

在變形圍護(hù)方案條件下，基坑開挖數(shù)值計(jì)算結(jié)果為：最不利工況(工況9)下地連墻X方向最大水平位移為5.52 mm，Y方向最大水平位移為7.06 mm，地連墻最大壓應(yīng)力為2.84 MPa。支護(hù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸變形后地連墻水平位移及最大主應(yīng)力有較小幅度增加或減小，應(yīng)力水平滿足材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，根據(jù)計(jì)算值在實(shí)際中不會(huì)引起支護(hù)體系的破壞，說明在實(shí)際的施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸發(fā)生微小變形對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的敏感性不顯著，影響很小，在施工中可以不考慮幾何尺寸微小變形對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

3.4超挖方案分析

為考慮施工過程中架設(shè)襯砌所需要的足夠空間，需對基坑超挖進(jìn)行數(shù)值分析，以預(yù)防該基坑在超挖工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形[5]。

結(jié)合施工條件，在與設(shè)計(jì)方和施工方討論之后，對該工程進(jìn)行超挖預(yù)測，超挖規(guī)則按照每工況在島式開挖基礎(chǔ)上開挖深度下沿3 m，且超挖3 m為無內(nèi)砌支護(hù)臨空裸露狀態(tài)。工況8至工況9的開挖順序見圖6，當(dāng)開挖至工況8時(shí)，對稱開挖方案下該基坑應(yīng)挖至24 m處。在超挖方案下，該工況基坑開挖深度為27 m，且0～24 m采用內(nèi)襯支護(hù)，25～27 m部位未設(shè)置內(nèi)襯，即此3 m為無內(nèi)襯支護(hù)的“臨空無撐”部位，詳細(xì)示意圖如圖8所示。

(a)工況8

(b)工況9

按照圖8開挖方案對每工況的開挖進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果顯示：在超挖方案條件下，最不利工況(工況9)下地連墻X方向最大水平位移為6.72 mm，Y方向最大水平位移為4.29 mm，地連墻最大壓應(yīng)力為2.33 MPa。

采用超挖方式使地連墻水平位移及最大主應(yīng)力有較小幅度增加，應(yīng)力水平滿足材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，不會(huì)引起支護(hù)體系的破壞，說明在實(shí)際的施工過程中采用超挖方式是可行的。

4　結(jié)語

(1)通過數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，采用平挖方案、不對稱開挖方案及部分超開挖時(shí)，地連墻的最大水平位移及最大應(yīng)力均能滿足材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求和監(jiān)測預(yù)警值要求，根據(jù)計(jì)算值在實(shí)際中不會(huì)引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，不會(huì)使得支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形?？刹捎迷搩煞N方案進(jìn)行實(shí)際施工。

(2)地連墻結(jié)構(gòu)幾何尺寸發(fā)生微小變化對地連墻的水平變形和應(yīng)力影響很小，說明地連墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變對幾何尺寸發(fā)生微小變形的敏感性不顯著。在實(shí)際施工，地連墻結(jié)構(gòu)因施工原因產(chǎn)生微小施工誤差是允許的。

(3)數(shù)值模擬對施工起到了預(yù)測的作用，隨著施工的進(jìn)行，不斷累積現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，不斷反演計(jì)算，辨識土體新的等效參數(shù)，建立更加完整的空間模型為后續(xù)施工提供指導(dǎo)作用。

[1]李云安，葛修潤，張鴻昌.深基坑工程變形控制與有限元數(shù)值模擬分析[J].地質(zhì)與勘探，2001，37(5)：73-76.

[2]龔曉南，高有潮.深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[3]邵敏，等.有限元法基本原理與數(shù)值方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[4]柏國利.圓形地下連續(xù)墻殼體有限元數(shù)值模擬分析[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

[5]田蓓蕾.基于變形控制的深基坑地下連續(xù)墻支護(hù)數(shù)值模擬研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2012.

Numerical Simulation Analysis on Foundation Construction Stage of A Cir-cular Diaphragm Wall

CAO Feng，ZHANG Dong-dong

(CCCC Second Highway Engineering Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi，710065)

By using Midas/GTS finite element software，this article conducted the numerical simulation for the stress，strain and diaphragm wall stress，and the sensitivity of strain to structure geometry of circular diaphragm wall foundation of an anchorage under different excavation methods，and analyzed the fea-tures of diaphragm wall bridge construction phase.The results showed that，when using the flat excava-tion program and asymmetrical excavation program，both deformation and stress of diaphragm wall can meet the requirements of construction monitoring and warning value，and the supporting structure has no greater deformation.

Anchorage；Circular diaphragm wall；Excavation method；Numerical simulation

U445.55

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.03.018

1673-4874(2016)03-0065-05

2016-03-02

曹峰(1982—)，碩士研究生，工程師，研究方向：公路項(xiàng)目試驗(yàn)檢測，施工監(jiān)控、監(jiān)測等；

張東東(1983—)，碩士研究生，工程師，研究方向：公路項(xiàng)目橋梁設(shè)計(jì)、變更等。