等厚勁性水泥土墻型鋼拔除數值模擬分析

□文/陳烜 周淦 丁克勝 刁曉翔 刁寧

等厚勁性水泥土墻型鋼拔除數值模擬分析

□文/陳烜 周淦 丁克勝 刁曉翔 刁寧

文章通過Abaqus有限元數值模擬軟件建立基坑模型，模擬基坑開挖、支護、回填土和型鋼拔除工況，重點分析型鋼拔除階段的水泥土墻變形和周邊地面沉降。通過模擬分析，得出結果：型鋼拔除對水泥土墻深層最大水平位移和周邊地面沉降有較大影響；兩邊到中間對稱拔樁更有利于控制水泥土墻的變形和周邊地面沉降。

等厚；勁性水泥土墻；H型鋼；拔除；數值模擬

勁性等厚水泥土連續墻是指將H型鋼插入厚度均勻的水泥土攪拌地下連續墻內，起到加固土體和擋土、擋水的支護作用的技術。由于其優異的支護和隔水性能，目前，已用于一些超大、超深且施工環境較為復雜的基坑開挖工程中并取得較好的支護效果。此外，待基坑內地下室主體施工完畢后，插入的型鋼可回收利用是該項技術的特色之一[1]，而型鋼拔出時對水泥土墻體變形、新建建筑物的基礎和周邊環境的影響程度的分析，是此項技術急需研究的課題。

1　工程概況

1.1基坑概況

民園體育場提升改造工程位于天津市和平區重慶道、河北路、大理道和衡陽路所圍成的場地內，擬建體育場整體地下2層，地上2～3層；主體結構為框架結構。該項目基礎為樁基礎，基坑開挖面積約24 000 m2，周長約600 m，開挖深度為10.85～12.4 m，屬于深、大基坑工程。支護結構采用850mm厚、33.5m深的等厚度水泥土攪拌墻內插24 m長的H 700 mm×300 mm×13 mm×24 mm@600 mm型鋼作為擋土結構體系，內設2道鋼筋混凝土支撐，見圖1-圖3。

圖1　支護結構剖面

圖2　水泥土墻內插H型鋼

1.2地質條件

基坑土體參數見表1。

表1　基坑土體參數

1.3有限元分析擬解決的問題

通過有限元模擬回填土[2]、型鋼拔除工況[3]，研究不同的型鋼拔除順序對圍護墻變形和周圍地面沉降的影響。

2　數值模型的建立以及與實測結果對比

2.1Abaqus有限元數值模型的建立

基坑沿水泥土墻長度方向取6 m，坑內、坑外、深度3個方向的土體各取50m，滿足3～5倍開挖深度的影響范圍要求[2]。因此，模型橫向寬度100.85m（X），縱向長度6m（Y），深度50m（Z）。圍護墻厚0.85m，墻深33.5m，插入坑底以下22.6m。回填土尺寸為2.2m×6m×11.9m。

基于天津地區軟土特性[4]，土的本構模型采用理想彈塑性的Mohr-Coulomb（摩爾-庫倫）模型；水泥土墻同樣采用摩爾-庫倫彈塑性材料；型鋼、支撐和圍檁選用彈性材料模擬，見表2。

表2　模型材料屬性

基坑土體分三步開挖，分別開挖3、5.5、3.4 m，支撐支頂位置為距離墻頂2.6、8.1m。根據實際工程施工進度，按照表3所列工況建立分析步。

表3　模擬工況

水泥土墻和土、型鋼、圍檁之間分別建立接觸面[5]，接觸參數見表4。

表4　接觸面參數

土體、水泥土墻、型鋼和回填土選用實體單元，支撐和圍檁選用線單元模擬。實體單元網格類型為C3D8R[6]，線單元網格為B31。圖4是網格劃分之后的基坑模型，圖5單獨顯示水泥土墻和內插H型鋼。

圖4　基坑剖面網格劃分

圖5　型鋼和水泥土墻網格劃分

2.2數值模擬計算結果與實測結果對比分析

2.2.1水泥土墻變形的對比分析

模型選取的研究區域，對應實際工程中監測點號為A21。圖6是實測數據和數值模擬的墻體變形曲線對比。

對比可知，模擬結果中，開挖后墻體變形為頂端20.1 mm；深層最大水平位移為30.8 mm，位于墻體頂部以下8.5 m處；根據監測數據，開挖后墻體變形為頂端30 mm；深層最大水平位移為33.9 mm，位于墻體頂部以下9.6m處。對比模擬結果和實測數據，兩者墻體變形趨勢相同，模擬的數值稍微小于實測數據，這是因為實際工程的施工時間長，基坑變形的空間時效性更明顯。

圖6　水泥土墻水平位移曲線對比

2.2.2周邊地面沉降對比分析

模擬區域對應的臨近道路沉降的監測點號為DMS22，由臨近道路豎向位移監測日報表得出地面沉降曲線。圖7是實測數據和數值模擬的地面沉降曲線對比。

對比可得，模擬結果中，開挖后周邊地面沉降最大值約為0.676 cm，距離基坑5 m；根據監測數據，開挖后周邊地面沉降最大值約為0.86 cm，距離基坑5～9 m。兩者曲線趨勢大致相同，模擬的數值小于實測數據。

圖7　周邊地面沉降曲線對比

3　數值模擬計算結果分析

3.1不同拔樁順序對水泥土墻變形影響的數值分析

在以上模型參數的情況下，分別模擬順序拔樁、隔一跳拔、隔二跳拔、隔三跳拔、隔四跳拔和兩邊到中間對稱拔樁6種拔樁順序，得出拔樁前后墻體變形曲線，選取代表性的3條（兩端到中間、隔一跳拔和隔四跳拔）和拔樁前曲線一起繪于圖8。

由圖8可知，從地表往下，水泥土墻水平位移都是先逐漸增加，達到峰值后逐漸減小，-20 m以下水平位移在1 cm以內。其中拔樁前，墻體最大水平位移是3.08cm，位于墻頂以下8.5 m；拔樁后，墻體最大水平位移是4.9cm左右，位于墻頂以下10m。可見拔樁對墻體變形影響很大，拔樁引起墻體約2cm的水平位移增加。

由圖8中的第2、3、4條曲線看出，拔樁順序不同，墻體水平位移在-5～-12 m段有所差異，其余段基本相同。其中，兩邊到中間對稱拔樁時墻體水平位移最小；對于跳拔方式，跳拔根數越大，拔樁后墻體水平位移越小。但從總體來說各拔樁順序下墻體變形在數值上差距只有幾毫米，影響很小。

圖8　水泥土墻水平位移曲線

3.2不同拔樁順序對地面沉降影響的數值分析

基坑工程具有環境效應，勢必引起周圍地基地下水位的變化和應力場的改變[7]，導致周圍地基土體的沉降變形，對周圍建（構）筑物和地下管線產生影響，嚴重的將危及其正常使用或安全。下面就拔樁對周邊地面沉降的影響進行分析，模擬了順序拔樁、隔一跳拔、隔二跳拔、隔三跳拔、隔四跳拔和兩邊到中間對稱拔樁6種拔樁順序。選取代表性的3條（兩端到中間、隔一跳拔和隔四跳拔）和拔樁前曲線一起繪于圖9。

由圖9可知，拔樁前地面沉降整體較小，曲線較平緩，最大值（0.676 cm）在距離基坑5 m處，隨著距離基坑越來越遠，沉降值越來越小。拔樁后，距離基坑0～15 m區段地面產生較大沉降，最大位移增大3倍以上，最大可達2.4 cm（距離基坑5 m）；而在15～50 m區段，和拔樁前相比沉降值只有細微變化。

由圖9中第2、3、4條曲線可得，變換拔樁順序，地面沉降在距離基坑0～15 m區段上數值略有變化，15～50m區段基本一致。其中，兩邊到中間對稱拔樁時地面沉降最小；對于跳拔方式，跳拔根數越多，拔樁后基坑周圍地面沉降越小。

圖9　基坑周邊地面沉降曲線

4　結論

1）該空間模型能較好的模擬基坑實際工況和型鋼拔除效果，可以為實際工程提供參考。

2）型鋼拔除對水泥土墻變形和周圍地面沉降有很大影響。拔樁后，塑性的水泥土墻獨立承受彎矩能力較弱，墻體和拔樁前相比有大約2 cm的水平位移增加，進而影響地面沉降。施工時需要采取有效措施，如選用彈性模量較大的回填材料。

3）幾種不同拔樁順序對比，兩邊到中間對稱拔樁更有利于控制水泥土墻的變形和周邊地面沉降。由于該模型選取10根型鋼，數值上差距不太明顯，但是實際工程型鋼數量龐大，選擇兩邊到中間對稱拔樁的優越性將更加得以體現。

[1]何平，成躍兵，張宇，等.水泥土攪拌樁中H型鋼拔除回收施工技術[J].江蘇建筑，2010，（S1）：44-45.

[2]黃昌乾，張建青，陳昌彥.人工填土的勘察與評價[J].工程勘察，2010，（S1）：187-191.

[3]費康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[4]王新岐,梅榮利.天津市土基回彈模量值的合理確定[C].第七次全國城市道路與交通工程學術會議論文集[A].2002.

[5]CHEN Xiao-ping，YAN Jun.3D pole system finite elementanalysis of bracing structure of deep foundation pit[J].Rock and Soil Mechanics，2001，22（3）：258－261.

[6]曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答[M].北京：機械工業出版社，2009.

[7]鄭剛，焦瑩.深基坑工程設計理論及工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.02.004

□周淦、丁克勝/天津城建大學土木工程學院。

□刁曉翔、刁寧/天津住宅集團建設工程總承包有限公司。

□TU753

□C

□1008-3197（2015）02-09-03

□2014-12-02

□陳烜/男，1980年出生，講師，博士，天津城建大學土木工程學院。