某圓形地下連續墻基礎施工階段數值模擬分析研究

曹　峰，張東東

(中交第二公路工程局有限公司，陜西　西安　710065)

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某圓形地下連續墻基礎施工階段數值模擬分析研究

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墻基礎在不同開挖方式下的應力、應變及地下連續墻應力、應變對結構幾何尺寸的敏感性進行數值模擬，分析地下連續墻橋梁工程施工階段的特點。結果表明，采用平挖方案和不對稱開挖方案時，地下連續墻的變形及應力均能滿足施工監測預警值要求，不會使得支護結構產生較大變形。

錨碇；圓形地下連續墻；開挖方式；數值模擬

0　引言

地下連續墻已發展60多年，隨著新材料、新機械、新技術的發展，已廣泛應用于各種地下構筑工程、水利工程、市政工程等。使用該類型基礎可以加快施工速度、降低工程費用，還能在施工中降低噪音、減少振動，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墻基礎施工方案的數值分析，闡述地下連續墻橋梁工程施工階段的特點。

1　工程概況

某錨碇基礎采用地連墻方案作為基坑開挖的支護結構，根據地質情況及錨體設計需要，地連墻采用外徑為82.0 m，壁厚為1.5 m的圓形結構，底標高-35.00～-43.00 m，底部嵌入中風化泥巖、泥質粉砂巖層；地連墻分Ⅰ期、Ⅱ期兩種槽段施工，槽段共54個，設計最大槽深46.0 m。

地連墻施工完成后，采用逆作法分層開挖土體，分層施工內襯。土體開挖深度為27 m，土體開挖主要采取平挖方案，內襯及土體分層高度控制在3 m以內?？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　錨碇基礎三維數值模型的建立

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

地下連續墻基坑整體網格模型如圖1～3所示。

圖1　基坑模型網格圖

圖2　地下連續墻結構網格圖

圖3　異型土層局部網格圖

根據地質勘察報告，基坑開挖巖土體及支護結構物理參數值見表1。

3　施工工況模擬

3.1平挖施工方式

坑內開挖土體及內襯共分9層，每次開挖土體及施工內襯高3 m，土體開挖與內襯同時施工。具體施工順序如圖4所示，對施工過程進行數值模擬。

圖4　基坑縱向施工過程順序圖(圖中藍色部分為內襯)

基坑在開挖過程中，圍護結構受水、土應力影響，產生變形。圖5給出基坑在開挖完成后圍護體系的應力應變云圖。

(a)開挖完成后地連墻水平位移

(b)開挖完成后地連墻正應力

經數值分析，基坑在開挖過程中產生了不同程度的變形，基坑在各工況狀態下圍護結構的應力應變水平[3]見表2。

從表2可知，隨著基坑開挖深度的增加，圍護結構的應力和其對應的水平位移逐漸增大，當基坑開挖完成后，圍護結構的最大累計位移為6.18 mm(小于規范要求30 mm預警值)。

表2　基坑開挖過程中圍護結構應力應變狀況表

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設區段進行依次開挖。對該方案的數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圓形區域開挖，當一層開挖完畢后按照相同順序對下層土體進行開挖[4]。

該方案的單層開挖順序如圖6所示，各區段施工按照數字由大到小依次進行開挖，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行數值模擬計算。結果顯示：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力有較小幅度的降低，應力水平滿足材料設計強度要求，根據計算值在實際中不會引起支護體系的破壞。

3.3地連墻支護結構敏感性分析

為考慮支護結構的施工變形效應，該方案將支護體系平面形式由半徑為82 m的圓形轉換為橢圓形，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。

圍護結構平面圖如圖7所示。

圖7　圍護結構平面示意圖

在變形圍護方案條件下，基坑開挖數值計算結果為：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，地連墻最大壓應力為2.84 MPa。支護結構幾何尺寸變形后地連墻水平位移及最大主應力有較小幅度增加或減小，應力水平滿足材料設計強度要求，根據計算值在實際中不會引起支護體系的破壞，說明在實際的施工過程中圍護結構幾何尺寸發生微小變形對支護結構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結構的影響。

3.4超挖方案分析

為考慮施工過程中架設襯砌所需要的足夠空間，需對基坑超挖進行數值分析，以預防該基坑在超挖工況下圍護結構出現較大變形[5]。

結合施工條件，在與設計方和施工方討論之后，對該工程進行超挖預測，超挖規則按照每工況在島式開挖基礎上開挖深度下沿3 m，且超挖3 m為無內砌支護臨空裸露狀態。工況8至工況9的開挖順序見圖6，當開挖至工況8時，對稱開挖方案下該基坑應挖至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采用內襯支護，25～27 m部位未設置內襯，即此3 m為無內襯支護的“臨空無撐”部位，詳細示意圖如圖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行數值模擬計算，結果顯示：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，地連墻最大壓應力為2.33 MPa。

采用超挖方式使地連墻水平位移及最大主應力有較小幅度增加，應力水平滿足材料設計強度要求，不會引起支護體系的破壞，說明在實際的施工過程中采用超挖方式是可行的。

4　結語

(1)通過數值模擬結果可以得出，采用平挖方案、不對稱開挖方案及部分超開挖時，地連墻的最大水平位移及最大應力均能滿足材料設計強度要求和監測預警值要求，根據計算值在實際中不會引起支護結構的破壞，不會使得支護結構產生較大變形?？刹捎迷搩煞N方案進行實際施工。

(2)地連墻結構幾何尺寸發生微小變化對地連墻的水平變形和應力影響很小，說明地連墻結構應力、應變對幾何尺寸發生微小變形的敏感性不顯著。在實際施工，地連墻結構因施工原因產生微小施工誤差是允許的。

(3)數值模擬對施工起到了預測的作用，隨著施工的進行，不斷累積現場觀測數據，不斷反演計算，辨識土體新的等效參數，建立更加完整的空間模型為后續施工提供指導作用。

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

[2]龔曉南，高有潮.深基坑工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2001.

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

[4]柏國利.圓形地下連續墻殼體有限元數值模擬分析[D].上海：同濟大學，2006.

[5]田蓓蕾.基于變形控制的深基坑地下連續墻支護數值模擬研究[D].武漢：湖北工業大學，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：公路項目試驗檢測，施工監控、監測等；

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