孫海霞， 張 超， 于 穎， 徐立軍

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

地下連續(xù)墻基礎起源于歐洲，發(fā)展于日本.所謂地下連續(xù)墻，就是利用各種挖槽機械，向地下開挖出一條既窄又深的溝槽，在泥漿護壁的作用下成型，并在溝槽之內(nèi)澆筑適當?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，一種新型的自立式復合支護結構——格形地下連續(xù)墻在國內(nèi)的一些船塢基坑和水電工程已得到了應用，例如桐子林水電站導流明渠地基基礎原設計為“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，開創(chuàng)了單室格柵式地下連續(xù)墻成功應用的先例.廣東某過江隧道由于在施工階段原有護岸不能保證穩(wěn)定性要求，對護岸進行的支護設計方案就是格柵式地下連續(xù)墻支護.南京青奧軸線J匝道區(qū)段深基坑施工圍護結構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構使用，亦可作為豎向承載結構.在日本，格形地下連續(xù)墻是一種新型的橋梁基礎，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取代傳統(tǒng)的沉井式基礎；日本青森大橋主墩P9、P10亦采用了單室閉合型地連墻基礎，取得了較好的經(jīng)濟效益[8].雖然格形地下連續(xù)墻已經(jīng)在實際工程中被設計為豎向承載結構使用，但目前國內(nèi)關于格形地下連續(xù)墻豎向承載特性的研究尚處于起步階段.數(shù)值模擬近年來在基礎工程中應用廣泛，可借助數(shù)值模型代替原位試驗[9].本文基于ABAQUS有限元分析軟件[10]，設定工況為格柵式地下連續(xù)墻基礎應用在工民建基礎中，墻頂不設承臺蓋板，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)，這對于工民建基礎形式的創(chuàng)新具有一定意義.

1 數(shù)值計算及模型

受施工技術和成槽設備的限制，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)值模型進行模擬，位于模型外側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，基于場地土邊界效應的考慮，本文設置格柵式地下連續(xù)墻基礎的水平向計算邊界為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)墻的最長邊，豎向計算區(qū)取為2D.為方便模擬簡化計算又符合實際工程應用，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，為了分析基礎模型間的差異，墻體材料均采用強度等級為C30的混凝土，由于以往靜載試驗中地連墻內(nèi)部應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彈塑性本構模型，根據(jù)文獻[11]，為了達到簡化計算的目的，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

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

圖4 地應力平衡Fig.4 Equilibrium of in-situ stress

2 數(shù)值計算結果分析

為了更加清晰地對比3個不同模型承載性狀，3個模型選取截面相同位置延深度方向進行比較，分析點位置選取如圖5、6所示.

圖5 沉降與側摩阻力分析點位置Fig.5 Point locations for analysis of settlement and lateral friction resistance

2.1 沉降深度曲線分析

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

圖7 1點處沉降深度曲線Fig.7 Settlement-depth curves of point 1

2.2 側摩阻力深度曲線分析

圖8 2點處沉降深度曲線Fig.8 Settlement-depth curves of point 2

圖9 3點處沉降深度曲線Fig.9 Settlement-depth curves of point 3

圖10 4點處沉降深度曲線Fig.10 Settlement-depth curves of point 4

圖11 5點處沉降深度曲線Fig.11 Settlement-depth curves of point 5

圖12 6點處沉降深度曲線Fig.12 Settlement-depth curves of point 6

圖13 1點處側摩阻力深度曲線Fig.13 Lateral friction resistance-depth curves of point 1

圖14 2點處側摩阻力深度曲線Fig.14 Lateral friction resistance-depth curves of point 2

圖15 3點處側摩阻力深度曲線Fig.15 Lateral friction resistance-depth curves of point 3

圖16 4點處側摩阻力深度曲線Fig.16 Lateral friction resistance-depth curves of point 4

圖17 5點處側摩阻力深度曲線Fig.17 Lateral friction resistance-depth curves of point 5

圖18 6點處側摩阻力深度曲線Fig.18 Lateral friction resistance-depth curves of point 6

表2 拐點位置與單位側摩阻力最大值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七個點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)，第三類地連墻各點曲線值最小，這說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，施工設計過程中墻端部可適當降低混凝土強度標號與鋼筋用量，節(jié)約施工成本.第一類與第二類地連墻各點所受單位端阻力相當，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.三類地連墻同時在E點處墻端阻力達到最大，角部單位端阻力大于墻中單位端阻力，在施工過程中要注意掌控.

圖19 A～G點墻端阻力曲線Fig.19 Toe resistance curves of A to G points

3 結 論

通過對三類不同幾何形式九室格柵式地下連續(xù)墻基礎的豎向荷載模型進行數(shù)值模擬，研究了格柵式地下連續(xù)墻基礎的承載特性，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沉降量小.

三類格柵式地下連續(xù)墻側摩阻力發(fā)展趨勢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，在承受相同單位側摩阻力作用時，地連墻承載能力更大.分析三類不同格柵式地下連續(xù)墻基礎七個點，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)墻基礎承受的單位墻端阻力最小.